醫(yī)用化學/羧酸
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羧酸在自然界中常以游離狀態(tài)或以鹽或酯的形式廣泛存在于動植物體中，是與醫(yī)藥關系十分密切的一類化合物。
目錄 |
一、羧酸的分類及命名
按照烴基構造的不同，羧酸可分為脂肪族羧酸（飽和及不飽和的）、脂環(huán)族羧酸和芳香族羧酸。根據(jù)羧酸分子中所含羧基的數(shù)目，又可分為一元酸及多元酸。鏈狀的一元羧酸（包括飽和的及不飽和的）通稱為脂肪酸。羧酸的分類見表16-1。
表16－1 羧酸的分類
| 脂肪族羧酸 | 飽和羧酸 | 一元羧酸 | 二元羧酸 |
| CH2COOH | HOOC-COOH | ||
| 乙酸（醋酸） | 乙二酸（草酸） | ||
| 不飽合羧酸 | CH2=CH-COOH | HOOCCH=CHCOOH | |
| 丙烯酸 | 丁烯二酸 | ||
| 脂 環(huán) 族 羧 酸 |
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| 環(huán)已烷羧酸 | 1，2-環(huán)戊烷二羧酸 | ||
| 芳香族羧酸 |
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| 苯甲酸 | 鄰苯二甲酸 | ||
許多羧酸可以從天然產物中獲得，因此它們常根據(jù)最初的來源而有俗名，如蟻酸、醋酸、草酸等。羧酸的系統(tǒng)命名法與醛相似。飽和脂肪酸命名是以包括羧基碳原子在內的最長碳鏈作為主鏈，根據(jù)主鏈碳原子數(shù)稱為某酸，從羧基碳原子開始編號。例如：
不飽和脂肪酸命名時，主鏈應是包括羧基碳原子和各碳碳重鍵的碳原子都在內的最長碳鏈，從羧基碳原子開始編號，并注明重鍵的位置。例如：
二元酸的命名是以包括兩個羧基碳原子在內的最長碳鏈作為主鏈，按主鏈的碳原子數(shù)稱為“某二酸”。例如；
羧基直接連在脂環(huán)上的羧酸命名時，可在脂環(huán)烴的名稱后加上“羧酸或二羧酸”等詞尾；羧基在脂環(huán)上的羧酸命名是將脂環(huán)烴的名稱與脂肪酸的名稱連接起來。另外，不論羧基直接連在脂環(huán)上還是連在脂環(huán)側鏈上，均可把脂環(huán)作為取代基來命名。例如；
芳香酸可將其作為脂肪酸的芳香基取代物來命名。例如：
二、羧酸的物理性質
低級飽和脂肪酸（甲酸、乙酸、丙酸）是具有強烈刺激性氣味的液體；中級的（C4-C9）羧酸是帶有不愉快氣味的油狀液體；C10及C10以上的羧酸為無味的油狀固體，揮發(fā)性很低，脂肪族二元羧酸和芳香族羧酸都是固體。
低級脂肪酸易溶于水，但隨著相對分子質量的增加，在水中的溶解度減小，以至難溶或不溶于水，而溶于有機溶劑。
羧酸的沸點比相對分子質量相近的醇還要高。例如，甲酸和乙醇的相對分子質量相同，但乙醇的沸點為78.5℃，而甲酸為100.5℃。這是因為羧酸分子間能以氫鍵締合成二聚體，羧酸分子間的這種氫鍵比醇分子間的更穩(wěn)定。例如，乙醇分子間的氫鍵鍵能為25.94kJ.mol-1，而甲酸分子間的氫鍵鍵能則是30.12kJ.mol-1。低級羧酸即使在氣態(tài)也是以二締合體的形式存在。
飽和脂肪酸熔點隨著分子中碳原子數(shù)的增加呈鋸齒形變化（圖16-1）。含偶數(shù)碳原子的羧酸其熔點比其相鄰的兩個含奇數(shù)碳原子羧酸分子的熔點高。這可能是由于偶數(shù)碳原子羧酸分子較為對稱，在晶體中排列更緊密的緣故。一些羧酸的物理常數(shù)和pKa值見表16-2。
表16-2 一些羧酸的物理常數(shù)和pKa
| 名稱 | 構造式 | 熔點/℃ | 沸點/℃ | 溶解度g.（100g水）-1 | PKa （25℃）pKa1 ,pKa2 |
| 甲酸 | HCOOH | 8.4 | 100.5 | ∞ | 3.77 |
| 乙酸 | CH3COOH | 16.6 | 118 | ∞ | 4.76 |
| 丙酸 | CH3CH2COOH | -22 | 141 | ∞ | 4.88 |
| 正丁酸 | CH3CH2CH2COOH | -4.7 | 162.5 | ∞ | 4.82 |
| 正戊酸 | CH3(CH2)3COOH | -35 | 187 | 3.7 | 4.81 |
| 正己酸 | CH3(CH2)4COOH | -1.5 | 205 | 0.4 | 4.84 |
| 正庚酸 | CH3(CH2)5COOH | -11 | 223.5 | 0.24 | 4.89 |
| 正辛酸 | CH3(CH2)6COOH | 16.5 | 237 | 0.25 | 4.85 |
| 壬酸 | CH3(CH2)7COOH | 12.5 | 254 | 4.96 | |
| 癸酸 | CH3(CH2)8COOH | 31.5 | 268 | ||
| 軟脂酸 | CH3(CH2)14COOH | 62.9 | 269(13Pa) | ||
| 硬脂酸 | CH3(CH2)10COOH | 69.6 | 287(13Pa) | ||
| 丙烯酸 | CH2=CHCOOH | 13 | 141 | 4.26 | |
| 乙二酸 | HOOC-COOH | 189 | 8.6 | 1.46 4.40 | |
| 己二酸 | HOOC(CH2)4COOH | 151 | 276 | 1.5 | 4.43 5.52 |
| 順丁烯二酸 |
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131 | 易溶 | 1.92 6.59 | |
| 反丁烯二酸 |
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287 | 0.7 | 3.03 4.54 | |
| 苯甲 酸 | C6H5COOH | 122 | 249 | 0.34 | 4.19 |
| 苯乙酸 | C6H5CH2COOH | 78 | 265 | 1.66 | 4.28 |
| 萘乙酸 |
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131 | 0.04 |
三、羧酸的化學性質
羧酸是由羧基和烴基組成的，羧基包括羰基和羥基兩個部分，因而不同程度地反映了羰基和羥基的某些性質。但羧基的性質并非兩個基團的簡單加和，由于羰基和羥基的相互影響表現(xiàn)出許多新的性質。
用物理方法測定甲酸中C=O鍵長為0.1245nm，比普通羰基的鍵長（0.122nm）略長一點；C-OH鍵中的碳氧鍵長為0.131nm，比醇中的鍵長（0.143nm）短得多。這表明羧酸中羰基與羥基間發(fā)生了相互影響。
在羧酸分子中，羰基碳原子的三個sp2雜化軌道一個與氧成鍵，一個與羥基氧成鍵，另一個與氫或烴基成鍵，這三個軌道在一個面上，鍵角約120°；碳原子上的一個未參與雜化的p軌道與氧原子的p軌道構成了π鍵。但羧基中-OH氧上有一對未共用的電子，可與π鍵形成p-π共軛體系。
這樣一來，一方面使
原子團失去了典型的羰基性質，另一方面-OH氧原子的電子云向羰基移動，氧的電子云密度降低，有利于氫的離解，故羧酸的酸性強于醇。
經X射對甲酸根離子的測定表明，它的兩個碳氧鍵的鍵長都是0.127 nm 。這說明氫以質子形式脫離羧基后，p-π共軛作用更完全，發(fā)生了鍵的平均化。這樣，-COO－上的負電荷不再集中于一個氧原子,而是平均分配在兩個氧上,所以羧酸根離子更穩(wěn)定.
根據(jù)羧酸的構造,它可以發(fā)生如下反應。
（一）酸性
羧酸在水中可離解出質子而顯酸性，其pKa值一般為4-5，屬于弱酸。
羧酸的酸性雖比鹽酸，硫酸等無機酸弱得多，但比碳酸（pKa=6.35）和一般的酚類（pKa-10）強。故羧酸能分解碳酸鹽和碳酸氫鹽，放出二氧化碳。
2RCOOH+Na2CO3→2RCOONa+CO2↑+H2o
RCOOH+NaHCO3→RCOONa+CO2↑+H2o
利用羧酸與碳酸氫鈉的反應可將羧酸與酚類相區(qū)別。因羧酸可溶于碳酸氫鈉溶液并放出二氧化碳，而一般酚類與碳酸氫鈉不起作用。
低級和中級羧酸的鉀鹽、鈉鹽及銨鹽溶于水，故一些含羧基的的藥物制成羧酸鹽以增加其在水中的溶解度，便于做成水劑或注射劑使用，。
在羧酸（RCOOH）分子中，與羧基直接或間接直連的原子團對羧酸的酸性有不同程度的影響（表16-3）。
表16-3 一些羧酸的電離常數(shù)
| 化合物 | 構造式 | PKa |
| 1．甲酸 | HCOOH | 3.77 |
| 2．乙酸 | CH3COOH | 4.76 |
| 3．氯乙酸 | ClCH2COOH | 2.86 |
| 4．二氯乙酸 | Cl2CHCOOH | 1.29 |
| 5．三氯乙酸 | Cl3CCOOH | 0.65 |
| 6．溴乙酸 | BrCH2COOH | 2.90 |
| 7．碘乙酸 | ICH2COOH | 3.18 |
| 8．氟乙酸 | FCH2COOH | 2.66 |
| 9．三氟乙酸 | F3CCOOH | 強酸 |
| 10．丁酸 | CH3CH2CH2COOH | 4.82 |
| 11．α-氯丁酸 |
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2.84 |
| 12．β-氯丁酸 |
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4.06 |
| 13．γ-氯丁酸 | CLCH2CH2CH2COOH | 4.52 |
和脂肪酸中，與羧基相連的烷基具有供電誘導效應（+I），使羧基上的氫較難離解，酸性較甲酸弱（表16-3中的1，2）。當鹵素取代羧酸分子中烴基上的氫后，由于鹵原子的吸電子誘導效應（-I），酸性增強（表16-3中的3，6，7，8）。烴基某個碳上引入的鹵原子的數(shù)目越多，酸性越強（表16-3中的3，4，5及8，9）當鹵原子相同時，鹵原子距羧基越近，酸性越強（表16-3中的11，12，13）。當鹵原子的種類不同時，它們對酸性的影響是F＞CL＞Br＞I。所以氟乙酸的酸性＞氯乙酸＞溴乙酸＞碘乙酸（表16-3中的3，6，7，8）。
（二）羥基被取代的反應
羧酸中的羥基可以被其它原子或原子團取代，生成羧酸衍生物。例如：
羧酸分子中去掉羧基上的羥 基后，余下的原子團
叫做脫水生成酯的反應叫做酯 化。
羧酸與醇的酯化反應是可逆的，而且反應速率很慢，需用酸作催化劑。例如：
2．酰鹵的生成
羧酸（除甲酸外）能與三鹵化磷、五鹵化磷或亞硫酰氯（SOCL2）反應，羧基中的羥基被鹵素取代生成相應的酰鹵。
例如：
應用SOCL2制備酰鹵時，副產物都是氣體，便于處理及提純。
3．酸酐的生成
除甲酸外，一元羧酸與脫水劑共熱時，兩分子羧酸可脫去一分子水，生成酸酐。
4．酰胺的生成
在羧酸中通入氨氣或加入碳酸銨，可以得到羧酸的銨鹽。將固體的羧酸銨加熱，分子內失去一分子水生成酰胺。
（三）脫羧反應和二元羧酸的受熱反應
羧酸脫去羧基的反應叫做脫羧。這個反應的結果是從羧基脫去CO2。
除甲酸外，一元羧酸較穩(wěn)定，直接加熱時難以脫羧，只有在特殊條件下才可發(fā)生，生成少一個碳的烴。例如：
生物體內發(fā)生的許多重要的脫羧反應是在脫羧酶的作用下進行的。
有些二元酸對熱不穩(wěn)定，在加熱或與脫水劑共熱的條件下，隨兩個羧基間距不同而發(fā)生脫羧反應或脫水反應，這是二元羧酸的特性。
1．乙二酸和丙二酸
乙二酸或丙二酸加熱脫羧生成一元羧酸。
這三種酸與脫水劑共熱時失水，生成環(huán)狀酸酐。
3．己二酸，庚二酸
己二酸、庚二酸與氫氧化鋇共熱時，既失水又脫羧 ，生成環(huán)酮。
（四）α-H的鹵代作用
與羰基相似，羧基也能活化α-H，但其致活作用比羰基小得多。因此，羧酸中的α-H被鹵素取代的反應較慢，需加入紅磷、硫或碘等作催化劑或在光照下才易進行。
四、重要的羧酸
（一）甲酸
甲酸最初是從紅螞蟻體內發(fā)現(xiàn)的，所以俗稱蟻酸。它是無色有刺激性的液體，沸點100.5℃，易溶于水。甲酸的腐蝕性很強，能使皮膚起泡。
甲酸的構造比較特殊，分子中的羧基與氫原子相連，既具有羧基的結構又有醛基的結構，因而既有酸性又有還原性，能發(fā)生銀鏡反應或使高錳酸鉀溶液褪色。
（二）乙酸
乙酸俗名醋酸，是食醋的主要萬分。乙酸為無色有刺激氣味的液體，熔點16.6℃，沸點118℃。由于乙酸在16.6℃以下能凝結成冰狀固體，所以常把無水乙酸稱為冰醋酸。乙酸易溶于水，也能溶于許多有機物。乙酸還是重要的工業(yè)原料。
（三）乙二酸
乙二酸
俗名草酸，在大部分植物尤其是草本植物中常以鹽的形式存在。草酸是無色晶體。常見的草酸含有兩分子結晶水。無水草酸的熔點189℃，加熱到150℃以上時就開始分解生成甲酸及二氧化碳，甲酸再分解為一氧化碳和水。
草酸具有還原性，在分析化學中常用來標定KMnO4溶液的濃度。
（四）苯甲酸
苯甲酸
安息香膠內。苯甲酸是白色固體，熔點121℃，微溶于水，受熱易升華。苯甲酸有抑菌，防腐作用?？勺?a href="/w/%E9%98%B2%E8%85%90%E5%89%82" title="防腐劑">防腐劑，也可外用。
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