羧酸衍生物入门

超市里卖的香蕉糖、草莓味糖果，那股香甜的气味来自哪里？打开成分表，你会看到“乙酸乙酯”或“戊酸乙酯”这样的名字。它们既不是香蕉也不是草莓，却能完美地模拟那种水果香味。更有趣的是，阿司匹林——全球销量最大的药物之一，它的化学名叫乙酰水杨酸，分子里也含有一个酯基。这些化合物有一个共同的“祖先”：羧酸。从羧酸出发，替换掉羟基上的氢或者整个羟基，就能衍生出一大家族的化合物——酯、酰卤、酸酐、酰胺，统称为羧酸衍生物。

认识了前几章的羰基反应之后，我们已经知道：羰基碳是亲电中心，亲核试剂会主动进攻它。羧酸衍生物的反应逻辑与此一脉相承，只不过这次发生的不是“加成”，而是“取代”。这一章就从羧酸的结构出发，逐步认识它的各类衍生物，理解它们之间活性的差异。

羧酸的结构

羧基——两个官能团的“合体”

羧酸的核心官能团是羧基（$-\text{COOH}$），它由一个羰基（$\text{C=O}$）和一个羟基（$-\text{OH}$）“合并”在同一个碳上。

$\text{羧基：} \quad -\overset{\displaystyle O}{\overset{\displaystyle \|}{C}}-\text{OH}$

写成通式：$\text{R-COOH}$，其中 R 是碳链部分。

乍一看，羧基里有羟基，是不是也像醇一样有羟基反应？有羰基，是不是也像醛一样可以发生亲核加成？实际上，由于羰基和羟基相互影响，羧酸的性质和醇、醛都有明显区别：

羟基上的氢变得更容易电离——这让羧酸表现出酸性。 羰基碳受到羟基“给电子”的影响，正电性有所降低——这让羧酸的羰基不像醛那样容易发生亲核加成。

常见羧酸一览

羧酸的酸性比碳酸弱，但比醇强得多。纯乙酸在16.6°C以下会凝固成冰状晶体，因此纯乙酸又叫“冰醋酸”。

什么是羧酸衍生物

从羧酸“换”出新化合物

把羧酸结构里的 $-\text{OH}$ 换成不同的离去基团，就得到不同的羧酸衍生物。它们的共同特征是都含有酰基（$\text{RCO}-$，即去掉了 $-\text{OH}$ 之后剩下的部分）。

$\text{酰基：} \quad \text{R}-\overset{\displaystyle O}{\overset{\displaystyle \|}{C}}-$

四种主要的羧酸衍生物如下：

这四种化合物都含有相同的核心结构 $\text{RCO}-$，反应时亲核试剂都进攻这个碳，把“离去基团”赶走，完成亲核酰基取代反应。这是理解所有羧酸衍生物反应的核心逻辑，后面会详细展开。

酯

酯的结构与命名

酯是由酸（提供酰基）和醇（提供烷氧基）脱水缩合而成的化合物，通式为 $\text{RCOOR'}$。

命名规则是：“某酸某酯”，前面写酸的名字，后面写醇的名字（去掉“醇”字换成“酯”）。

$\text{乙酸} + \text{乙醇} \longrightarrow \text{乙酸乙酯} + \text{H}_2\text{O}$

$\text{CH}_3\text{COOH} + \text{C}_2\text{H}_5\text{OH} \underset{\Delta}{\overset{\text{浓H}_2\text{SO}_4}{\rightleftharpoons}} \text{CH}_3\text{COOC}_2\text{H}_5 + \text{H}_2\text{O}$

乙酸乙酯是一种无色透明、有果香气味的液体，是食品工业中常用的香料，也用作溶剂（指甲油、涂料中都含有它）。

酯化反应——可逆的平衡

酯化反应是一个可逆反应，正方向生成酯和水，逆方向（酯的水解）消耗水重新生成酸和醇。

$\text{RCOOH} + \text{R'OH} \underset{\text{水解}}{\overset{\text{酯化}}{\rightleftharpoons}} \text{RCOOR'} + \text{H}_2\text{O}$

为了让平衡向右移动（多生成酯），实验室通常采取以下措施：

使用浓硫酸作催化剂，同时吸收反应产生的水，降低水的浓度；或者用蒸馏及时把产物酯从体系中移走。

这是一个将“平衡移动原理”运用于实际操作的典型案例——减少产物浓度，平衡右移，产率提高。

例题1

乙酸和甲醇在浓硫酸催化下发生酯化反应，写出反应方程式，并说明如何提高酯的产率。

解答：

反应方程式：

$\text{CH}_3\text{COOH} + \text{CH}_3\text{OH} \underset{\Delta}{\overset{\text{浓H}_2\text{SO}_4}{\rightleftharpoons}} \text{CH}_3\text{COOCH}_3 + \text{H}_2\text{O}$

产物为乙酸甲酯（$\text{CH}_3\text{COOCH}_3$）。

提高产率的措施：适当增大乙酸或甲醇的用量（增大反应物浓度）；及时将生成的乙酸甲酯蒸馏出去（减少产物浓度）；用浓硫酸催化并吸水。

酯的水解

酯可以在酸或碱催化下发生水解，重新断开酯键。

酸催化水解（可逆）：

$\text{RCOOR'} + \text{H}_2\text{O} \underset{\Delta}{\overset{\text{H}^+}{\rightleftharpoons}} \text{RCOOH} + \text{R'OH}$

碱催化水解（皂化反应）（不可逆）：

$\text{RCOOR'} + \text{NaOH} \xrightarrow{\Delta} \text{RCOONa} + \text{R'OH}$

碱催化水解之所以不可逆，是因为生成的羧酸根（$\text{RCOONa}$）在碱性环境下不会重新与醇反应——反应方向被“锁死”了。正因如此，工业上制造肥皂就是将油脂（天然酯类）与 NaOH 溶液一起加热皂化，得到高级脂肪酸钠盐，即肥皂的主要成分。

酰卤

最活泼的羧酸衍生物

在四种羧酸衍生物里，酰卤的反应活性最强。以乙酰氯（$\text{CH}_3\text{COCl}$）为例——把一滴乙酰氯滴入水中，立刻发出“嗞嗞”声，产生大量白雾（氯化氢气体），剧烈水解：

$\text{CH}_3\text{COCl} + \text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{CH}_3\text{COOH} + \text{HCl}$

为什么酰卤如此活泼？关键在于氯是一个很好的离去基团。氯原子的电负性强，与碳的结合力相对较弱，亲核试剂进攻酰基碳后，氯以 $\text{Cl}^-$ 形式离去非常顺利。

酰卤与醇反应，能快速生成酯；与胺反应，快速生成酰胺。这使它成为有机合成中引入酰基的“利器”：

$\text{CH}_3\text{COCl} + \text{C}_2\text{H}_5\text{OH} \longrightarrow \text{CH}_3\text{COOC}_2\text{H}_5 + \text{HCl}$

$\text{CH}_3\text{COCl} + \text{NH}_3 \longrightarrow \text{CH}_3\text{CONH}_2 + \text{HCl}$

酸酐

两个羧酸“脱水拼合”

酸酐可以看作两分子羧酸脱去一分子水后连接起来的产物：

$2\text{CH}_3\text{COOH} \xrightarrow{-\text{H}_2\text{O}} (\text{CH}_3\text{CO})_2\text{O}$

乙酸酐是无色液体，有刺鼻的酸味，工业上大量用于合成乙酸酯类和阿司匹林。

乙酰水杨酸（阿司匹林）就是用水杨酸与乙酸酐反应制备的：

$\text{水杨酸} + (\text{CH}_3\text{CO})_2\text{O} \longrightarrow \text{阿司匹林} + \text{CH}_3\text{COOH}$

酸酐的活性比酯高，但比酰卤低。它与水反应会重新生成羧酸，与醇反应生成酯，与胺反应生成酰胺。

酰胺

最稳定的羧酸衍生物

酰胺是四种衍生物中活性最低、最稳定的一类。以乙酰胺（$\text{CH}_3\text{CONH}_2$）为例，它是一种白色固体，在室温下与水几乎不反应，需要在酸或碱的催化下加热才能水解。

$\text{CH}_3\text{CONH}_2 + \text{H}_2\text{O} \underset{\Delta}{\overset{\text{H}^+ \text{ 或 OH}^-}{\rightleftharpoons}} \text{CH}_3\text{COOH} + \text{NH}_3$

酰胺稳定性高的原因在于氮原子上有一对孤对电子，可以与相邻的羰基形成“共轭”效应（类似第4章的共轭效应），使整个酰胺键（$\text{CO-N}$）具有部分双键性质，降低了羰基碳的正电性，亲核试剂进攻变得困难。

酰胺键在生物化学中至关重要——蛋白质的肽键（$-\text{CO-NH}-$）本质上就是一种酰胺键。正因为酰胺键稳定，蛋白质的骨架才能在生理环境中保持结构完整，不轻易水解断裂。

亲核酰基取代反应

四种衍生物的共同反应机理

四种羧酸衍生物的反应，表面上形式各异，但核心机理是相同的——亲核试剂进攻酰基碳，原来的离去基团离开。这叫做亲核酰基取代（Nucleophilic Acyl Substitution）。

反应分两步：

第一步：亲核试剂（$\text{Nu}^-$ 或 $\text{Nu:}$）进攻酰基碳，形成四面体型的负离子中间体（加成产物）：

$\text{RCO-L} + \text{Nu}^- \longrightarrow \text{RC(Nu)(O}^-\text{)L} \quad (\text{四面体中间体})$

第二步：中间体分解，离去基团 $\text{L}^-$ 离开，恢复羰基：

$\text{RC(Nu)(O}^-\text{)L} \longrightarrow \text{RCO-Nu} + \text{L}^-$

整个过程的净结果是：原来连在酰基碳上的 L 被 Nu 取代，羰基得以保留。

例题2

乙酰氯（$\text{CH}_3\text{COCl}$）与乙醇发生反应，写出反应方程式，并用亲核酰基取代机理解释：谁是亲核试剂？谁是离去基团？

解析：

反应方程式：

$\text{CH}_3\text{COCl} + \text{C}_2\text{H}_5\text{OH} \longrightarrow \text{CH}_3\text{COOC}_2\text{H}_5 + \text{HCl}$

亲核酰基取代分析：

乙醇中氧原子有孤对电子，是亲核试剂（$\text{Nu:} = \text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$）。

$\text{Cl}^-$ 是离去基团（$\text{L}^- = \text{Cl}^-$），因为氯的电负性强，易以负离子形式离开。

反应净结果：酰基碳上的 $-\text{Cl}$ 被 $-\text{OC}_2\text{H}_5$ 取代，生成酯。

四种衍生物的活性比较

活性高低由“离去基团离去难易程度”决定——离去基团越容易离开，反应活性越高：

$\text{酰卤} > \text{酸酐} > \text{酯} > \text{酰胺}$

这个顺序非常重要。在有机合成中，如果要将一种衍生物转化为另一种，只能“从高活性向低活性”方向转化，反之则不行：

酰卤可以直接与醇反应生成酯，也可以与胺反应生成酰胺；但酯很难直接转化为酰卤（需要额外条件）。

例题3

写出乙酸酐与甲醇反应的方程式，并判断此反应属于何种反应类型，指出亲核试剂和离去基团。

解析：

反应方程式：

$(\text{CH}_3\text{CO})_2\text{O} + \text{CH}_3\text{OH} \longrightarrow \text{CH}_3\text{COOCH}_3 + \text{CH}_3\text{COOH}$

产物为乙酸甲酯和乙酸。

反应类型：亲核酰基取代反应。

亲核试剂：$\text{CH}_3\text{OH}$（甲醇中的氧原子，富电子端）。

离去基团：$\text{CH}_3\text{COO}^-$（乙酸根，来自酸酐的另一半）。

净结果：酸酐中的一个酰基被甲醇的甲氧基取代，生成酯。

练习题

选择题

第1题（知识点：羧酸衍生物的分类）

下列化合物中属于酯的是：

A. $\text{CH}_3\text{COCl}$

B. $\text{CH}_3\text{COOH}$

C. $\text{CH}_3\text{COOC}_2\text{H}_5$

D. $\text{CH}_3\text{CONH}_2$

第2题（知识点：羧酸衍生物活性顺序）

下列四种羧酸衍生物与水反应的活性由大到小，排列正确的是：

A. 酯 > 酰胺 > 酰卤 > 酸酐

B. 酰卤 > 酸酐 > 酯 > 酰胺

C. 酰胺 > 酯 > 酸酐 > 酰卤

D. 酸酐 > 酰卤 > 酰胺 > 酯

第3题（知识点：酯化反应与平衡移动）

实验室制备乙酸乙酯时，加入浓硫酸的主要作用是：

A. 只作催化剂，加快反应速率

B. 只作干燥剂，吸收生成的水

C. 既作催化剂，又吸收水，使平衡正向移动

D. 提供酸性环境，促进醇的电离

第4题（知识点：酰胺的稳定性与肽键）

关于酰胺键（$-\text{CO-NH}-$）的下列说法，正确的是：

A. 酰胺是四种羧酸衍生物中活性最高的

B. 肽键的化学本质是酯键

C. 酰胺在酸或碱催化加热下可发生水解

D. 酰胺与水在室温下能剧烈反应

计算题

第5题（知识点：酯化反应的定量计算）

乙酸（$\text{CH}_3\text{COOH}$，摩尔质量 60 g/mol）与足量乙醇在浓硫酸催化下发生酯化反应，生成乙酸乙酯（$\text{CH}_3\text{COOC}_2\text{H}_5$，摩尔质量 88 g/mol）。

（1）写出该酯化反应的化学方程式。

（2）若取乙酸 12 g 参与反应，理论上（假设反应完全）最多能得到多少克乙酸乙酯？

第6题（知识点：酰卤水解与亲核酰基取代）

乙酰氯（$\text{CH}_3\text{COCl}$，摩尔质量 78.5 g/mol）与水发生亲核酰基取代反应，完全水解生成乙酸（$\text{CH}_3\text{COOH}$，摩尔质量 60 g/mol）和氯化氢（$\text{HCl}$，摩尔质量 36.5 g/mol）。

（1）写出该水解反应的化学方程式。

（2）取乙酰氯 15.7 g 与足量水完全反应，计算生成乙酸的质量。

（3）根据亲核酰基取代机理，指出该反应中的亲核试剂和离去基团。

第（2）步：

计算乙酸的物质的量：

$n(\text{CH}_3\text{COOH}) = \frac{12 \text{ g}}{60 \text{ g/mol}} = 0.2 \text{ mol}$

由方程式，乙酸与乙酸乙酯的摩尔比为 $1:1$，所以：

$n(\text{乙酸乙酯}) = 0.2 \text{ mol}$

计算乙酸乙酯的质量：

$m(\text{乙酸乙酯}) = 0.2 \text{ mol} \times 88 \text{ g/mol} = 17.6 \text{ g}$

答： 理论上最多能得到乙酸乙酯 $\boxed{17.6 \text{ g}}$。

第（2）步：

计算乙酰氯的物质的量：

$n(\text{CH}_3\text{COCl}) = \frac{15.7 \text{ g}}{78.5 \text{ g/mol}} = 0.2 \text{ mol}$

由方程式，乙酰氯与乙酸的摩尔比为 $1:1$，所以：

$n(\text{CH}_3\text{COOH}) = 0.2 \text{ mol}$

$m(\text{CH}_3\text{COOH}) = 0.2 \text{ mol} \times 60 \text{ g/mol} = 12 \text{ g}$

答： 生成乙酸 $\boxed{12 \text{ g}}$。

第（3）步：

亲核试剂：水分子（$\text{H}_2\text{O}$），其中氧原子有孤对电子，是电子对给予者。

离去基团：$\text{Cl}^-$（氯离子），因氯的电负性强，容易以负离子形式脱离酰基碳。