醫(yī)用化學(xué):第一節(jié)　羧酸

<<醫(yī)用化學(xué)>>目錄

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(dòng)植物體中，是與醫(yī)藥關(guān)系十分密切的一類(lèi)化合物。一、羧酸的分類(lèi)及命名按照烴基構(gòu)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…

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(dòng)植物體中，是與醫(yī)藥關(guān)系十分密切的一類(lèi)化合物。

一、羧酸的分類(lèi)及命名

按照烴基構(gòu)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(chēng)為脂肪酸。羧酸的分類(lèi)見(jiàn)表16-1。

表16－1　羧酸的分類(lèi)

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
環(huán)已烷羧酸	1，2-環(huán)戊烷二羧酸
芳香族羧酸
苯甲酸	鄰苯二甲酸

許多羧酸可以從天然產(chǎn)物中獲得，因此它們常根據(jù)最初的來(lái)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(nèi)的最長(zhǎng)碳鏈作為主鏈，根據(jù)主鏈碳原子數(shù)稱(chēng)為某酸，從羧基碳原子開(kāi)始編號(hào)。例如：

不飽和脂肪酸命名時(shí)，主鏈應(yīng)是包括羧基碳原子和各碳碳重鍵的碳原子都在內(nèi)的最長(zhǎng)碳鏈，從羧基碳原子開(kāi)始編號(hào)，并注明重鍵的位置。例如：

二元酸的命名是以包括兩個(gè)羧基碳原子在內(nèi)的最長(zhǎng)碳鏈作為主鏈，按主鏈的碳原子數(shù)稱(chēng)為“某二酸”。例如；

羧基直接連在脂環(huán)上的羧酸命名時(shí)，可在脂環(huán)烴的名稱(chēng)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(chēng)與脂肪酸的名稱(chēng)連接起來(lái)。另外，不論羧基直接連在脂環(huán)上還是連在脂環(huán)側(cè)鏈上，均可把脂環(huán)作為取代基來(lái)命名。例如；

芳香酸可將其作為脂肪酸的芳香基取代物來(lái)命名。例如：

二、羧酸的物理性質(zhì)

低級(jí)飽和脂肪酸（甲酸、乙酸、丙酸)是具有強(qiáng)烈刺激性氣味的液體；中級(jí)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(wú)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(jí)脂肪酸易溶于水，但隨著相對(duì)分子質(zhì)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(jī)溶劑。

羧酸的沸點(diǎn)比相對(duì)分子質(zhì)量相近的醇還要高。例如，甲酸和乙醇的相對(duì)分子質(zhì)量相同，但乙醇的沸點(diǎn)為78.5℃，而甲酸為100.5℃。這是因?yàn)轸人岱肿娱g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(jí)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(diǎn)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(diǎn)比其相鄰的兩個(gè)含奇數(shù)碳原子羧酸分子的熔點(diǎn)高。這可能是由于偶數(shù)碳原子羧酸分子較為對(duì)稱(chēng)，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(jiàn)表16-2。

表16-2 一些羧酸的物理常數(shù)和pKa

jfsoft.net.cn/zhicheng/

名稱(chēng)	構(gòu)造式	熔點(diǎn)/℃	沸點(diǎn)/℃	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		131		易溶	1.92　6.59
反丁烯二酸		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		131		0.04

三、羧酸的化學(xué)性質(zhì)

羧酸是由羧基和烴基組成的，羧基包括羰基和羥基兩個(gè)部分，因而不同程度地反映了羰基和羥基的某些性質(zhì)。但羧基的性質(zhì)并非兩個(gè)基團(tuán)的簡(jiǎn)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(zhì)。

用物理方法測(cè)定甲酸中C=O鍵長(zhǎng)為0.1245nm，比普通羰基的鍵長(zhǎng)（0.122nm)略長(zhǎng)一點(diǎn)；C-OH鍵中的碳氧鍵長(zhǎng)為0.131nm，比醇中的鍵長(zhǎng)（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(gè)sp2雜化軌道一個(gè)與氧成鍵，一個(gè)與羥基氧成鍵，另一個(gè)與氫或烴基成鍵，這三個(gè)軌道在一個(gè)平面上，鍵角約120°；碳原子上的一個(gè)未參與雜化的p軌道與氧原子的p軌道構(gòu)成了π鍵。但羧基中-OH氧上有一對(duì)未共用的電子，可與π鍵形成p-π共軛體系。

這樣一來(lái)，一方面使

原子團(tuán)失去了典型的羰基性質(zhì)，另一方面-OH氧原子的電子云向羰基移動(dòng)，氧的電子云密度降低，有利于氫的離解，故羧酸的酸性強(qiáng)于醇。

經(jīng)X射對(duì)甲酸根離子的測(cè)定表明，它的兩個(gè)碳氧鍵的鍵長(zhǎng)都是0.127 nm 。這說(shuō)明氫以質(zhì)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(fù)電荷不再集中于一個(gè)氧原子,而是平均分配在兩個(gè)氧上,所以羧酸根離子更穩(wěn)定.

根據(jù)羧酸的構(gòu)造,它可以發(fā)生如下反應(yīng)。

（一)酸性

羧酸在水中可離解出質(zhì)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(wú)機(jī)酸弱得多，但比碳酸（pKa=6.35)和一般的酚類(lèi)（pKa-10)強(qiáng)。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(yīng)可將羧酸與酚類(lèi)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(lèi)與碳酸氫鈉不起作用。

低級(jí)和中級(jí)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(tuán)對(duì)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(gòu)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(qiáng)酸
10．丁酸	CH₃CH₂CH₂COOH	4.82
11．α-氯丁酸		2.84
12．β-氯丁酸		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(dǎo)效應(yīng)（+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(dāng)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(dǎo)效應(yīng)（-I)，酸性增強(qiáng)（表16-3中的3，6，7，8)。烴基某個(gè)碳上引入的鹵原子的數(shù)目越多，酸性越強(qiáng)（表16-3中的3，4，5及8，9)當(dāng)鹵原子相同時(shí)，鹵原子距羧基越近，酸性越強(qiáng)（表16-3中的11，12，13)。當(dāng)鹵原子的種類(lèi)不同時(shí)，它們對(duì)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(yīng)

羧酸中的羥基可以被其它原子或原子團(tuán)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(tuán)

叫做�；�

1．酯化反應(yīng)

酸與醇脫水生成酯的反應(yīng)叫做酯化。

羧酸與醇的酯化反應(yīng)是可逆的，而且反應(yīng)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(yīng)，羧基中的羥基被鹵素取代生成相應(yīng)的酰鹵。

例如：

應(yīng)用SOCL2制備酰鹵時(shí)，副產(chǎn)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(shí)，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(nèi)失去一分子水生成酰胺。

（三)脫羧反應(yīng)和二元羧酸的受熱反應(yīng)

羧酸脫去羧基的反應(yīng)叫做脫羧。這個(gè)反應(yīng)的結(jié)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(shí)難以脫羧，只有在特殊條件下才可發(fā)生，生成少一個(gè)碳的烴。例如：

生物體內(nèi)發(fā)生的許多重要的脫羧反應(yīng)是在脫羧酶的作用下進(jìn)行的。

有些二元酸對(duì)熱不穩(wěn)定，在加熱或與脫水劑共熱的條件下，隨兩個(gè)羧基間距不同而發(fā)生脫羧反應(yīng)或脫水反應(yīng)，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。

2．丁二酸、戊二酸及鄰苯二甲酸

這三種酸與脫水劑共熱時(shí)失水，生成環(huán)狀酸酐。

jfsoft.net.cn/job/

3．己二酸，庚二酸

己二酸、庚二酸與氫氧化鋇共熱時(shí)，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(yīng)較慢，需加入紅磷、硫或碘等作催化劑或在光照下才易進(jìn)行。

四、重要的羧酸

（一)甲酸

甲酸最初是從紅螞蟻體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的，所以俗稱(chēng)蟻酸。它是無(wú)色有刺激性的液體，沸點(diǎn)100.5℃，易溶于水。甲酸的腐蝕性很強(qiáng)，能使皮膚起泡。

甲酸的構(gòu)造比較特殊，分子中的羧基與氫原子相連，既具有羧基的結(jié)構(gòu)又有醛基的結(jié)構(gòu)，因而既有酸性又有還原性，能發(fā)生銀鏡反應(yīng)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(wàn)分。乙酸為無(wú)色有刺激氣味的液體，熔點(diǎn)16.6℃，沸點(diǎn)118℃。由于乙酸在16.6℃以下能凝結(jié)成冰狀固體，所以常把無(wú)水乙酸稱(chēng)為冰醋酸。乙酸易溶于水，也能溶于許多有機(jī)物。乙酸還是重要的工業(yè)原料。

（三)乙二酸

乙二酸