取代羧酸

第十三章 取代羧酸

碳链或碳环上的氢被其他原子或基团取代所生成的化合物，称为取代羧酸。常见的取代羧酸有卤代酸、羟基酸、羰基酸和氨基酸等，它们无论在有机合成或生物代谢中，都是十分重要的。

第一节 羟基酸的分类、命名和来源

定义：分子中同时含有羟基和羧基得化合物叫做羟基酸。

一、 分类

羟基酸可以分为醇酸和酚酸两类，羟基连接在碳链上的叫做醇酸；羟基连接在芳环上的叫做酚酸。

二、 命名

羟基酸的命名常根据它的来源而采用俗名，也可以把它们看成是羧酸的羟基取代物来命名。根据分子中羟基和羰基的相对位置，有α、β、γ……等羟基酸，或按系统命名编号，羧基碳原子编号为1，选择含羟基和羧基的最长碳链为主链。如：

COOH CH 2CH COOH

COOH CH CH COOH

OH OH OH CH 3CH OH

COOH

COOH

OH

2-羟基丙酸（乳酸）

羟基丁二酸（苹果酸）

2，3-二羟基丁二酸 （洒石酸）

2，3-二羟基丁二酸 （洒石酸）

三、 来源

羟基酸有的可用生物化学法制备，如乳酸。化学合成法可从含羟基的化合物中引入羧基或含羧

基的化合物中引入含羟基，或同时引入羟基或羧基。 1、卤代酸水解：

ClCH 2COOH

H 2O

HOCH 2CH 2COOH

H +

2、氰醇水解：

HOCH 2CH 2Cl

NaCN

HOCH 2CH 2HOCH 2CH 2COOH

3、Reformatsky 反应：

R CHO +BrCH 2COOC 2H Zn R CHCH 2COOC 2H 5

R CHCH 2COOC 2H 5

OH

R CHCH 2COOH OH

H 2O H +

4、LDA 法：

CH 3C O H 2O

H

+

LDA COOC 2H 5

C O

COOC 2H 53)2C C O

COOC 2H 5

(CH 3)2C

第二节 羟基酸的性质

羟基分子中含有羟基和羧基，两者都能和水形成氢键，所以羟基酸一般比相应的酸易溶于水。羟基酸具有醇与酸的典型反应性能，并且由于羟基和羧基的相互影响，又表现出一些为羟基酸特有

的性质。这些性质又和羟基和羧基的相对位置有关。

一、 物理性质

1、多为结晶固体，或为糖浆状液体。

2、由于分子中同时含羟基和羧基两个极性基团，可形成氢键，水溶性较大。

二、 化学性质

醇酸既具有醇和羧酸的一般性质，如醇羟基可以氧化、酰化、酯化；羧基可以成盐、成酯等，又由于羟基和羧基的相互影响，而具有一些特殊的性质。

1、酸性：由于羟基的吸电子性，其酸性比羧酸强。增强的程度与羟基在烃基的位置有关。 （1）醇酸的-OH 在烃基上的位置，距-COOH 越近，酸性越强。

CH 3CH 2COOH < OHCH 2CH 2COOH < CH 3CHOHCOOH

pK a 3.86 4.51 4.88 （2）酚酸：邻羟基苯甲酸可形成分子内氢键而使酸性增强

COOH

OH

COOH COOH

COOH

OH

>

>

>

OH

2、脱水：

（1）α-羟基酸——两分子间相互酯化，生成交酯。

R CH C OH OH O

OH CHR C O

HO R C O O

C

O O

CHR +

2H 2O

（2）β-羟基酸——分子内脱水形成α,β- 不饱和酸

+H 2O

△

R

CH H C OH

H

COOH

R

C H C H

COOH

（3

）γ或δ羟基酸--发生分子内的酯化，产物叫内酯

OH OH O

O

O

+

H 2O

OH OH O

O

O +H 2O γ-丁内酯

δ-戊内酯

3、氧化：α-羟基酸中的羟基比醇羟基容易氧化。土伦试剂与醇不发生反应，但能把α-羟基酸氧化

为α-羰基酸。

CH 3CHCOOH

Ag(NH 3)2+

CH 3CCOOH

-CO 2

CH 3C H

RCHCH 2COOH OH

Ag(NH )+

RCCH 2COOH -CO 2

C R CH 3

4、脱羧——可用于从高级羧酸合成减少一个碳原子的醛酮

稀R CH OH

COOH

RCHO HCOOH

24

+RCH 2COOH

RCCOOH -CO 2

C R O H Br 2RCCOOH H 3O +

第三节 重要的羟基酸酸

一、乳酸

乳酸：为无色粘稠液体，有很强的吸湿性和酸味，溶于水、乙醇、甘油和乙醚，不溶于氯仿和油脂。

（1）结构： H 3C H

C COOH

（2）存在：酸牛奶（外消旋）、蔗糖发酵（左旋的）、肌肉中（右旋的）。

（3）用途：具有很强的吸湿性；工业上作除钙剂（钙盐不溶于水）；食品工业中作增酸剂；钙盐可补钙。

二、苹果酸

苹果酸：为针状结晶，易溶于水和乙醇，微溶于乙醚。苹果酸在酶的催化下生成草酰乙酸。

（1）结构：

HO

CH COOH 2

COOH

（2）存在：未成熟的果实内；植物的叶子中；自然界中存在的是左旋体。 （3）用途：制药和食品工业，在食品工业中用作酸味剂。

三、酒石酸

洒石酸：是透明棱形晶体，有很强的酸味，易溶于水。

（1）结构：

H H

C HO

COOH COOH HO

（2）存在：多种水果中；或以盐的形式存在于水果中。

（3）用途：可用作酸味剂，常用于配制饮料，其锑钾盐有抗血吸虫作用。

四、柠檬酸

柠檬酸：为无色结晶，含一分子结晶水，易溶于水、乙醇和乙醚，有强酸味。

（1）结构：

C

H

C

HO COOH

COOH HO

H2COOH

（2）存在：多种植物的果实中；动物组织与体液中，为无色晶体。

（3）用途：食品工业的调味品（有酸味），也用于制药业。

五、水杨酸

水杨酸：为无色针状结晶，微溶于冷水，易溶于乙醇、乙醚和热水。

（1）结构：

OH COOH

（2）来源：采用工业合成法——Kolbe-Schmidt反应

OCOONa OH

COONa

H+

OH

COOH

H

（3）性质：它具有酚和羧酸的一般性质，如易被氧化、遇三氯化铁显紫红色，酸性比苯甲酸强等。其在醋酸溶液中和乙酐共热，则生成乙酰水杨酸，俗称“阿斯匹林”。

（4）用途：乙酰水扬酸即阿司匹灵有解热、镇痛作用，能抑制血小板凝聚，防止血栓的形成。

六、没食子酸

没食子酸：又称五倍子酸。纯粹的没食子酸为白色结晶性粉末，能溶于水、乙醇和乙醚。

（1）结构：

COOH

HO OH

（2）存在：为无色晶体，以丹宁形式存在于许多植物中。（丹宁是一种天然产物）

（3）性质：没食子酸有较强还原性，极易被氧化，露置在空气中能迅速氧化呈暗褐色。

（4）用途：可用作抗氧剂的影像显影剂。没食子酸与三氯化铁产生蓝黑色沉淀，可用来制造墨水。

第四节羰基酸的分类、命名

?定义：分子中既含有羰基，又含有羧基的化合物称为羰基酸。如丙酮酸、3-丁酮酸等。

一、分类

根据所含的是醛基还是酮基，将其分为醛酸（羰基在碳链的一端）和酮酸（羰基在碳链的当中）。根据羰基和羧基的相对位置不同，又可以把它们分为α、β、γ等醛酸或酮酸。

二、命名

基酸的命名与醇酸相似，以羧酸为母体，羰基作为取代基，羰基的位次用阿拉伯数字或用希腊字母表示。如：

H C

O

COOH H C

O

CH2COOH CH3C

O

COOH CH3C

O

CH2COOH 乙醛酸β-丙醛酸丙酮酸3-丁酮酸（β-丁酮酸）

三、 性质：

1. 羰基酸具有羰基和羧酸的典型反应。

2. 酮酸的特性反应

（1）α-与稀硫酸共热时，脱羧生成醛。 （2）β-酮酸受热易脱羧生成酮。

第五节 重要的羰基酸 一、 乙醛酸

乙醛酸，为无色糖浆状液体，易溶于水。存在于未成熟的水果和动物组织中。 1、康尼扎罗反应：

CHO

CH 2OH COONa COONa +

2

NaOH

2、水合：

CHOOH

H C O COOH

H 2O

HO

HO

二、 丙酮酸

丙酮酸，是动植物体内碳水化合物和蛋白质代谢的中间产物。为无色有刺激性气味的液体，可与

水混溶，酸性比丙酮和乳酸都强。

1、 制备：

H 3C H

C COOH

H 3C C COOH

2、 性质：

H 3C C COOH

H 2SO 4

CH 3CHO +CO 2

三、 乙酰乙酸

乙酰乙酸：又称β-丁酮酸。是有机体内脂肪代谢的中间产物。糖尿病患者脂肪的新陈代谢不能正常进行，在尿中排泄出丙酮和乙酰乙酸来，在病理学上叫做丙酮体。 1、 乙酰乙酸的结构：CH 3COCH 2COOH 是β—酮酸。 2、 β—酮酸的共性－－受热脱羧：

CO 2

H 3C C CH 2COOH

+3C C CH 3O

四、 乙酰乙酸乙酯

乙酰乙酸乙酯是一种无色液体，在有机合成上又重要意义。

1、 结构：

H 3C C CH 2COOCH 2CH 3

2、 制备：工业上用乙烯酮二聚制备；实验室用Claisen （克莱森）酯缩合，两分子乙酸乙酯在EtONa

作用下起缩合反应制备 。

CH 3C O OC 2H 5+CH 3C O OC 2H 5

C 2H 5ONa CH 3C O CH 2C O

OC 2H 5

3、 性质：

（1） 与金属Na 反应放出H2生成钠盐，说明含活泼H 。

（2） 与Br2/CCl4溶液反应褪色，说明含不饱和键。

（3） 与FeCl3溶液呈紫色反应 ，说明含C=C-OH 烯醇式结构。 （4） 与羟胺、苯肼等生成苯腙，说明含C=O 。 （5） 与HCN 、NaHSO3等反应。 4、 互变异构：

H 3C O H 2

C C

O

OEt

H 3C C H

C

O OEt

OH 室温

92.5 %酮式

7.5%烯醇式

生成的烯醇式稳定的原因：

1°形成共轭体系，降低了体系的内能。

2°烯醇结构可形成分子内氢键（形成较稳定的六元环体系）。 5、 与亚甲基活泼H 的反应：

H 3C C O C H 2C O

OEt

EtONa

H 3C C O H C C O OEt -Na +

RX

H 3C O CH C O OEt

R

EtONa R`X

H 3C C O C C O

OEt

R`

注意：*RX 一般不宜用30RX 和乙烯式卤代烃，最好用10RX 。

*如在亚甲基上引入两个取代基，通常第一次引入较大的基团。 6、 酮式分解和酸式分解：

H 3C C O

H C C

O

R

CH 3COCH 2R RCH 2COOH 酮式分解酸式分解

酮式分解

酸式分解

（1）酮式分解：乙酰乙酸乙酯受稀碱(5%-10%)作用，发生皂化，加热则脱羧生成酮。 （2）酸式分解；乙酰乙酸乙酯用强碱(40%-50%)溶液，加热所得到的主要产物是酸。 7、 乙酰乙酸乙酯在合成中的应用：

由于乙酰乙酸乙酯的上述性质，我们可以通过亚甲基上的取代，引入各种不同的基团后，再经酮式分解或酸式分解，就可以得到不同结构的酮或酸：a. 合成甲基酮. b. 合成二元酮. c. 合成一元酸. d. 合成二元酸. e. 合成酮酸。

H 3O +

CH 3C O CH 2C O OC 2H 51) EtONa

2225

CH 3C O CH C O

OC 2H 5

2COOC 2H 5

CH 3C O CH 2CH 2COOC 2H 5CH 3C O

CH 2CH 2COOH CH 3COOH + HOOCCH 2CH 2COOH

与酰氯或酸酐反应，可合成β-二酮等：

CH 3C O CH 2C O

OC 21) EtONa CH 3C O CH C O

OC 2H 5

40%NaOH

R

C O

CH 2COOH CH 3C O CH 2C O R

-二酮

CH 3C O CH 2C O OC 22

CH 3C O CH C O

OC 2H 5

CH 2COR

40%NaOH

CH 3C O CH 2C O

R CH 2C O R

CH 2CH 2COOH

2，4-二酮

五、 丙二酸酯的合成和应用

1、 制备：

ClCH 223

2COONa NaCN 2COOH C 2H 5OH

+

2(COOC 2

H 5)22、在合成中的应用：a. 合成一元酸； b. 合成二元酸； c. 合成环状化合物酸

3、 化学性质： （1）、合成增加两个碳的羧酸：

2) 2 R-X

CH 2(COOC 2H 5)2

R 2C(COOC 2H 5)H 3O +

2

R 2CH 2COOH

CH 2(COOC 2H 5)

2CH(COOC 2H 5)2

R H 3O +

2CH 2COOH R

（2）、合成二元羧酸：

1) EtONa 2) BrCH 2CH 2Br CH 2(COOC 2H 5)CH(COOC 2H 5)2H 5)CHCH 2COOH

CHCH 2COOH

1) EtONa CH 2(COOC 2H 5)2RC(COOC 2H 5)2

+22

5

CH(COOC 2H 5)2

R CH 2COOC 2H 5

CH 2COOH

R 2COOH

（3）、合成环状羧酸：

1) 2 EtONa

22CH 2(COOC 2H 5)2+

COOH

COOC 2H 5COOC 2H 5

（4）、迈克尔加成－－Michael addition ：

EtOH

CH 2(COOC 2H 5)2

+

O

+O

CH(COOC 2H 5)O

CH 2COOH

历程：

CH 2(COOC 2H 5)EtONa

2H 5)

O

CH(COOC 2H 5)2

EtOH

OH

CH(COOC 2H 5)2

O

CH(COOC 2H 5)2

其他具有显著酸性氢的化合物也能发生迈克尔加成：

O

CH 3

CH 3H +HC C O

Ph

CH 2

EtOK O

CH 3

CH 3CH 2CH 2C O Ph

（5）、鲁宾逊(Robinson)关环：

+

O

CH 3CH CH 2O O

CH 3

O

OH

O +

C O

CH 3CH CH 2O O

CH 3

O

O

CH CH 3

CH 3

CH 3

（6）、Knoevenagel 缩合反应：

CH 2(COOC 2H 5)

CHO

+CH C(COOEt)2CH CHCOOH

CH 2(COOC 2H 5)

+CHO O