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8.3取代酸
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羧酸分子中烃基上的氢原子被其他原子或基团取代所生成后的化合物叫取代酸，它属于多官能团化合物。取代酸按取代基种类不同可分为卤代酸、羟基酸、羰基酸和氨基酸等。它们有些是有机合成的重要原料，有些则是生物代谢中的重要物质。
一、羟基酸
1.羟基酸的分类、命名
羟基酸是分子中同时具有羟基和羧基的化合物。羟基连接在饱和碳链上的羟基酸又称为醇酸；羟基直接连接在芳环上的羟基酸，称为酚酸。羟基酸分子中的羟基和羧基的数目，可以是一个也可以是多个。其中醇酸又可根据羟基和羧基的相对位置的不同，分为α-羟基酸、β-羟基酸、γ-羟基酸等。
羟基酸的系统命名是以羧酸为母体，羟基作为取代基，按照羧酸的命名原则进行命名。由于许多羟基酸都存在于自然界中，因此，习惯上也常按其来源而用俗名称呼，应当熟记，例如：
8.3　取代酸
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第3节　取代酸
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2.羟基酸的物理性质
羟基酸一般为结晶固体或黏稠液体。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相应的醇和羧酸都大，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。许多醇酸是手性分子，具有旋光性。
3.羟基酸的化学性质
羟基酸兼有羟基和羧基的特性，并且由于羟基和羧基两个官能团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，由于羟基的-I效应，醇酸的酸性比相应的羧酸酸性强，但不如卤代酸中卤素的-I效应大。羟基距羧基愈远，则对酸性的影响愈小。例如：
第3节　取代酸
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酚酸羟基对羧基的影响要复杂得多。如羟基苯甲酸的三种异构体的酸性与苯甲酸比较，其次序为：
这是因为当羟基处于羧基的对位时，主要由于p-π共轭的＋C效应起作用，使得羟基对羧基表现出给电子效应，致使酸性反较苯甲酸弱，其共轭关系为：
当羟基处于羧基的间位时，羟基对羧基的影响，主要是-I效应，但因羟基与羧基间相隔两个碳原子，影响不是很大，酸性增强不多。
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当羟基处于羧基的邻位时，羟基既有吸电子的-I效应，又有给电子的＋C效应，-I效应有利于增强酸性，＋C效应不利于酸性增强；且共轭效应还与空间阻碍作用有关，但同时还可形成分子内氢键，有利于羧酸根负离子的稳定，因而酸性增强。
（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的不同，脱水反应的产物也不同。
α-羟基酸受热时，两分子间的羟基和羧基相互酯化脱水而生成环状的交酯
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β-羟基酸受热时，发生分子内脱水而生成α，β-不饱和酸。
除生成α，β-不饱和酸外，往往还生成β，γ-不饱和酸。
γ-羟基酸极易发生分子内酯化脱水，生成五元环内酯
因此，γ-内酯很稳定，但与热的碱液相遇时会变成γ-羟基酸盐。
δ-羟基酸相对较难生成内酯，生成的δ-内酯也容易开环。这是因为在环烷烃中虽然以环己烷张力最小，最稳定，但在内酯中却以五元环的张力最小，最稳定，这与γ-内酯的键角大小有关。例如，在室温放置即吸水呈酸性。
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内酯在天然产物中也是常见的，以γ-内酯环为多。例如维生素C、山道年等分子结构中都含有五元环内酯，一旦这种五元环内酯因水解等因素而被破坏，它们的药效随着降低，甚至会完全丧失。
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当羟基酸的羟基和羧基相隔五个或五个以上的碳原子时，受热往往失水成不饱和酸，也可以发生分子间的酯化脱水，生成链状结构的聚酯。
聚酯的用途较为广泛。例如，聚丙交酯可抽丝作外科手术缝线，在体内可自动溶化而不需要拆除，因为这种聚合物在体内缓缓分解为乳酸，对人体无害。如果这种聚合物中混有某种药物，置入体内，在聚合物缓慢分解过程中能有均匀释放药物的功效。
含两个以上羟基或羧基的羟基酸在加热时随着实验条件的不同，能生成多种产物。
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（3）氧化反应　羟基酸中的羟基同醇一样可被氧化。α-羟基酸中的羟基受羧基的影响，比醇中的羟基易被氧化。它能与托伦试剂作用，被氧化成α-羰基酸。
生物体内的羟基酸在酶的作用下可发生类似的氧化反应。
（4）分解脱羧反应　α-羟基酸与稀硫酸共热，分解生成一分子甲酸和一分子醛或酮。
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β-羟基酸用碱性高锰酸钾氧化则分解脱羧生成酮。
另外，大部分的酚酸在加热下也容易脱羧生成酚类化合物。例如:
4.个别化合物
（1）乳酸　乳酸因最初来自酸牛奶而得名。它存在于腌制的酸菜、青贮饲料和泡菜中，也存在于动物肌肉中，特别是肌肉剧烈活动后，乳酸的含量增加，因此感觉肌肉酸胀，经休息后乳酸即可分解。乳酸是动物体内代谢作用中以及微生物发酵作用中的一个重要代谢产物。工业上由葡萄糖在乳酸菌作用下发酵制得。
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乳酸是无色或微黄色黏稠的液体，吸湿性很强，能溶于水、乙醇和乙醚中。乳酸分子中有一个不对称（或称手性）碳原子，具有旋光性。乳酸的用途广泛，皮革工业上用做脱灰剂；锑盐作媒染剂，钙盐是重要的药物，可治疗佝偻病等缺钙症；乳酸也有消毒防腐作用，常用于空气消毒和治疗阴道滴虫病；此外还大量用于食品、饮料工业。
（2）酒石酸　酒石酸因酿制葡萄酒时析出的酒石（主要是酒石酸氢钾）而得名。它广泛存在于植物的果实中，尤以葡萄中含量最多。酒石酸也是最早研究立体化学的化合物之一，有三种旋光异构体，自然界得到的是右旋酒石酸，熔点170℃，为无色半透明结晶或结晶粉末，易溶于水，不溶于有机溶剂。酒石酸的盐类用途广泛，酒石酸钾钠可用做发酵的原料、泻药，也是配制斐林试剂的原料之一，酒石酸锑钾又名托酒石，用做催托剂和治疗血吸虫病；酒石酸常用以配制饮料，也可在印染工业上用做媒染剂。
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（3）水杨酸　水杨酸（邻羟基苯甲酸）因来自水杨柳的树皮和树叶中而得名。为白色针状晶体或结晶粉末，熔点159℃，76℃时升华，也能随水蒸气一同挥发，热至200℃以上可脱羧生成苯酚，这是邻位和对位羟基酸的特性。
水杨酸微溶于冷水，易溶于沸水、乙醇、乙醚和氯仿中。它的水溶液呈酸性，是典型的酚酸，具有酚和羧酸的性质，能与三氯化铁溶液作用生成紫红色配合物；与醇或酚作用可生成相应的羧酸酯；与酸酐作用可生成酚酯；与碱作用生成盐。
水杨酸的用途很广，可用做消毒剂、防腐剂，它具有解热镇痛和抗风湿作用，但对肠胃有刺激作用，常用其钠盐和衍生物。如：水杨酸钠可用于治疗风湿及关节炎；乙酰水杨酸（俗称阿司匹林）是常用的解热止痛药；水杨酸甲酯（冬青油的主要成分，又称冬青油）可作扭伤时的外用擦药，也用于牙膏、糖等作香精；对氨基水杨酸（缩写为PAS）具有抗结核作用。此外，它也是一种染料中间体。
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二、羰基酸
1.羰基酸的分类、命名
分子中含有羰基和羧基的化合物称为羰基酸。按羰基在碳链中的位置不同，可分为醛酸和酮酸。酮酸又可按羰基与羧基的相对位置不同分为α-酮酸、β-酮酸、γ-酮酸等。许多酮酸是生物体内代谢过程中的重要物质。
羰基酸的系统命名与羟基酸相似，选含有羰基和羧基的最长碳链作为主链，称为某酮（或醛）酸。许多羰基酸可作为酰基取代的羧酸来命名，称为“某酰某酸”。例如：
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2.羰基酸的化学性质
（1）酸性　由于羰基是强的吸电子基，所以羰基酸的酸性比相应羧酸的酸性强。如丙酮酸（pKa＝2.25）的酸性比丙酸（pKa＝4.89）强得多。
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（2）氧化还原反应　醛酸中的醛基可被弱氧化剂氧化。例如：
酮酸一般不易被氧化，但α-酮酸却较易被氧化、脱羧，弱氧化剂（如托伦试剂、斐林试剂）也能氧化α-酮酸。例如：
羰基酸还能还原得到相应的羟基酸，生物体内有许多羰基酸也能还原为羟基酸的反应。
例如：
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（3）脱羧反应　α-酮酸和β-酮酸都容易脱羧而生成少一个碳原子的醛或酮。β-酮酸更易脱羧，甚至在室温时也会慢慢脱羧。例如：
生物体内某些酮酸在酶催化下也能发生脱羧反应，生物体呼出的二氧化碳大部分来源于此。例如：
3.个别化合物
（1）乙醛酸　最简单的醛酸就是乙醛酸，它存在于未成熟的水果和动物组织中。乙醛酸由草酸还原或二氯乙酸水解得到：
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纯乙醛酸是无色糖浆状液体，能与一分子水结合生成稳定的水合乙醛酸：（HO）2CHCO2H，水合乙醛酸为无色结晶体。
乙醛酸除具有醛和羧酸的典型反应外，还能进行康尼查罗歧化反应。例如：
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（2）丙酮酸　丙酮酸是最简单的α-酮酸，广泛存在于自然界，由相应的腈水解得到：
丙酮酸是无色有刺激臭味的液体，沸点165℃，易溶于水、乙醇和乙醚中；是光合作用生成糖类的中间体，也是糖类在生物体代谢的中间产物。
丙酮酸除具有酮和羧酸的性质外，还能还原托伦试剂，同时被氧化生成乙酸和二氧化碳：
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若与稀硫酸一起加热，脱羧生成乙醛，与浓硫酸共热则失去一分子一氧化碳变成乙酸，这是α-酮酸的特性反应。
三、互变异构现象
某些化合物中的一个官能团改变其结构成为另一种官能团异构体，并且能迅速地相互转换，成为两种异构体处在动态平衡中，这种现象就称为互变异构现象，或称为互变异构，这两种异构体，称为互变异构体。例如烯醇式?酮式的互变异构，可以简单地表示为：
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乙酰乙酸乙酯是β-酮酸酯，它除有酮的典型反应外，还能与金属钠反应放出氢气，与乙酰氯作用生成酯，显示出醇羟基的性质；能使溴的四氯化碳溶液褪色，说明分子中含有碳碳不饱和键；能与三氯化铁溶液作用显紫红色，说明分子中含有烯醇式结构。实验证明乙酰乙酸乙酯是酮式-醇式互变异构的典型例子。
酮式和烯醇式的互变在没有催化剂的存在时，即使在较高温度下，也进行得很慢，而在酸碱催化下，则迅速进行。纯粹的酮式和烯醇式可以分别分离开来，它们的沸点分别为：
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烯醇式的沸点较低是由于其中含有分子内氢键。在互变平衡体系中烯醇式的含量可以用核磁共振法测定。
产生互变异构的原因是α-H受到双重吸电子基的影响，变得比较活泼，能以氢离子形式转移到羰基氧原子上形成烯醇式结构。从理论上讲，凡有α-H的羰基化合物都有互变异构现象，但不同结构的羰基化合物，它的烯醇式和酮式的比例差别很大。除了分子结构本身的因素外，溶剂、温度等因素也会对平衡体系产生影响。一般在非极性溶剂中烯醇式含量会提高，在极性溶剂中烯醇式含量降低。
互变异构现象普遍存在于生物代谢过程中。除酮式?烯醇式体系外，还存在其他互变异构体系等，例如酰胺-亚胺醇型互变体系：
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四、乙酰乙酸乙酯和丙二酸二乙酯在有机合成上的应用
乙酰乙酸乙酯是无色有水果香味的液体，沸点180.4℃，在水中的溶解度不大，可溶于各种有机溶剂。由于在结构上存在β-二羰基，相邻的两个吸电子基团使中间的亚甲基酸性加强，与碱作用生成的碳负离子，可以发生亲核反应，使它在有机合成占有十分重要的地位。乙酰乙酸乙酯的另一个结构特征就是在碱的作用下可以发生酮式分解和酸式分解。
乙酰乙酸乙酯在稀碱（5％NaOH）溶液水解，酸化后经加热脱羧，即可生成丙酮（即酮式分解）。
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当用浓碱（40％NaOH）溶液水解时，除了和酯作用外，还可以使乙酰乙酸乙酯的酮基处破裂生成两分子羧酸（盐），即酸式分解。
由于乙酰乙酸乙酯具有以上结构特点，因此，在有机合成上首先与金属钠或乙醇钠反应，亚甲基上的氢被钠取代生成钠盐，此盐可以与卤代烃或酰卤发生反应，使烷基或酰基引进乙酰乙酸乙酯分子中，由于引入的基团可以是各种各样的，再经酮式分解或酸式分解，就可以得到不同结构的酸或酮。
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第3节　取代酸
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在一烃基取代的乙酰乙酸乙酯分子中，由于还含有一个α-H，能再和醇钠、卤代烃作用生成二烃基取代物。
得到的α-二烃基取代的乙酰乙酸乙酯，再进行酮式分解或酸式分解，就可以制取二取代的甲基酮、二酮、一元酸或二元酸等。
另外，利用此法还可用来合成其他环状或杂环化合物。例如：
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但是，由于酸式分解时往往伴随着一些酮式分解，因此，合成羧酸最好采用丙二酸二乙酯法。乙酰乙酸乙酯在合成中主要用于制备酮类。
丙二酸二乙酯可以从一氯乙酸来合成。合成的反应式如下：
丙二酸二乙酯是具有香味的无色液体。它与乙酰乙酸乙酯相类似，亚甲基上的两个氢原子非常活泼，能与醇钠作用生成碳负离子，生成的碳负离子也是一个很强的亲核试剂，与卤代烃反应时，可发生亲核取代而生成一烃基取代的丙二酸二乙酯，碱性水解并酸化后即可得取代丙二酸，本身不稳定，加热即可脱羧，这两个条件使得丙二酸二乙酯在合成各种类型的羧酸中有着广泛的用途。
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亚甲基上的氢可以逐步取代，生成 类型的酸。
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用卤代酸或卤代酸酯代替RX则可生成二元羧酸。
用二卤化物和丙二酸酯可以合成含有脂环的酯类化合物，进一步加热脱羧也可以生成二元羧酸等化合物。
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二卤化物Br（CH2）nBr中的n一般为3～7，但n＝2时则不行，因三碳环容易开环，产量很低。
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图8-1
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表8-2
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表8-3(1)
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表8-3(2)
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表8-2
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