第十章羧酸及其衍生物

第13章　羧酸
学习要求：
1． 掌握羧基的结构和羧酸的化学性质
2． 掌握诱导效应和共轭效应对羧酸酸性的影响
3． 掌握羧酸的制备方法以及重要的羧酸的主要用途
4． 掌握二元羧酸取代羧酸的特性反应

分子中含有羧基（－COOH）的一类化合物称为羧酸（Carboxylic acid）。羧基是羰酸

的官能团。除甲酸外，羧酸可看作是烃的羧基衍生物，其通式为：按羧基所连的烃基种类不同，羧酸可分为脂肪族羧酸、脂环族羧酸和芳香族羧酸。按烃基是否饱和，可分为饱和羧酸和不饱和羧酸。按羧酸分子中所含羧基的数目不同，又可分为一元羧酸、二元羧酸、三元羧酸等。二元及二元以上羧酸统称为多元羧酸。
羧基中的碳原子也是sp2杂化方式成键的，它用三个sp2杂化轨道分别与－ＯＨ的氧原子，羰基的氧原子和一个烃基的碳原子（也可以是一个氢原子）以σ键相结合，且这三个σ键在同一平面内。羰基碳原子上未参与杂化的p轨道与羰基氧原子的p轨道相互交盖而形成π键。－ＯＨ氧原子上的带有未共用电子对的p轨道可以与π键形成p－π共轭体系，发生电子离域。

13．1 羧酸的物理性质
甲酸、乙酸、丙酸是具有刺激性臭味的液体，丁酸至壬酸是具有腐败气味的油状液体，癸酸以上的正构羧酸是无臭的固体。脂肪族二元羧酸和芳香族羧酸都是结晶固体。
由于羧酸是个亲水基团，可和水形成氢键。甲酸至丁酸能与水混溶。从戊酸开始随相对分子质量增加，分子中非极性烃基增大，水溶性迅速降低。癸酸以上的羧酸不溶于水。脂肪族一元羧酸一般都能溶于乙醇、乙醚、氯仿等有机溶剂中。低级的饱和二元羧酸也可溶于水，并随碳链的增长而溶解度降低。芳酸的水溶性极微。
饱和一元脂肪酸，除甲酸、乙酸的相对密度大于１外，其它羧酸的相对密度都小于１。二元羧酸和芳酸的相对密度都大于１。
饱和一元羧酸的沸点随相对分子质量的增加而增高。羧酸的沸点比相对分子质量相同或相近的醇的沸点高。例如，甲酸和乙醇的相对分子质量均为46，而甲酸的沸点为100.7℃，乙醇的沸点为78℃；又如乙酸和丙醇的相对分子质量均为60，而乙酸的沸点为118℃，正丙醇的沸点为97.2℃。这是由于羧酸分子之间能由两个氢键互相结合形成双分子缔和二聚体。在固态和液态，羧酸主要以二聚体形式存在。据物理方法测定证明，甲酸、乙酸等低级的羧酸，在气相时仍以双分子缔和状态存在。

羧酸的熔点随着碳原子数的增加而呈锯齿状上升。含偶数碳原子的羧酸的熔点比相邻两个奇数碳原子的羧酸的熔点高。如图13-1。这

是因为偶数碳原子的羧酸分子的对称性较高，晶体排列比较紧密的缘故。
芳酸一般具有升华性，有些能随水蒸汽挥发。一些羧酸的物理常数见表13-1所示。




表13-1 一些羧酸的名称和物理常数
化学式 系统名 俗名 熔点℃ 沸点℃ 溶解度g/100g pKa 甲酸 蚁酸 8.4 100.7 ∞ 3.77 乙酸 醋酸 16.6 118 ∞ 4.76 丙酸 初油酸 -21 141 ∞ 4.88 丁酸 酪酸 -5 164 ∞ 4.82 戊酸 缬草酸 -34 186 3.7 4.86 己酸 羊油酸 -3 205 1.0 4.85 十二酸 月桂酸 44 225 不溶 十四酸 肉豆蔻酸 54 251* 不溶 十六酸 棕榈酸(软脂酸) 63 390 不溶 十八酸 硬脂酸 71.5~72 369(分解)287* 不溶 6.37 丙烯酸 败脂酸 13 141.6 溶 4.26 顺-十八碳-9-烯酸 油酸 16 285.6* 不溶 十八碳-9,12-二烯酸 亚油酸 -5 230
(2133Pa) 不溶 12-羟基十八碳-9-烯酸 蓖麻酸(蓖麻醇酸) 5.5 226 不溶 乙二酸 草酸 189.5 157(升华) 溶10 pKa11.23
pKa24.19 丙二酸 胡萝卜酸(缩苹果酸) 135.6 140（分解） 易溶140 pka12.83
pka25.69 丁二酸 琥珀酸 188
(185) 235（失
水分解） 微溶6.8 pKa14.16
pKa25.61 顺丁烯二酸 马来酸（失水苹果酸） 130.5 135（分解） 易溶78.8 pKa11.83
pKa26.07 反丁烯二酸 富马酸 286~287 200（升华） 溶于热水0.70 pKa13.03
pKa24.44 己二酸 肥酸(凝脂酸) 153 300.5(分解)265* 微溶2 pKa14.43
pKa25.41 苯甲酸 安息香酸 122.4 100(升华)295 0.34 4.19 邻苯二羧酸邻苯二甲酸 酞酸 231
（速热） 0.70 pKa12.89
pKa25.51 对苯二羧酸
对苯二甲酸 对酞酸 300
(升华) 0.002 pKa13.51
pKa24.82 3-苯丙烯酸
（反式） 肉桂酸 133 300 溶于热水 4.43 *在13332Pa。

13.2 羧酸的化学性质
羧酸的主要化学反应都发生在羧基官能团上或受羧基影响较大的α-碳原子上。根据羧酸分子结构中键的断裂方式不同而发生不同的反应，可表示如下：
① O-H键断裂而表现出酸性
② -OH被取代的反应
③ 羰基的亲核加成反应
④ C-C键断裂发生脱羧反应。
⑤ α-H的取代反应。

13.2.1 羧酸的酸性
1． 酸性与成盐
羧酸呈明显的酸性。在水溶液中，羧基中的氢氧键断裂，离解出的氢离子能与水结合成为水合氢离子。

一般羧酸的pKa约在4～５之间，属于弱酸，但比碳酸的酸性(pKa=6.5)要强些。所以羧酸可与Na2CO3或NaHCO3溶液发生反应，而苯酚(pKa=10)不能发生反应，因此可利用这个性质来分离或鉴别酚和羧酸。一些羧酸的pKa值可见表13-1。
羧酸与碳酸氢钠(或碳酸钠、氢氧化钠)的成盐反应如下：

加入无机强酸又可以使盐重新变为羧酸游离出来。

因此可利用上述性质使羧酸与不溶于水的或易挥发的物质分离。
各类羧酸盐有广泛的应用，如醋酸钾可用作脱水剂、

纤维处理剂、分析化学试剂，以及用作青霉素培养基和其它药用；醋酸锰可用作乙醛和二甲苯的氧化催化剂、纤维染色氧化催化剂、媒染剂、涂料和清漆的干燥剂；醋酸锌主要用作有机合成的催化剂，也可用于印染的媒染剂和木材的防腐剂，在医药上用于收敛剂、消毒剂和防腐剂；醋酸钴主要用作催化剂，还可用于制造油漆的干燥剂、玻璃固化促进剂及隐显墨水等；醋酸铅在医学、农药、染料、涂料等行业中有大量的应用，等等。
羧酸呈现酸性，一方面是由于羧基中的羟基氧原子上带未共用电子对的p轨道可以与羰基的碳氧π键形成p-π共轭体系，羟基氧上的未共用电子对发生离域，使羟基O-H键减弱，使它易离解成负离子和质子。另一方面，羧酸解离后形成的羧酸根负离子，由于p-π共轭效应，使氧上带的负电荷被平均分散在它的两个氧原子上。由于负电荷得到分散，羧酸根负离子是比较稳定的。实验已证明羧酸根负离子的结构和原来羧酸中羧基的结构有所不同，两个碳氧键是等同的，这种结构可以用下列共振结构式表示：

根据X射线研究表明，在甲酸根负离子中，两个碳氧键的键长是一样的，都等于0.127nm。甲酸的C=O键长为0.120nm,C-O键长为0.134nm,这说明在甲酸根负离子中已没有一般的碳氧双键和碳氧单键，由于电子的离域而发生键长的平均化，两个碳氧键是完全相同的。
2．影响酸性的因素
不同结构的羧酸其酸性强弱不同。表13-2列出了部分羧酸的pKa值。
表13-2 某些羧酸和卤代羧酸的pKa值
羧酸 构造式 pKa 卤代乙酸 构造式 pKa 甲酸 HCOOH 3.77 氯乙酸 ClCH2COOH 2.86 乙酸 CH3COOH 4.74 二氯乙酸 1.26 丙酸 CH3CH2COOH 4.87 三氯乙酸 0.64 丁酸 CH3CH2CH2COOH 4.82 α-氯代丁酸 2.84 氯乙酸 FCH2COOH 2.66 β-氯代丁酸 4.06 氟乙酸 ClCH2COOH 2.86 γ-氯代丁酸 4.52 溴乙酸 BrCH2COOH 2.86 碘乙酸 ICH2COOH 3.12
影响羧酸酸性强弱的因素很多，其中主要是电子效应和空间效应，溶剂和温度也是不可忽视的因素。
从表13-2中的数据可以看出：羧酸分子烃基上的氢原子被氯原子取代后，其酸性增强。氯乙酸的酸性（pKa=2.86）远比于乙酸（pKa=4.74）强，这是因为氯原子的电负性较大，是个吸电子基，由于氯原子吸电诱导效应，使羟基氧原子上的电子云向氯原子方向偏移，有利于质子的解离，使酸性增强。由于同样的原因，使羧酸根负离子稳定，也有利于质子的解离，酸性增强。

从表13-2还可以看出：羧酸分子中引入氯原子的数目愈多，吸电子诱导效应愈强，酸性也愈强；氯原子距羧基的位置愈近，对羧基的影响愈大，酸性愈强。诱导效应是沿着

σ键由近及远传递的一种电子效应（这种传递常用箭头表示），随着传递距离的增加而减弱，一般超过3个原子后影响就不明显了。羧酸分子中引入的取代原子电负性愈强，吸电子诱导效应愈强，酸性愈强。
羧酸分子中引入供电子基团后，由于供电子诱导效应使酸性减弱。乙酸的酸性比甲酸弱，因为甲基具有供电子性。

从表13-1中还可以看出：苯甲酸的酸性（pKa=4.19）比HCOOH的酸性弱（pKa=3.77），是由于苯基具有吸电诱导效应和供电共轭效应，且供电共轭效应大于吸电诱导效应，因此苯基对羧基有供电子能力，使苯甲酸的酸性比HCOOH弱。但是在生成苯甲酸根时，由于苯环对这个负离子的稳定化作用，却使苯甲酸的酸性比乙酸、丙酸和苯乙酸强：
HCOOH CH3COOH CH3CH2COOH C6H5COOH C6H5CH2COOH
pKa 3.77 4.76 4.84 4.17 4.13
取代苯甲酸的酸性不仅与取代基的种类有关，而且与取代基在苯环上的位置有关（见表13-3）。
表13-3 取代苯甲酸（Y-C6H4-COOH）的pKa值（25℃）
Y o- m- p- CH3
C2H5
F
Cl
Br
I
CN
CF3
OH
OCH3
C6H5
NO2 3.19
3.79
3.27
2.92
2.85
2.86
3.44
-
2.98
4.09
3.46
2.21 4.27
4.27
3.86
3.83
3.81
3.85
3.64
3.77
4.08
4.09
4.14
3.49 4.38
4.35
4.14
3.97
3.97
4.02
3.55
3.66
4.57
4.47
4.21
3.42 从表中的间位和对位取代基对羧酸酸性的影响可以看到,取代基的吸电子作用(-I,-C效应)使酸性增强，而取代基的供电子作用(+I,+C)则使酸性减弱.邻位取代基对取代苯甲酸的酸性影响,除了有基团的电子效应外,还有基团的场效应(field effect)、立体效应（steric effect）、氢键的形成等因素，总称为邻位效应（ortho effect）。如邻位的CH3 、C2H5 由于空间的拥挤，取代基破坏了羧基与苯环的共平面性，苯环对羧基的+C效应减弱甚至消失，使其酸性接近甲酸，这种立体效应使酸性比间位或对位取代的苯甲酸强。另外，具有强吸电子作用的邻位取代基（如F2，NO2），由于它可在空间上对羧酸根施加空间诱导作用（通称场效应），使羧酸根上的负电荷通过空间场直接分散到邻位的吸电基上，结果使羧酸根的稳定性增加，因此使该取代酸的酸性比其间位和对位异构体的强。有的邻位取代苯甲酸，如邻羟基苯甲酸（水杨酸），由于羧酸根负离子与相邻的羟基可以通过形成氢键而使其稳定性增强，所以邻羟基苯甲酸的酸性也比其间位和对位异构体都强。
苯二甲酸的三个异构体中，以邻苯二甲酸的pKa1为最小，其pKa2为最大，这种情况也是邻位效应的影响所致。
邻苯二甲酸 间苯二甲酸 对苯二甲酸 pKa1
pKa2 2.89
5.41 3.54
4.60 3.51
4.82 13.2.2羧酸衍生物的生成
羧酸分子中羧基上的羟基被卤素（-

X）、酰氧基 、烷氧基（-OR）及氨基（-NH2）取代分别生成酰卤、酸酐、酯和酰胺等羧酸衍生物（Carboxylicacid derivatives）。
1. 酰氯的生成
羧酸与三氯化磷、五氯化磷或亚硫酰氯反应，可生成酰氯。

酰氯非常活泼，极易水解，所含无机杂质不能水洗除去，只能用蒸馏方法分离。在选择氯化剂时，要注意产物与副产物的沸点差距，差距较大有利于产物的分离提纯。通常是用PCl3 来制备沸点较低的酰氯，而用PCl5制备具有较高沸点的酰氯。例如：

bp: 118℃ 75℃ 52℃
亚硫酰氯在实验室中常用来制备酰氯（也用于制备氯代烷），由于生成的HCl和SO2可从反应体系中移出，所以反应的转化率很高，酰氯的产率也高达90%以上。但由于使用SOCl2过量，应当在制备与它有较大沸点差别的酰氯中使用，以便于蒸馏分离。例如：

bp: 205℃ 76℃ 153℃
生成的酸性气体HCl和SO2要回收或吸收，以避免造成对环境的污染。
芳香族酰氯一般是由五氯化磷或亚硫酰氯与芳酸作用制取的。芳香族酰氯的稳定性较好，在水中发生水解反应缓慢。苯甲酰氯是常用的苯甲酰化试剂。

bp: 249℃ 197℃ 105℃
2．酸酐的生成
羧酸在脱水剂（如乙酸酐或五氧化二磷等）的作用下，两分子羧酸脱去一分子水生成酸酐。

有些二元酸，如丁二酸、戊二酸等，只需加热，分子内就可脱水形成五元环或六元环的酸酐，而不必使用脱水剂，这是由于五、六元环稳定，容易形成的缘故。


混合酸酸酐可由酰卤与羧酸盐作用得到，也可以有乙烯酮与羧酸作用得到。
3．酯的生成-酯化反应
羧酸与醇反应生成酯的反应称为酯化反应。酯化反应速度一般很慢，需要加催化剂和加热来提高反应速度。常用的催化剂有浓硫酸、干燥的氯化氢、对甲苯磺酸和强酸性离子交换树脂等。

酯化反应是可逆反应。如果将1mol乙醇与1mol的乙酸在催化下发生反应达到平衡时，只得到约2/3mol乙酸乙酯。为了提高酯的产率，一方面可以增加其中一种便宜原料的用量，另一方面可以不断除去反应生成的水(加进合适的脱水剂如无水CuSO4\AL(SO4)3、二环己基碳

二亚胺 等或恒沸去水的手段来实现)或者及时将生成的低沸点酯蒸出，使平衡向正反应方向移动。
酯化反应可以有两种脱水方式：


（1） 酰氧键断裂

（2）烷氧键断裂

酯化反应究竟是按哪种方式脱水的？通过示踪原子的实验表明：大多数酯化反应是按照第（1）种方式脱水的。用含O18 的醇与羧酸反应，结果发现生成的酯含有O18 。


据此，可推知酸催化

酯化反应历程如下：


上述反应中，羧酸分子中的羰基首先结合质子形成盐，增加了羰基碳的正电荷
密度，有利于亲核试剂R`OH对羰基的亲核加成。
实验还表明酯化反应存在明显位阻，羧酸分子中的烃基R体积越大，酯化反应速度越慢。即HCOOH>CH3COOH>RCH2COOH>R2CHCOOH>R3CCOOH。这是因为随着烃基R体积的增大，空间效应增强，阻碍了亲核试剂对羧酸的进攻，使酯化反应速度变慢。同理，酯化反应速度是：伯醇>仲醇>叔醇。这从另一个角度证实了上述酯化反应历程是正确的。表13-4列出了不同结构的羧酸在相同条件下与甲醇酯化反应的相对速度。
表13-4 几种羧酸与甲醇酯化反应的相对速度
羧酸的结构 相对速度 CH3COOH 1
CH3CH2CH2COOH 0.51
(CH3)3CCOOH 0.037
(CH3CH2)3CCOOH 0.00016 2,4,6-三甲基苯甲酸酯化时，因空间位阻关系，醇分子难以接近羧基而不能反应。如果将羧酸先溶于100%H2SO4,使其形成酰基正离子，再将其倒入醇中就可以顺利实现酯化，这是由于酰基正离子是sp2杂化，并且与苯环共平面。这样，醇分子可以几乎不受阻碍地从平面的上方或下方进攻酰基碳从而产生酯化产物：

羧酸和分类化合物的酯化较脂肪醇困难得多，故通常在酚和活性比羧酸的酸酐或酰卤之间进行：

芳香族羧酸的酯化反应要比脂肪族的难一些。对苯二甲酸与乙二醇或环氧乙烷作用可生成对苯二甲酸二羟乙酯，它是合成纤维（涤纶）的中间体：

少数酯化反应是按第(2)种方式脱水的。例如，在酸催化作用下，叔醇酯化时首先容易生成正碳离子，正碳离子作为亲电试剂与羧酸的羟基反应生成 盐，再脱去质子生成酯。


从上述讨论可知，同一类型的反应，反应历程也不是不变的。反应历程主要取决于反应物的结构、性质和反应条件。
4．酰胺的生成
羧酸与氨或碳酸铵反应，生成铵盐，铵盐加热后部分脱水得到酰胺。

对氨基苯酚与乙酸作用,加热后脱水的产物是对羟基乙酰苯胺("扑热息痛"药物):

13.2.3 还原反应
羧酸在一般条件下不易被化学还原剂所还原，只能被强烈的还原剂如氢化铝锂（LiAlH4）或在高温（300～400℃）高压(20～30MPa)下,用铜、锌、亚铬酸镍等催化剂催化加氢还原为伯醇。


用氢化铝锂直接还原羧酸，不但产率高，而且还原不饱和羧酸时，对碳碳不饱和键没有影响。但由于它价格昂贵，在工业上还不能广泛应用。乙硼烷也是一种特别有用的还原剂，可使羧酸还原为伯醇。

除直接还原外，也可以将羧酸先酯化后，再将羧酸还原成醇要容易得多。
13.2.4 脱羧反应
羧酸失去羧基放出CO2的反

应，称为脱羧反应（decarboxylation）。例如：羧酸的无水碱金属盐与碱石灰（NaOH+CaO）共热，则从羧基中脱去CO2 生成烃。

此反应是实验室制取甲烷的方法。

因副产物很多，不易分离，一般不用来制备烷烃，例如：

44% 20% 33%
羧酸蒸气通过加热的钍、锰或镁等的氧化物，可进行气相催化脱羧生成酮类。

如果羧酸的α碳上连有吸电子基团如硝基、卤素、酮基、氰基等，由于诱导效应使羧基变得不稳定，容易进行脱羧反应，例如：



在羧基的α-位有重键存在时也易脱羧。许多取代的芳香羧酸也容易发生脱羧或羧基重排反应，特别是羧基的邻位有给电子基团存在或羧基邻位有大的立体位阻基团存在的情况下更是如此。羧酸的碱金属盐电解脱羧，在阳极上生成烃，即Kolbe反应（参见2.8）


羧酸β-碳原子上有双键时，脱羧反应也很容易进行。这些反应都经过一个六元环过渡态，因此不能形成烯醇双键结构的β-羰基羧酸不易脱羧，而β、γ-双键在脱羧后会重排到α、β-之间。



13.2.5 α-氢的取代反应
羧酸中的羧基和醛酮中的羰基一样，由于吸电诱导效应和σ-π超共轭效应共同作用使α-碳上的氢易活化而发生取代反应。但羧基的活化作用比羰基小得多，因此羧酸的α-卤代反应并不容易进行，需要在红磷或三卤化磷的催化下，才能逐渐被氯或溴取代。

控制卤素的量和反应条件可以制取不同的卤代酸。

羧酸α-卤代反应称为海尔-伏尔哈德-泽林斯基反应（Hell-Volhard-Zelinsky反应）。这是工业生产一氯乙酸的方法。一氯乙酸是染料、医药、农药、树脂及其它有机合成的重要中间体。三氯乙酸不但可作农药的原料、蛋白质的沉淀剂，主要还用于生化药品的提取剂，如磷酸腺苷（ATP）、细胞色素丙和胎盘多糖等高效生化药品的提取。
三卤化磷的催化作用是让羧酸先形成酰卤，酰卤的α氢有更大的互变异构倾向而加快了卤化反应。在反应时，少量红磷与卤素相遇，生成卤化磷进行催化反应。
该反应机理如下：

羧酸首先反应生成酰溴，酰溴α氢互变异构，形成少量的烯醇异构体，使α碳上受到极化的卤素正碳离子的进攻，而卤素负离子则与质子结合：

α-溴代酰溴再和未反应的羧酸交换一个溴原子，生成α-溴代酸与酰溴，酰溴可以循环使用：

真正的反应是溴与酰溴的烯醇式反应，这是关键的一步，羧酸本身在这个反应中不起作用。反应经过的步骤很多，总的结果是α-氢被卤素取代。
更新的方法是不用磷作催化剂，直接加入10%-30%乙酰氯或乙酸酐，也可取得同样的效果。
α-卤代酸是制备其它α-取代酸的母

体，例如α-溴代丙酸可以制备α-羟基酸、α-氨基酸、α，β-不饱和酸以及α-氰基酸等。

13.3 羧酸的制法
13.3.1 烃氧化
高级烷烃在锰盐催化下加热，用空气或氧气氧化，可制得脂肪酸的混合物，分子中含12~18个碳的脂肪酸可用作表面活性剂和制造肥皂的原料。烯烃也可以作为原料来制取羧酸，反应中烯烃碳链在双键处断裂生成羧酸产物。
含α氢的烷基苯氧化可制取芳香族羧酸。工业上利用对二甲苯在醋酸钴催化下，用空气氧化，制取对苯二甲酸。对苯二甲酸是合成涤纶的主要原料。
13.3.2 伯醇或醛氧化
伯醇或醛氧化可生成相应的羧酸，这是制备羧酸的最普遍的方法。伯醇氧化先生成醛，醛易进一步氧化生成羧酸。常用的氧化剂有重铬酸钾-硫酸、三氧化铬-冰醋酸、高锰酸钾、硝酸等。
工业上常用氧或空气与催化剂一起进行催化氧化。由此法所制得的羧酸的碳原子数与原来的伯醇或醛的碳原子数相等。例如：

不饱和醇或醛也可以氧化生成相应的羧酸，但须选用适当的氧化剂，如湿润的氧化银或Ag(NH3)+2 等，以免影响不饱和建。例如：

13.3.3 由水解反应制备
1． 由腈水解制备：腈在碱或酸催化下可水解而生成羧酸。如：


腈可从卤烃与NaCN或KCN作用制备。由此法所制得的羧酸，可比原来卤烃中增加了一个碳原子。但此法不适用于仲卤烃和叔卤烃，因NaCN、KCN碱性较强，易使仲卤烃或叔卤烃脱去卤化氢而成烯烃。
2． 由油脂水解制备：油脂是高级脂肪酸的甘油酯。油脂在酸或碱的催化下可水解生成高级脂肪酸和甘油。

碱性条件下水解生成的高级脂肪酸的钠盐就是肥皂的主要成分。目前工业上常用高压水解法。
3． 苯甲酸的制备：工业上也可用甲苯氯化得苯三氯甲烷，再水解可得苯甲酸。

13.3.4 从格利雅试剂制备
将格利雅试剂倒在干冰（即固体CO2，干冰不仅是反应试剂而且是冷却剂）上，或将CO2在低温下通入格利雅试剂的干醚溶液中，待CO2不再被吸收后，把所得的混合物水解，便得到羧酸。



上述反应必须在低温下进行，否则生成的中间产物羧酸盐会进一步与格氏试剂反应生成叔醇。
13.3.5酚酸合成
工业上是在加热加压下，由苯酚钠和二氧化碳作用生成邻羟基苯甲酸：

用苯酚钾与二氧化碳作用，几乎定量得到对羟基苯甲酸钾再用无机酸酸化则得对羟基苯甲酸：

此反应称为Kolbe-Schmitt反应。
13．4二元羧酸
二元羧酸分子中含有两个羧基，它们是分步解离的：


表13-5列出了几个二元羧酸的pKa值
表13-5二元羧酸的pKa1与pKa2
二元羧酸 pKa1 pKa2 HOOCCOOH
HOOCCH2COOH
HOOC(CH2) 2COOH
HOOC(CH2) 3COOH 1.27
2.

85
4.21
4.34 4.27
5.70
5.64
5.41 当第一个羧基解离成为羧酸根负离子后，它所带的负电荷对第二个羧基具有强的供电子能力和场效应，使第二个羧基的氢原子比较不容易解离，所以二元酸的pKa2总是大于pKa1。二元羧酸的pKa1一般比一元羧酸的pKa小，这是因为羧基是个吸电子基，它的诱导效应可以促进另一个羧基的解离，分子中两个羧基相距愈近酸性增强程度愈大。
例如：


诱导效应 场效应
在丁烯二酸的顺反两个异构体中，虽然都是pKa1＜pKa2，但是对于pKa1而言，是顺式＜反式，而对于pKa2 来说，却是反式＜顺式：

pKa1 1.92 3.03
pKa2 6.59 4.54
这是由于顺丁烯二酸可通过分子内氢键的形成来稳定一级解离生成的羧酸根负离子，使顺式的pKa1较反式的为小；但又由于氢键的形成使第二个质子不易解离，则pKa2较反式的为大。
各种二元酸受热后，由于两个羧基的位置不同，而发生不同的化学反应，有的失水，有的失羧，有的同时失水失羧，例如：





庚二酸以上的二元酸，在高温时发生分子间的失水作用，形成高分子的酸酐，不形成大于六元的环酮。根据以上反应，可以得出一个结论，即在成环时有一种倾向，如有可能时总是倾向于形成张力较小的五元或六元环。
取代的二元酸，同样也能发生上述反应。
草酸如有硫酸存在，反应在100℃左右就可进行。丙二酸或一取代、二取代的丙二酸失羧，因为β羰基的影响，反应很容易进行，一般在水溶液中加热即可，在合成上非常有用。丁二酸以上的二元酸失水，用于合成时常与脱水剂共热，反应比较顺利，常用脱水剂是乙酰氯、乙酸酐、五氧化二磷等。芳香二元酸也能进行上述反应：

多元酸与多元醇之间发生缩聚反应，生成大分子化合物-聚酯，可以是饱和的，也可以是不饱和的聚酯，是重要的高分子材料。
二元羧酸的二铵盐在受热时发生分子内的脱水、脱氨反应，生成五元或六元环状酰亚胺。例如：


己二酸与己二胺聚合生成聚酰胺纤维──"尼龙-66"（又称锦纶-66）：

13.5 羟基酸
羟基酸是分子中同时具有羟基和羧基的化合物。由于羟基在烃基的位置不同，可分为α-，β-，γ-,...羟基酸。通常把羟基连在碳链末端的称为ω-羟基酸。羟基连在饱和碳链上的羟基酸又称为醇酸。羟基直接连在芳酸的芳环上的，称为酚酸。
10.5.1 羟基酸的性质
羟基酸一般为结晶固体或粘稠液体。由于羟基酸分子中含有羟基和羧基，这两个基团都能分别与水形成氢键。所以羟基酸在水中的溶解度

比一般的羧酸都大，低级的羟基酸可以与水混溶。羟基酸的熔点也比相应的羧酸高。
羟基酸兼有羟基和羧基的特性，并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 在羟基酸分子中，羟基是吸电子基，它对羧基有吸电子诱导效应，使羟基酸的酸性较相应的脂肪族羧酸强。但羟基不如卤代酸中卤素的吸电子诱导效应大。羟基距羧基距离愈远，则对酸性影响愈小。例如：
　
　构造式 pka 构造式 pKa 构造式 pKa

4.76


3.85







4.87


3.68


4.51






4.17


2.98


4.07


4.58 连接在芳环上的羟基因共轭和诱导的双重作用（方向相反），而使对羟基苯甲酸的酸性降低。其中邻羟基苯甲酸（水杨酸）的酸性异常强，是因为水分子内形成氢键，有利羧酸电离的缘故。
　

（2）脱水反应 羟基酸受热或与脱水剂共热脱水时，由于羟基和羧基的相对位置不同，脱水反应的产物也不同。
α-羟基酸受热时，两分子间的羟基与羧基相互酯化脱水而生成交酯。β-羟基酸受热时，发生分子内脱水而生成α，β-不饱和酸。

γ和δ羟基酸很容易脱水生成五元环和六元环的内酯。


当羟基与羧基相隔四个以上亚甲基碳时，分子内脱水生成大环内酯就比较困难了。直接反应时，发生的基本上都是分子间的反应，生成聚酯：

要得到分子内的脱水产物大环内酯，一个办法是使反应物的浓度降低，减少分子间碰撞的机会，但这样将使反应很慢，达不到反应的生产要求。另一个办法是活化这两个官能团，促使它们进行分子内而不是分子间的反应。其中较成功的例子如在双吡啶二硫醚的存在下，将羧基变为带吡啶环的硫代酯。硫醇酯的活性较大，发生分子内质子转移并实现重排环化：


许多大环内酯有抗菌和抗肿瘤的活性，如红霉素。

红霉素
许多内酯存在于自然界，有些是天然香精的主要成分。例如：

γ-癸内酯 δ-辛内酯 十五内酯（黄蜀葵素）
(3)分解脱羧反应 α-羟基酸与稀硫酸或酸性高锰酸钾共热，则羧基和α碳原子之间的键断裂，分解脱羧生成醛、酮或羧酸。


这个反应可用来从高级羧酸经α-溴代水解再通过上述反应来合成少一个碳的醛或酮。
β-羟基酸用碱性高锰酸钾氧化则分解生成少一个碳原子的酮。

13.5.2 羟基酸的制法
羟基酸的制备，可在含有羟基的化合物中引入羧基，也可以在羧酸分子中引入羟基而制得。
(1)从羟基腈水解：羟基腈水解后就得到羟基酸。α-羟基腈可从羰基化合物与氢化氰反应制得：


β-羟基腈可从烯

烃与次氯酸加成后，再与氢化钾作用而得。

(2)从卤代酸水解：羧酸的α-被卤代后，再水解生成α-羟基酸，产率很高。

(3)雷福尔马茨基(Reforinatsky)反应 将醛或酮与α-溴代酸酯的混合物在惰性溶剂（如醚、苯等）中与锌粉作用，α-溴代酸酯就先生成有机锌化合物，所得的有机锌化合物与醛或酮的羰基发生亲核加成后再水解，生成β-羟基酸酯。酯再水解得到β-羟基酸。这个反应称为雷福尔马茨基反应。

脂肪族或芳香族醛、酮都可发生这一反应，但空间位阻太大时，与羰基反应可能发生困难。这个反应不能用镁代替锌，因镁太活泼，可与酯基中的羰基发生反应。有机锌试剂比较稳定，只与醛、酮中的羰基反应，而不与酯反应。
13.6 重要的羧酸
1．甲酸
甲酸俗称蚁酸，最初是从蚂蚁中提取的。在自然界甲酸还存在于蜂、蜈蚣和荨麻、松树针叶等动植物体中。工业上利用一氧化碳和氢氧化钠作用制备甲酸。

甲酸是具有刺激性气味的无色液体，沸点100.7℃，能与水、乙醇、乙醚混溶。甲酸是饱和一元酸酸性最强的一种。

甲酸结构比较特殊，它的羧基直接与氢原子相连，可以看作甲酸的分子中既含有羧基又含有醛基。
甲酸与它的同系物不同，即具有羧酸的通性，也具有醛的某些性质。例如甲酸有显著的酸性（pKa=3.77），又具有还原性，能与费林试剂作用生成铜镜；与托伦斯试剂作用生成银镜，也易被一般氧化剂氧化生成二氧化碳和水。

甲酸与浓硫酸共热是实验制取纯净一氧化碳的方法。

甲酸可作纺织工业中的媒染剂，医药中的消毒剂，塑料中的缩合剂，橡胶的凝固剂。还可用作还原剂和合成酯类。
2． 乙酸
乙酸俗称醋酸。利用粮食发酵法制得的食醋约含3%的乙酸，这是人类最早制取乙酸的方法，至今仍用于酿醋工业。工业上制取乙酸的主要方法有：甲醇羰基化和乙醛空气氧化法。


纯乙酸是具有强烈刺激性气味的无色液体，沸点118℃，熔点16.6℃，低于熔点时无水乙酸呈冰状晶体，故无水乙酸也称冰醋酸。
乙酸是重要的有机合成原料，可用于合成乙酐和醋酸乙烯酯(合成维尼纶的单体)等。乙酸是染料、香料、医药等工业不可缺少的原料。在食品工业中乙酸可用作调味剂。
3．丙烯酸
丙烯酸（CH2=CH-COOH）是最简单的不饱和酸，为无色液体，沸点141.6℃，熔点13℃，具有刺鼻的酸味，能与水混溶。
丙烯酸能从丙烯气相氧化制得。

丙烯酸兼有羧酸和烯烃的性质，双键容易发生氧化和聚合反应。丙烯酸聚合时，控制反应条件，可以得到不同平均相对分子质量的聚丙烯酸。按相对分子质量的不同，它们的

性质和用途也不一样，在工业上可用作阻垢剂、分散剂、涂料粘合剂等。
4． 苯甲酸
苯甲酸俗称安息香酸。在自然界存在于安息香胶、洋水仙、桂皮内。苯甲酸是一种最简单的芳香族羧酸，是白色晶体，能升华，微溶于水，易溶于乙醇或乙醚。由于受苯环的影响，苯甲酸的酸性比脂肪族一元羧酸强（甲酸除外）。
工业上制取苯甲酸主要采用甲苯氧化法和甲苯氯化后水解法。


苯甲酸和苯甲酸钠是目前国内外广泛使用的食品防腐剂。苯甲酸是有机合成的重要原料，用以制备香料、染料和药物等，还可以代替安息香酯作定香剂。
5． 乙二酸
乙二酸俗称草酸，通常以钾盐和钙盐的形式存在于多种植物体内。工业上通常采用将甲酸钠迅速加热至360~400℃制得草酸钠，再用硫酸酸化制得草酸。

草酸是无色晶体，熔点为189.5℃。通常草酸含有2分子结晶水H2C2O4·2H2O，熔点为101.5℃。草酸存在于水和乙醇，不溶于乙醚。由于草酸的两个羧基直接相连，羧基的强诱导作用使草酸的酸性比其它的二元羧酸强，还使草酸容易脱羧。

草酸容易被氧化。在酸性条件下，高锰酸钾可以定量地把草酸氧化成二氧化碳和水。在定量分析中常用草酸为基准物标定高锰酸钾溶液。

草酸能与许多金属形成络离子，可用于除去铁锈和蓝墨水的痕迹。草酸还可用作漂白剂和媒染剂。
6.己二酸
己二酸为白色晶体，熔点153℃，溶于乙醇，微溶于乙醚和水。工业上制取己二酸可用苯酚法和环己烷直接氧化法。


上述第一种方法工业技术成熟，第二种方法来源丰富，成本低。还可以用己二腈水解制取己二酸。
己二酸是重要的化工原料，可用来合成尼龙66、增塑剂、润滑剂等。
7. 苯二甲酸
邻苯二甲酸为白色结晶固体，迅速加热至231℃就熔融分解，失去一分子水而生成邻苯二甲酸酐（白色针状晶体，熔点为131℃，易升华）。
邻苯二甲酸可由邻二甲苯（或邻二烷基苯）氧化；或由萘氧化制备。


邻苯二甲酸及其酸酐用于制备染料，树脂，合成纤维，药物和增塑剂等。例如：邻苯二甲酸二甲酯可作驱蚊剂，邻苯二甲酸二丁酯和邻苯二甲酸二辛酯都是塑料工业应用较广的增塑剂。
对苯二甲酸为白色晶体，加热至300℃以上不熔而升华，不能生成酸酐，主要用于制造合成树脂、增塑剂、是合成纤维涤纶的原料。工业上的生产方法较多，可按原料来源来抉择。
对二甲苯氧化法：

邻苯二甲酸钾转位法：

8. 乳酸
乳酸（α-羟基丙酸）因来自酸牛乳而得名。肌肉活动后也会分解出乳酸。工业上，乳酸是由葡萄糖在乳酸菌作用下发酵制得的。

葡萄糖 乳

酸
乳酸是无色粘稠液体，能溶于水、乙醇和乙醚中。乳酸分子中的α碳原子连接四个不同的原子和基团，是一个手性碳原子，具有旋光性。乳酸是最早研究立体化学的化合物之一。
乳酸在食品工业中可用作酸味剂，在制革工业中用作脱灰剂，印染工业中用作媒染剂，还可应用于医药等工业。
9. 酒石酸
酒石酸（2，3-二羟基丁二酸）来自葡萄糖酿酒时所产生的酒石（酸性酒石酸钾）而得名。它广泛存在于植物果实中。酒石酸也可用合成方法制取。例如，将顺或反丁烯二酸用高锰酸钾碱性溶液氧化，都能得到酒石酸。

酒石酸
从不同原料或不同方法所得到的酒石酸，它们的熔点不同,具有不同的旋光性。这是由于酒石酸分子含有手性碳原子的缘故.酒石酸也是最早研究立体化学的化合物之一。
酒石酸是透明棱形晶体，溶于水、乙醇和乙醚。它的盐类在工业上可用作媒染剂鞣剂等。
10. 水杨酸
水杨酸即邻羟基苯甲酸,最初是从水杨树中提取的。水杨酸为白色针状晶体，熔点159℃，76℃时升华，易溶于沸水、乙醇、乙醚等。
工业上水杨酸是用酚钠通过柯贝尔-旋密特反应测得的。
水杨酸具有酚和羧酸的性质，它与醇或酚作用可生成相应的羧酸酯；与羧酸或酸酐作用可生成酚酯。它的水溶液与FeCl3呈紫色。将水杨酸加热至熔点以上，能脱羧生成苯酚。水杨酸可用作消毒剂和防腐剂，还可用于香料工业。水杨酸钠可用作解热药。水杨酸甲酯是冬青油的主要成分，广泛用于香料和医药工业。乙酰水杨酸俗称阿司匹林（asperin）是良好的解热止痛药。现代医学已证实它还具有良好的降低风湿性心脏病和预防肠癌发生的作用。阿司匹林是由乙酐与水杨酸作用得到的。
11．苹果酸
苹果酸有两种异构体：天然的苹果酸为左旋体，熔点100℃，而合成的苹果酸（由丁烯二酸加水）熔点132℃。苹果酸在水、乙酸、丙酮、二氧六环等溶剂中有很好的溶解性，但不溶于苯。在山楂、苹果、葡萄果实的浆汁中，含有大量的左旋苹果酸，多用于制药及糖果和饮料的制造。
苹果酸分子中只有一个醇羟基，在浓硫酸的作用下，可脱羰脱水生成丙醛酸；而在受热时，则生成丁烯二酸。所以，苹果酸中的羟基兼有α-和β-羟基酸的双重特点。

12．柠檬酸
柠檬酸是3-羟基3-羧基戊二酸的俗名。柠檬酸存在于天然柠檬汁中，含量为6~10%。柠檬酸为无色晶体，熔点为153℃，易溶于水。柠檬酸可从柠檬中提取。工业上通常用淀粉或蔗糖在柠檬酶作用下发酵制取柠檬酸。

柠檬酸
柠檬酸主要用作食品酸味调味剂，同时它还具有防止食品变色和抑制微生物生长的作用。它还

可用作媒染剂，其镁盐是温和的泻药。
13．肉桂酸
肉桂酸是β-苯基丙烯酸的俗名。它以游离态或酯的形式存在于苏合香油和桂皮油中。纯肉桂酸为白色针状晶体，具有淡甜气息及爽快的甜酯香气。肉桂酸具有两种几何异构体。顺式肉桂酸不稳定，通常都是以反式形式存在。顺式肉桂酸的熔点为68℃，反式肉桂酸的熔点为133℃。

顺式（Z）肉桂酸 反式（E）肉桂酸
目前工业上利用柏金（Perkin）反应制备肉桂酸，见13.8.3节。
肉桂酸主要用于香料工业，它可用作香精或香水中的定香剂。肉桂酸酯类也是很好的香料。

??

??

??

??




1