如何製備羧酸？

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簡介

羧酸也被稱為烴氧化產物。羧酸是烴的衍生物，由一個或多個氫原子被羧基取代形成。

含有羧基的有機化合物稱為羧酸。它們是化學中一個重要的官能團。它們的命名來源於它們所組成的羰基（C=O）和羥基（-OH）基團。它們具有不同於羰基和羥基的特性。根據羧基的數量，它們被分為一元羧酸、二元羧酸和三元羧酸。

羧酸的結構

• 根據最近的光譜學和衍射研究，酸基（-COOH）是平面的。即(-COOH)基團的碳原子以及2個氧原子都是sp²雜化的，而烷基碳原子是sp³雜化的。

• 因為R基團有一個未配對的sp³雜化軌道，它與碳的sp²雜化軌道軸向排列，形成σ鍵。

• C原子發生了sp²雜化。最後一個pz軌道垂直於由3個sp²軌道形成的平面。一個sp²軌道與R基團的sp³軌道對齊。最後的2個與2個氧原子的sp²軌道重疊，形成2個σ鍵。

• 一個氧原子發生sp²雜化。最後一個pz軌道平行於平面。一個sp²雜化軌道與碳的sp²雜化軌道對齊，形成σ鍵。另外兩個sp²雜化軌道帶有孤對電子。

• 第二個氧原子也共平面，其中一個sp²雜化軌道與氫的s軌道重疊，形成σ鍵。

• 所有3個位於垂直於平面的pz雜化軌道可以在整個軌道影像中側向重疊，形成π鍵。因此，這些軌道是離域的。

羧酸的製備方法

一些主要的羧酸製備方法如下。

由格氏試劑製備羧酸

在無水乙醚存在下，格氏試劑與二氧化碳（乾冰）反應生成羧酸鹽，然後用無機酸酸化得到羧酸。

由醇製備羧酸

重鉻酸鉀以及瓊斯試劑在酸性介質中，或常用的氧化劑如高錳酸鉀在中性、酸性或鹼性介質中，都能快速將伯醇氧化成羧酸。

由醛製備羧酸

羧酸也可以由醛（-CHO）用中等強度的氧化劑合成。醛在受到常用的氧化劑作用時，會迅速轉化為羧酸。

由酯製備羧酸

鹼性水解生成羧酸鹽，羧酸鹽酸化後生成相應的羧酸，而酯的酸性水解則直接生成羧酸。

由醯滷和酸酐製備

當醯氯用水解時，會形成羧酸。當醯氯用鹼性水溶液水解時，會形成羧酸根離子，羧酸根離子酸化後生成相應的羧酸。相反，酸酐用H_2 O水解生成相應的酸。

由腈和醯胺製備

腈在H⁺或OH^-作為催化劑存在下，水解生成醯胺，然後生成酸。在這個反應中，溫和的反應條件是優選的，以便反應可以在醯胺階段終止。

由烷基苯製備

烷基苯可以用鹼性或酸性高錳酸鉀或鉻酸氧化生成芳香族羧酸。無論側鏈長度如何，整個側鏈都被氧化成羧基。伯和仲烷基被氧化，但叔烷基不被氧化。這些氧化劑也可以將適當取代的烯烴轉化為羧酸。

羧酸轉化為醇

羧酸轉化為醇是一個簡單的過程。羧酸使用如無水乙醚或四氫鋁鋰等試劑還原。羧酸中的-COOH基團被轉化為-CH_2 OH，一個伯醇基團。

羧酸的用途

• 有機酸用於食品工業，製備鈉鹽、醋和其他軟飲料，而苯甲酸鈉則用於防腐。

• 乙酸用於化工行業，製備香料、人造絲和染料等。

• 乙酸用於橡膠製造行業，生產橡膠。

• 羧酸，如硬脂酸，是生產洗滌劑和肥皂中最重要的酸。

• 在尼龍工業中，己二酸用於生產過程中。

• 苯甲酸酯用於製造身體噴霧、香水和其他化妝品。

• 乙醯水楊酸用於製藥行業，製備非那西汀、阿司匹林和其他藥物。

結論

羧酸被歸類為烴的衍生物。COOH基團中可取代的H原子的存在賦予了羧酸其酸性。根據最近的光譜學和衍射研究，酸基（-COOH）是平面的。羧酸可溶於水。羧酸的沸點遠高於相同分子量的烷烴或醇。根據與COOH相連的基團的型別（烷基或芳基），它們被分類為脂肪族或芳香族化合物。

常見問題

1. 酸的沸點比相應的醇高。給出原因。

由於酸的兩個分子之間存在分子間氫鍵，因此酸的沸點較高。由於二聚體的形成，有效分子量變為正常質量的兩倍，從而提高了沸點。此外，由於酸具有比醇更極性的-OH基團，因此酸中的氫鍵更強，從而提高了酸的沸點。

2. 為什麼羧酸被稱為脂肪酸？

因為高階羧酸是由脂肪和油的分解形成的，所以羧酸被稱為脂肪酸。

3. 用LiAlH_4處理酯然後進行酸性水解的結果是什麼？

$$\mathrm{Ph-COO-CH_2-Ph+LiAlH_4→Ph-CH_2-OH+Ph-CH_2-OH}$$

4. 以下哪一個酸性更強？

• CH₃ COOH 或 CH₂ FCOOH，

• 甲酸或苯甲酸

由於負電性的F原子導致電子從COOH中被拉出，並有助於H⁺的釋放，因此CH₂ FCOOH比CH₃ COOH酸性更強。

甲酸比苯甲酸酸性更強，因為HCOOH中O上的負電荷比苯甲酸中更離域。

5. 說明羧酸的物理性質。

• C₁-C₃羧酸（脂肪族）是具有刺激性氣味的無色腐蝕性液體。C₄-C₉羧酸是具有腐敗黃油氣味的油狀液體。高階酸是無味的蠟狀固體，密度遠低於水。

• 羧酸的沸點遠高於相同分子量的烷烴或醇。

• 羧酸可溶於水，因為它們可以與H₂ O分子形成氫鍵。