阿司匹林的历史
Hofmann 获得纯净乙酰水杨酸的方法
11.1 羧酸的分类
按羧基数目分类
分子中含一个羧基
分子中含两个羧基
分子中含多个羧基
羧酸中和羟基相连的基团称为酰基，可称为羧酰基。自然界存在的脂肪中含有大量的高级的一元饱和羧酸，因此一元饱和羧酸亦称为脂肪酸。
羧酸在自然界广泛存在，而且对人类生活非常重要，如食用的醋，就是2%的醋酸；日常使用的肥皂，是高级脂肪酸的钠盐；食用的油，是羧酸甘油酯。羧酸也是一种非常重要的工业原料，例如合成纤维（尼龙、涤纶等）的重要原料之一就是羧酸。
11.2 羧酸的命名
11.2.1 羧酸的系统命名法
参见 2.7 节的命名原则。
11.2.2 羧酸的其他命名法
1. 俗名
常用的有机酸在英文中通常用俗名，我国系统命名和俗名并用，但以系统命名为主。俗名主要根据来源命名。
2. 羧酸法
自然界存在大量多元羧酸，脂肪族的三元或三元以上的羧酸常采用羧酸法命名。首先选连接羧基最多的链为主链，编号时让连有羧基的碳位号尽可能小（羧基碳不参与编号）。
3. 连接命名法
这种命名法是把烃的名称和脂肪酸的名称连接起来命名。当环和含羧基的链相连时常用此法。
用系统命名法和普通命名法命名下列化合物（用中、英文）。
(i) O₂N—⬡—COOH (ii) CH₃CH₂OCH₂COOH (iii) O=⬡—COOH (iv) HC≡CCOOH
11.3 羧酸及羧酸盐的结构
11.3.1 羧酸的结构
羧基碳上还剩有一个 p 轨道，与羰基氧上的 p 轨道经侧面重叠形成 π 键
X射线衍射实验证明，在甲酸中，C═O 键长为 123 pm，C—O 为 136 pm，由此证明羧酸中的两个碳氧键是不一样的。
11.3.2 羧酸盐的结构
当羧羟基中的氢解离后，氧上带有一个负电荷，这样就更容易提供电子和原来羰基的 π 电子发生共轭作用。因此在羧基负离子中，两个氧原子和一个碳原子各提供一个 p 轨道，形成一个具有四电子三中心的离域 π 分子轨道。
羧酸根负离子的共振结构
11.4 羧酸的物理性质
低级脂肪酸是液体，可溶于水，具有刺鼻的气味；中级脂肪酸也是液体，部分地溶于水，具有难闻的气味；高级脂肪酸是蜡状固体，无味，不溶于水。芳香酸是结晶固体，在水中溶解度不大。
二缔合体有较高的稳定性。在固态及液态时，羧酸以二缔合体的形式存在，甚至在气态时，相对分子质量较小的羧酸如甲酸、乙酸亦以二缔合体存在，这些均已被冰点降低法测定相对分子质量实验以及X射线衍射方法所证明。
表11-1 一些常见羧酸的名称及物理性质
| 化合物 | 普通命名法 | IUPAC命名法 | 熔点/℃ | 沸点/℃ | 溶解度 | pKa |
|---|---|---|---|---|---|---|
| HCOOH | 甲酸 (formic acid, 蚁酸) | methanoic acid | 8.4 | 101 | ∞ | 3.77 |
| CH₃COOH | 乙酸 (acetic acid, 醋酸) | ethanoic acid | 7 | 118 | ∞ | 4.74 |
| CH₃CH₂COOH | 丙酸 (propionic acid, 初油酸) | propanoic acid | -22 | 141 | ∞ | 4.88 |
| CH₃(CH₂)₂COOH | 丁酸 (butyric acid, 酪酸) | butanoic acid | -5 | 163 | ∞ | 4.82 |
| CH₃(CH₂)₃COOH | 戊酸 (valeric acid, 缬草酸) | pentanoic acid | -35 | 187 | 3.7 | 4.85 |
| C₆H₅COOH | 苯甲酸 (benzoic acid) | benzoic acid | 122 | 249 | 0.34 | 4.20 |
| HOOCCOOH | 乙二酸 (oxalic acid, 草酸) | ethanedioic acid | 189 | — | 8.6 | 1.27/4.27 |
| HOOC(CH₂)₄COOH | 己二酸 (adipic acid, 肥酸) | hexanedioic acid | 151 | — | 1.5 | 4.43/5.40 |
将下列化合物按沸点由大到小排列，并讨论相对分子质量、结构和沸点的关系。
HCOOH, CH₃COOH, CH₃CH₂COOH, CH₃CH₂CH₂COOH, CH₃OH, CH₃CH₂OH, CH₃CH₂CH₂OH...
11.5 酸 性
羧酸的解离平衡
多数的羧酸是弱酸，pKa 一般在 3～5 之间，例如乙酸在水中的解离常数 Ka = 1.75×10⁻⁵，pKa = 4.74。
表11-2 羧酸的 Ka 与 pKa
电子效应对羧酸酸性的影响
吸电子基团会使羧酸的酸性增强，给电子基团会使羧酸的酸性减弱。空间位阻也会对羧酸的酸性产生影响，利于H⁺解离的空间结构酸性增强，不利于H⁺解离的空间结构酸性减弱。
当乙酸甲基上的氢被氯取代后，由于氯的吸电子诱导效应，电子将沿着原子链向氯原子方向偏移，使氢离子更容易解离而增强酸性。氢离去后，氯的吸电子诱导效应还能使羧酸负离子的负电荷分散而稳定。如果乙酸甲基上的氢逐个被氯取代，酸性逐渐增强，三氯乙酸已是强酸。
当甲酸碳上的氢被苯基和硝基苯基取代后，也会对酸性产生影响。具体酸性强弱如下：
邻硝基苯甲酸 > 间硝基苯甲酸 > 对硝基苯甲酸 > 苯甲酸 > 甲酸
上述数据说明：① 苯甲酸的酸性比甲酸的氢后酸性降低，苯环起的是给电子作用。② 邻、间、对-硝基苯甲酸的酸性均比苯甲酸强。硝基既具有吸电子诱导效应，又具有吸电子共轭效应。③ 羧基与硝基的相对位置不同对酸性的影响也不同。
羧酸的分离提纯
羧酸和碱反应生成羧酸盐。羧酸盐是固体，熔点很高，常常在熔点分解。羧酸的钾盐、钠盐、铵盐可溶于水，这些盐除低级的外，一般均不溶于有机溶剂，羧酸的重金属盐不溶于水。
羧酸是一个弱酸，将生成的羧酸盐用无机酸酸化，又可转化为原来的羧酸。可以利用上述反应和羧酸盐的物理性质在有机混合物中分离提纯羧酸盐。例如，将羧酸与氢氧化钠水溶液作用，可以将其转化为易溶于水的盐，这样可以与很多不溶于氢氧化钠水溶液的有机化合物分离，然后再用无机酸将羧酸盐转回为原来的羧酸。
将下列各组化合物按酸性从强到弱的顺序排列。
11.6 羧酸 α-H 的反应 —— Hell-Volhard-Zelinsky 反应
反应机理
三卤化磷的作用是将羧酸转化为酰卤。因为酰卤的 α-H 比羧酸的 α-H 活泼，更容易形成烯醇而加快了卤化反应。然后烯醇化的酰卤与卤素反应生成 α-卤代酰卤。后者与羧酸进行交换反应就得到了 α-卤代羧酸。
由于使用的红磷（或三卤化磷）是催化量的，因此产生的 α-卤代酰卤也是少量的。但它在与羧酸进行交换反应时会重新转变为酰卤，因此酰卤可以循环使用，直到反应完成。
常用的氯代乙酸就是用乙酸和氯气在微量碘的催化作用下制备的，可以得到一氯代、二氯代和三氯代乙酸。
Hell-Volhard-Zelinsky 反应可用来鉴别脂肪酸中 α-H 的存在。
回答下列问题：
(i) 饱和一元羧酸与 Cl₂ 或 Br₂ 直接作用也能生成 α-卤代酸，但速度很慢。请分析原因。
(ii) 羧酸的 α-卤代实际上是通过哪一类化合物的卤代来完成的？
11.7 酯化反应
醇和酸的失水产物称为酯。醇和无机酸失水形成的产物称为无机酸酯，关于它们的制备参见7.6.2。醇和有机酸失水形成的产物称为有机酸酯。本节讨论有机酸酯的制备。
11.7.1 概述
羧酸与醇在酸催化下生成酯的反应称为酯化反应。常用的催化剂是硫酸、氯化氢或苯磺酸等。这个反应进行得很慢，反应是可逆的。
若用1 mol酸和1 mol醇进行反应，最多只能生成2/3 mol的酯，也即当达到平衡时，体系中仍有1/3 mol的酸和醇，因此平衡常数可按下式求得：
为提高产率，必须移动平衡，使反应尽量地向右方进行：移动平衡的一个方法是利用共沸混合物将水带走，或加合适的去水剂把反应中产生的水除去；另一方法是在反应时加过量的醇或酸，以改变反应达到平衡时反应物和产物的组成。
表11-5 乙酸与乙醇浓度不同时酯的产率
| 乙酸/mol | 乙醇/mol | 产物酯/mol（观察） | 产物酯/mol（计算） |
|---|---|---|---|
| 1 | 0.1 | 0.098 | 0.098 |
| 1 | 0.5 | 0.41 | 0.42 |
| 1 | 1 | 0.66 | 0.67 |
| 1 | 2 | 0.86 | 0.85 |
| 1 | 8 | 0.97 | 0.97 |
11.7.2 酯化反应的机理
酯化反应可以按三种不同的机理来进行。
1. 加成-消除机理
当羧酸酯化时，羧酸是提供氢还是提供羟基？各种实验表明，在大多数情况下，是由羧酸提供羟基，醇提供氢。如用含有 ¹⁸O 的醇和羧酸酯化时，形成含有 ¹⁸O 的酯。
这个反应过程，是羰基发生亲核加成，再消除水，所以称为加成-消除机理（addition-elimination mechanism），总的结果是一个亲核试剂置换了酰基碳上的羟基。所以称此类反应为酰基碳上的亲核取代。
2. 碳正离子机理
羧酸与3°醇发生酯化反应时，由于三级醇的体积较大，不易形成四面体中间物，而三级碳正离子又较易形成，可以认为这类酯化反应是经碳正离子中间体机理（carbocation intermediate mechanism）完成的。
3. 酰基正离子机理
2,4,6-三甲基苯甲酸的酯化因有空间位阻，醇分子接近羧羰基的碳很困难，不能按上述机理进行。若将羧酸先溶于100%硫酸中，形成酰基正离子，然后将其倒入希望酯化的醇中，很顺利地得到了酯。
11.7.3 羟基酸的分子内酯化和分子间酯化
羟基酸分子内具有羟基、羧基这两个可以互相反应的官能团，因此既可以发生分子间酯化（intermolecular esterification），也可以发生分子内酯化（intramolecular esterification）。
(1) 形成交酯（lactide）
α-羟基酸受热易发生分子间酯化，形成交酯。
(2) 形成内酯（lactone）
γ-与δ-羟基酸易发生分子内酯化，形成内酯。γ-羟基酸与δ-羟基酸在中性或酸性条件下成内酯；在碱性条件下内酯可开环成羧酸盐，酸化后又成内酯。
下列酸与醇在酸催化下成酯，请按反应速率从快到慢的顺序排列。
11.8 羧酸与氨或胺反应
羧酸与氨或胺可以形成铵盐。这是一个平衡反应，低温利于铵盐的形成，加热铵盐分解成羧酸和氨或胺。
在这个平衡体系中，氨或胺的氮上的孤对电子可以对羰基碳进行亲核进攻，通过与酯化反应的加成-消除机理相类似的过程，使羧酸脱去一分子水形成酰胺（amide）。
羧酸铵盐高温分解成酰胺
酰胺进一步加热，再失去一分子水形成腈（nitrile）。
尼龙-66可以做合成纤维、工程塑料等。由癸二酸及癸二胺缩聚而成的聚酰胺，称为尼龙-1010。这是一种性能良好的工程塑料，具有良好的耐磨性能、耐油性和绝缘性，可在-40～120℃范围内使用。
11.9 羧羟基被卤原子取代的反应
羧酸和无机酰卤反应时，羧羟基被卤原子取代，产物是酰卤。酰卤中最重要的是酰氯。酰氯常用亚硫酰氯（thionyl chloride）、三氯化磷、五氯化磷与羧酸反应而得。
这三种方法可以互相补充使用。最常用的试剂是亚硫酰氯，反应条件温和，在室温或稍加热即可反应，产物除酰氯外，其他均为气体，在反应过程中即可分离出去，只要使用稍过量的亚硫酰氯，使羧酸反应完全，反应后把稍过量的亚硫酰氯通过蒸馏分离出来，产物往往不需提纯即可应用，纯度好，产率高。
酰溴常用三溴化磷（沸点173℃）为卤化试剂来制备。
11.10 羧酸与有机金属化合物反应
格氏试剂与羧酸反应生成羧酸镁盐。羧酸镁盐不溶于有机溶剂，且成盐后的羰基活性降低，因此不再与格氏试剂进一步反应。
羧酸与有机锂试剂反应先形成羧酸锂盐，羧酸锂盐的解离性能不是很高而溶解性能却很好，且易于接受亲核试剂对羧羰基的进攻。当第二分子有机锂试剂与羧酸锂盐反应时，首先是锂与氧接近，使羧羰基碳更具正电性，帮助烷基向羧羰基碳进攻，形成稳定的中间物，然后水解得酮。这也是合成酮的一般方法。
α碳上取代基少，空间位阻小的羧酸易于发生加成反应。反应常用的溶剂有乙醚、苯、四氢呋喃等。
11.11 羧酸的还原
羧酸很难用催化氢化法还原，但氢化铝锂或乙硼烷能顺利地将羧酸还原成一级醇。
氢化铝锂还原机理
氢化铝锂还原羧酸分两个阶段，第一阶段是将羧酸还原成醛。首先，羧酸转变成羧酸锂盐，然后氢化铝（AlH₃）与羧酸锂盐接近，与羧基氧形成配合物，再将负氢从铝转移到羧羰基碳上，接着消除 LiOAlH₂ 形成醛。第二阶段是醛再与第二分子氢化铝锂反应，然后用稀酸水解得一级醇（参见10.11.2/2）。用氢化铝锂还原时，常用无水乙醚、四氢呋喃做溶剂。
乙硼烷还原机理
乙硼烷还原羧酸的反应过程如下：首先是缺电子的硼对羧羰基氧配位，然后将负氢从硼转移到碳上，再消除 BH₂(OH) 生成醛。醛再与一分子硼烷反应，最后水解得到一级醇。反应的关键在于硼烷与氧的配位，因此，羧基氧的碱性越强，反应越易进行。
11.12 脱羧反应
在合适的条件下，羧酸一般都能发生脱羧（失去 CO₂）反应（decarboxylation）。
11.12.1 脱羧反应的机理
1. 环状过渡态机理
当羧酸的α碳与不饱和键相连时，一般都通过六元环状过渡态机理（cyclic transition state mechanism）失羧。例如，β-羰基酸的脱羧反应就是通过六中心过渡态进行的。
2,2-二甲基-3-氧代丁酸由于氢键螯合（hydrogen bond chelation）关系物，首先形成螯合物，然后发生电子转移进行脱羧，先得烯醇，然后互变异构得酮。这个反应在合成上很重要，丙二酸型化合物的脱羧一般属于这一类型。
2. 负离子机理
当羧基和一个强吸电子基团相连时，按负离子机理（anionic mechanism）脱羧。例如三氯乙酸的脱羧反应：
三氯乙酸在水中完全解离成负离子，由于三个氯有强的吸电子能力，使碳碳之间的电子偏向于有氯取代的碳一边；随着羧基负离子上的电子转移到碳氧之间，碳碳键异裂，释放出CO₂，同时形成碳负离子；后者与水中的质子结合，形成氯仿。
3. 自由基机理
Kolbe（科尔贝）法通过电解羧酸盐的方法制备烷烃。整个电解反应是通过自由基机理进行的，即羧酸根负离子移向阳极，失去一个电子，生成自由基(i)；(i)很快失去二氧化碳，形成新的烷基自由基(ii)；两个自由基(ii)彼此结合，生成烷烃。
Hunsdiecker 反应
一个在合成上非常有用的脱羧反应，称为 Hunsdiecker（汉斯狄克）反应，是用羧酸的银盐在无水的惰性溶剂如四氯化碳中与一分子溴回流，失去二氧化碳并形成比羧酸少一个碳的溴代烷。
11.12.2 二元羧酸的脱水、脱羧反应
二元羧酸受热易发生分解，由于两个羧基的相互位置不同，互相之间的作用也有所不同，有的脱水，有的脱羧，有的同时脱水脱羧。
写出下列化合物脱羧的反应机理。
11.13 羧酸的一般制备法
11.13.1 氧化法制备
羧酸可用醇的氧化（参见7.9）、烯、炔的氧化（参见8.9.2、8.23）、醛、酮的氧化（参见10.10）、以及芳烃的氧化来制备。
11.13.2 羧酸衍生物、腈的水解制备
1. 羧酸衍生物水解制备（参见12.5.2）
2. 腈的水解制备
腈在酸性或碱性条件下回流水解，都可得到羧酸。
脂肪腈通常是由卤代烷与氰化钠反应制备的，水解后所得羧酸比相应卤代烷多一个碳原子。
11.13.3 用羧酸的锂盐制备
比较复杂的羧酸可以通过羧酸的烷基化来制备。此法用强碱二异丙基胺锂夺取羧酸的α氢，使成锂盐，再用卤代烷烷基化。
11.13.4 由有机金属化合物制备
格氏试剂和二氧化碳发生反应生成羧酸镁盐，后者经水解生成羧酸。此法可将一级、二级、三级和芳香卤代烷制备成多一个碳原子的羧酸。
低温对反应有利，一般将反应温度控制在-10～10℃左右。实验时，可将格氏试剂的乙醚溶液在冷却下通入二氧化碳，也可以将格氏试剂的乙醚溶液倒入过量的干冰中，这时的干冰既是反应试剂又是冷冻剂。
11.14 几个常用羧酸的工业生产
甲酸可用做还原剂、防腐剂，或用在制备染料及橡胶生产上。
另一种方法是用甲醇在铑(Rh)的催化剂作用下和一氧化碳直接反应生成乙酸。
乙酸是化学工业的重要原料。
甲苯可在空气、醋酸钴、醋酸锰催化下于190~200℃、25 MPa条件下氧化得到苯甲酸（产率96%）。
由于石油化学的发展，可用丁二烯为原料与氯进行1,4-加成，得1,4-二氯-2-丁烯，然后与氰化钠反应得二腈化物，水解、加氢得己二酸。
己二酸是合成尼龙-66的原料。
第一步氧化很容易；第二步较困难，需要在较高温度下进行。
对苯二甲酸在国内外大量生产，是合成纤维涤纶的原料之一。
章末习题
用中、英文命名下列化合物。
用合适方法转变下列化合物。
异戊酸与下列试剂发生什么反应？用反应式表示。
(i) NaHCO₃，再用酸处理 (ii) P催化量+Br₂，Δ (iii) HgO+Br₂ (iv) CH₃CH₂MgCl，乙醚，然后H⁺，H₂O
甲苯与下列试剂发生什么反应？用反应式表示。
由五碳醇以及必要的试剂合成下列化合物。
由指定原料合成下列化合物。
乙酸中也含有 CH₃C(=O)— 基团，但不发生碘仿反应。为什么？
要得到一个旋光性的碳氢化合物，但没有可拆分的基团，一般是先用一个可拆分的有旋光性的原料进行反应，最后得到所需要的化合物。你能否设计由(±)-3-苯基丁酸合成下列旋光性化合物？
复习本章的指导提纲
基本概念和基本知识点
羧酸、脂肪酸、芳香酸，一元羧酸、二元羧酸、多元羧酸；羧基、酰基、羧酰基；羧酸物理性质的一般规律；羧酸和羧酸盐的结构特点及区别；羧酸具有酸性的原因，羧酸性的强弱及影响酸性强弱的各种因素；酯化反应、分子内酯化、分子间酯化；酯、内酯、交酯、聚酯；铵盐、酰胺、腈；脱羧反应，Blanc规则。
基本反应和重要反应机理
成盐反应、Hell-Volhard-Zelinsky反应及其机理；酯化反应及酯化反应的三种反应机理；形成铵盐、酰胺和腈的机理；羧酸与格氏试剂的反应、羧酸与有机锂试剂的反应；羧酸被LiAlH₄或B₂H₆还原及还原反应的机理；羧酸的脱羧反应、脱羧反应的环状过渡态机理、脱羧反应的负离子机理、脱羧反应的自由基机理；Kolbe反应、Hunsdiecker反应、Cristol反应、Kochi反应；二元羧酸的脱羧反应及规律。
重要合成方法
烯、炔、芳烃、醇、醛、酮氧化制羧酸；羧酸衍生物、腈水解制羧酸；格氏试剂、有机锂试剂与二氧化碳反应制羧酸；羧酸的工业生产；尼龙-66和尼龙-1010的合成。
重要鉴别方法
利用羧酸及其盐的酸碱性和溶解性能分离提纯和鉴别羧酸。