第九章 取代羧酸

第九章 取代羧酸

羧酸分子中烃基上的氢原子被其它原子或原子团取代后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（氧代酸）和氨基酸等。

第一节 羟基酸

一、分类和命名

羟基酸可以分为醇酸和酚酸两类。

羟基酸的命名是以相应的羧酸作为母体，把羟基作为取代基来命名的。自然界存在的羟基酸常按其来源而采用俗名。如：

CH 3CHOHCOOH 2-羟基丙酸（乳酸）

HOOCCH 2CHOHCOOH 羟基丁二酸（苹果酸）

HOOCCHOHCHOHCOOH 2，3-二羟基丁二酸（洒石酸） 2-羟基苯甲酸 （水杨酸）

3，4，5-三羟基苯甲酸（没食子酸）

二、醇酸的性质 1、物理性质

醇酸一般为结晶的固体或粘稠的液体。由于羟基和羧基都以且慢水形成氢键，所以醇酸在水中的溶解度比相应的醇或羧酸都大，低级的醇酸可与水混溶。

2、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

在醇酸分子中，由于羟基的吸电子诱导效应沿着碳链传递到羧基上，而降低了羧基碳的电子云密度，使羧基中氧氢键的电子云偏向于氧原子，促进了氢原子解离成质子。由于诱导效应随传递距离的增长而减弱，因此醇酸的酸性随着羟基与羧基距离的增加而减弱。如： CH 3CHOHCOOH OHCH 2CH 2COOH CH 3CH 2COOH

pK a 3.87 4.51 4.88

2、α-醇酸的分解反应

由于羟基和羧基都有吸电子诱导效应，使羧基与α-碳原子之间的电子云密度降低，有利于二者之间键的断裂，所以当α-醇酸与稀硫酸共热时，分解成比原来少一个碳原子的醛或酮和甲酸。

RCHOHCOH RCHO + HCOOH 此反应常用于由高级羧酸经α-溴代酸制备少一个碳原子的高级醛。 RCH 2COOH RCHBrCOOH RCHOHCOOH RCHO + HCOOH 3、脱水反应 C O O H

OH

C O O H OH OH OH 稀硫酸

Δ 溴 P H 2O OH - 稀硫酸 Δ

脱水产物因羟基与羧基的相对位置不同而有所区别。

①α-醇酸生成交酯：α-醇酸受热时，一分子α-醇酸的羟基与另一分子α-醇酸的羟基相互脱水，生成六元环的交酯。 RCHOHCOOH + RCHOHCOOH 交酯 ②β-醇酸生成α，β-不饱和羧酸：β-醇酸中的α-氢原子同时受到羟基和羧基的影响，比较活泼，受热时容易与β-碳原子上的羟基结合，发生分子内脱水生成α，β-不饱和羧酸。 RCHOHCH 2COOH RCH ═CHCOOH + H 2O

③γ-和δ-醇酸生成物内酯：γ-和δ-醇酸在室温时分子内的羟基和羧基就自动脱去一

分子水，生成稳定的γ-和δ-内酯。

④羟基与羧基相隔5个或5个以上碳原子的醇酸受热，发生多分子间的脱水，生成链状

的聚酯。

三、酚酸的性质

（1）物理性质 酚酸大多数为晶体，有的微溶于水（如水杨酸），有的易溶于水（如没食子酸）。

（2）化学性质

羟基处于邻或对位的酚酸，对热不稳定，当加热至熔点以上时，则脱去羧基生成相应的酚。

+ CO 2↑ + CO 2↑ 四、重要的羟基酸 1、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。

2、β-羟基丁酸：是吸湿性很强的无色晶体，一般为糖浆状粘稠液体，易溶于水、乙醇及乙醚，不溶于苯。

3、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。苹果酸在食品工业中用作酸味剂。

4、洒石酸：是透明棱形晶体，有很强的酸味，易溶于水。洒石酸常用于配制饮料，洒石酸钾钠用于配制斐林试剂。

5、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。柠檬酸常用于配制清凉饮料和作糖果的调味剂，也是制药工业的重要原料。

6、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。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。

7、乙酰水杨酸：俗称“阿司匹林”，为白色针状晶体。它可用水杨酸和乙酐在少量浓硫酸存在下制得：

Δ Δ CH 2CH 2OH OH C O CH CH 2CH 2C O CH O COOH OH 200℃ OH OH OH COOH OH 210℃ OH OH OH COOH

OH 浓硫酸 COOH OCOCH 3

+ （CH 3CO ）2O

乙酰水杨酸具有解热镇痛作用，是常用的解热镇痛药。

乙酰水杨酸分子中中无游离的酚羟基，故其纯品与三氯化铁不显色，但在潮湿的空气中，其易水解为水杨酸和乙酸，因此应密闭于干燥处贮存。

8、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。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，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。

第二节 羰基酸

一、分类和命名

分子中既含有羰基又含有羧基的化合物称为羰基酸。根据所含的是醛基还是酮基，将其分为醛酸和酮酸。

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

OHC ─COOH CH 3COCOOH CH 3COCH 2COOH

乙醛酸 丙酮酸 3-丁酮酸（β-丁酮酸）

二、化学性质

酮酸具有酮和羧酸的一般性质，如与氢或亚硫酸氢钠加成、与羟胺生成肟、成盐和酰化等。由于两种官能团的相互影响，α-酮酸和β-酮酸又有一些特殊的性质。

（一）α-酮酸的性质

1、脱羧和脱羰反应

在α-酮酸分子中，羰基与羧基直接相连，由于羰基和羧基的氧原子都具有较强的吸电子能力，使羰基碳与羧基碳原子之间的电子云密度降低，所以碳碳键容易断裂，在一定条件下可发生脱羧和脱羰反应。

α-酮酸与稀硫酸或浓硫酸共热，分别发生脱羧和脱羰反应生成醛或羧酸。

RCOCOOH + 稀H 2SO 4 RCHO + CO 2↑ RCOCOOH + 浓H 2SO 4 RCOOH + CO ↑ 150℃ Δ

2、氧化反应

α-酮酸很容易被氧化，托伦试剂就能其氧化成羧酸和二氧化碳。 RCOCOOH + [Ag(NH 3)2]+ RCOONH 4 + Ag ↓

（二）β-酮酸的性质

在β-酮酸分子中，由于羰基和羧基的吸电子诱导效应的影响，使α-位的亚甲基碳原子电子云密度降低。因此亚甲基与相邻两个碳原子间的键容易断裂，在不同的反应条件下，能发生酮式和酸式分解反应。

1、酮式分解 β-酮酸在高于室温的情况下，即脱去羧基生成酮。称为酮式分解。 RCOCH 2COOH RCOCH 3 + CO 2↑

2、酸式分解

β-酮酸与浓碱共热时，α-和β-碳原子间的键发生断裂，生成两分子羧酸盐。称为酸式分解。 RCOCH 2COOH + 40℅NaOH RCOONa + CH 3COONa 三、乙酰乙酸乙酯及酮式-烯醇式互变异构现象

1、乙酰乙酸乙酯的制备 在醇钠的催化作用下，两分子乙酸乙酯脱去一分子乙醇生成乙酰乙酸乙酯，此反应称为克莱森酯缩合反应。 2CH 3COOC 2H 5 CH 3COCH 2COOC 2H 5 + C 2H 5OH

2、酮式-烯醇式互变异构现象 乙酰乙酸乙酯能与羰基试剂如羟按、苯肼反应生成肟、苯腙等，能与氢氰酸、亚硫酸氢钠等发生加成反应。由此，证明它具有酮的结构。另外，乙酰乙酸乙酯还能与金属钠作用放出氢气，能使溴的四氯化碳溶液褪色，与三氯化铁作用产生紫红色。由此，又证明它也具有烯醇式的结构。这种现象的产生是因为乙酰乙酸乙酯室温下通常是由酮式和烯醇式两种异构体共同组成的混合物，它们之间在不断地相互转变，并以一定比例呈动态平衡。 像这样两种异构体之间所发生的一种可逆异构化现象，叫做互变异构现象。

乙酰乙酸乙酯分子中烯醇式异构体存在的比例较一般羰基化合物要高的原因，是由于其分子中的亚甲基氢受羰基和酯基的吸电子诱导效应的影响酸性较强，容易以质子形式解离。

形成的碳负离子与羰基和酯基共轭，发生电子离域而比较稳定。当H +与羰基氧结合时，就形

成烯醇式异构体。此外，还由于烯醇式异构体能形成六元环的分子内氢键，以及其分子中共轭体系的存在，更加强了它稳定性。

3、分解反应

（1）酮式分解

乙酰乙酸乙酯在稀碱溶液中加热，可发生水解反应，经酸化后，生成β-丁酮酸。β-丁酮酸不稳定，失去二氧化碳生成丙酮。

（2）酸式分解

乙酰乙酸乙酯与浓碱共热时，生成两分子乙酸盐，经酸化后得到两分子乙酸。

Δ

Δ

Δ 乙醇钠 CH 3O COOC 2H 5CH 2

CH 3COOC 2H 5CH OH CH 3C O COOC 2H 5CH 2CH 3C O COOC 2H 5CH 2稀碱 CH 3C O CH 2COONa H + Δ CH 3C O CH 3浓碱 CH 3C O ONa H +

CH 3C O OH

4、在合成上的应用

乙酰乙酸乙酯亚甲基上的氢原子很活泼，与醇钠等强碱作用时，生成乙酰乙酸乙酯的钠盐，再与活泼的卤烃或酰卤作用，生成乙酰乙酸乙酯的一烃基、二烃基或酰基衍生物。 + RCOX

乙酰乙酸乙酯的钠盐还可与卤代酸酯、卤代丙酮等反应，引入相应的酯基和羰基。乙酰乙酸乙酯的一烃基、二烃基或酰基衍生物，再进行酮式分解或酸式分解反应，可以制取甲基酮、二酮、一元羧酸、二元羧酸、酮酸等化合物。 四、重要的羰基酸

1、乙醛酸：为无色糖浆状液体，易溶于水。

2、丙酮酸：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。

3、β-丁酮酸：又称乙酰乙酸，是无色粘稠液体，酸性比丁酸和β-羟基丁酸强，可与水或乙醇混溶。临床上把β-丁酮酸、β-羟基丁酸和丙酮三者总称为酮体。酮体是脂肪酸在人体内不能完全氧化成二氧化碳和水的中间产物，大量存在于糖化酶尿病患者的血液和尿中，使血液的酸度增加，发生酸中毒，严重时引起患者昏迷或死亡。

4、α-酮丁二酸：又称草酰乙酸，为晶体，能溶于水，在水溶液中产生互变异构，生成α-羟基丁烯二酸，其水溶液与三氯化铁反应显红色。

α-酮丁二酸具有二元羧酸和酮的一般反应。如能成盐、成酯、成酰胺，与2，4-二硝基苯肼作用生成2，4-二硝基苯腙等。

CH 3O C O CH 2O C 2H 5C 乙醇钠 RX CH 3O C O O C 2H 5R C CH 乙醇钠 CH 3C O C O O C 2H 5R R 1C CH 3O C O CH 2O C 2H 5C NaH CH 3C O O C 2H 5R C CH O

CH 3O C O O C 2H 5C CH 稀碱 Δ CH 3C O C O O C 2H 5R R 1C CH 3C O C O O C 2H 5R C CH O CH 3CH 2O R C 浓碱 Δ CH 2R COOH

稀碱 Δ CH 3O R R 1C 浓碱 Δ R R 1CH COOH 稀碱 Δ CH 3O C CH 2O R C 浓碱 Δ CH 2O R C COOH CH 2O C COOH HOO C

C CH COOH HOOC OH