羧酸衍生物 (Carboxylic acid derivatives)

Posted on 2014/08/29 in 化學, 有機化合物, 有機化學 with 尚無留言 17,079 views

羧酸衍生物 (Carboxylic acid derivatives)
國立臺灣師範大學化學系博士班一年級陳筱鳳

羧酸為含有羧基官能基團的有機酸化合物。羧基的化學性質由 $$\mathrm{C}\text{=}\mathrm{O}$$ 和 $$\mathrm{OH}$$ 相互影響呈現出，並非兩基團性質相加如此簡單^[1]，由於羧酸根負離子 $$(\mathrm{-{CO_2}^-})$$ 具有共軛結構，可藉由共振增加其穩定性，使得羥基上的氫原子較容易解離，羧酸在水溶液中呈酸性。

羧酸的 $$\mathrm{OH}$$ 可經由加成消去反應，被鹵素原子 $$( \mathrm{X} )$$ 、羧酸根 $$\mathrm{(RCOO^-)}$$ 、烷氧基 $$(\mathrm{-OR})$$、胺基 $$\mathrm{(-NH_2 )}$$ 等一系列原子或基團取代，分別生成醯鹵、酸酐、酯以及醯胺化合物這些化合物，統稱為羧酸衍生物。而羧酸衍生物皆能和水發生水解反應形成相應的羧酸化合物。羧酸衍生物發生的典型反應為親核取代反應。

羧酸衍生物之活性順序$$^{[2]}$$

醯氯 (acyl chloride) ，指含有 $$\mathrm{-C(O)Cl}$$ 官能基團的化合物，屬於醯鹵的一種。最常用的製備方法是經由亞硫醯氯 (thionyl chloride, $$\mathrm{SOCl_2}$$ ) 和羧酸反應生成。

因氯原子具有拉電子能力，增加了羰基中碳原子的親電性，在羧酸衍生物中活性最佳，易發生親核取代反應 (Nucleophilic Substitution reaction) ，而在三氯化鋁 (aluminum chloride, $$\mathrm{AlCl_3}$$ ) 或三溴化鐵 (iron bromide, $$\mathrm{FeBr_3}$$ ) 等路易士酸的催化下，可與芳香化合物進行親電芳香取代反應 ( Electrophilic Aromatic Substitution reaction ) 。醯氯不存在於自然界，但在合成上應用價值高，是重要的醯化試劑，也可用於有機化合物中羥基或氨基的測定。^[3]

醯氯的製備

酸酐 (acid anhydride) ，由兩個羧酸分子在脫水劑五氧化二磷 ( phosphorous pentoxide, P₂O₅) 的幫助下，加熱脫去一水分子形成的衍生物。兩側含有相同醯基 ( R = R^’) 的對稱酸酐稱為單酐，反之，稱為不對稱酐或混酐。自然界中存在的酸酐極少，於西班牙蠅中的斑蝥素 ( cantharidin ) 是一種環酐，是從斑螯中提取的一種單萜類抗腫瘤藥^[4]；而某些羧酸與磷酸生成的混酐為生物代謝中的重要物質。在合成上與醯鹵化合物進行的反應相似，但活性較醯鹵低一點。

酸酐的製備

斑蝥素結構

酯類 (ester) ，分子通式為 $$\mathrm{R}\text{-}\mathrm{COO}\text{-}\mathrm{R’}$$，由羧酸與醇類在酸催化下，經由酯化反應 (esterification) 產生。廣泛存在於自然界中，碳數較低的酯類為揮發性液體，具有香氣，可在酒、食醋或特定水果中發現，也可作為溶劑使用；而碳數較高的酯類為蠟狀固體或黏稠狀液體，為良好的增塑劑；聚酯樹酯主要用於纖維和油漆上；帶有支鏈的醇形成的酯類則可作為潤滑油。^[5]

此外，酯類可經由醇解 (Alcoholysis) ，將酯中的烷氧基被被醇類的烷氧基所置換，又稱為酯交換反應。

酯的製備

醯胺 (amide) ，結構中含有醯基 $$(\mathrm{R}\text{-}\mathrm{C(O)}\text{-})$$ 與胺基 $$(\mathrm{-NH_2})$$，可由羧酸與氨經由醯胺化 (amidation) 反應製成。醯胺可與水分子形成氫鍵 (hydrogen bond) ，形成的氫鍵愈多沸點愈高，而醯胺鍵結 $$(\mathrm{-C(O)NH-})$$ 為蛋白質及長鏈分子的基本結構^[6]，最簡單的醯胺化合物為尿素 $$(\mathrm{(NH_2)_2CO})$$。

醯胺的製備

在鹼性條件下，醯胺與次氯酸鈉 ( Sodium hypochlorite, $$\mathrm{NaOCl}$$ ) 或次溴酸鈉( Sodium hypobromite, $$\mathrm{NaOBr}$$ ) 作用，脫去羰基生成一級胺，在反應中使產物比反應物的碳鏈少一個碳原子，稱為霍夫曼 (Hofmann Degradation) 降解反應。^[7]