有機酸

有機酸可與醇反應生成酯。羧基是羧酸的官能團，除甲酸（H-COOH）外，羧酸可看做是烴分子中的氫原子被羧基取代後的衍生物。可用通式（Ar）R-COOH表示。羧酸在自然界中常以遊離狀態或以鹽、酯的形式廣泛存在。羧酸分子中烴基上的氫原子被其他原子或原子團取代的衍生物叫取代羧酸。重要的取代羧酸有滷代酸、羥基酸、酮酸和氨基酸等。 ^[2]  這些化合物中的一部分參與動植物代謝的生命過羥，有些是代謝的中間產物，有些具有顯著的生物活性，能防病、治病，有些是有機合成、工農業生產和醫藥工業原料。 ^[3] 

有機酸包括天然有機酸和合成有機酸。天然有機酸主要是從自然界中的植物或農副產品中提取分離得到具有一定生理活性的有機酸，而合成有機酸則是通過化學合成法、酶催化法和微生物發酵法獲得的有機酸。天然有機酸在中草藥和水果的葉、根、特別是果實中廣泛分佈，如烏梅、五味子，覆盆子等， ^[4]  在青梅中分別以檸檬酸、蘋果酸、酒石酸、奎寧酸居多。常見的合成有機酸的方法有以黑麴黴發酵法生產檸檬酸， ^[5]  利用固定化細胞技術生產蘋果酸等。 ^[6] 

常見的有機酸有脂肪族的一元、二元、多元羧酸如酒石酸、草酸、蘋果酸、檸檬酸、抗壞血酸（即維生素C）等，芳香族有機酸如苯甲酸、水楊酸、咖啡酸（Caffelc acid）等。除少數以遊離狀態存在外，一般都與鉀、鈉、鈣等結合成鹽，有些與生物鹼類結合成鹽。脂肪酸多與甘油結合成酯或與高級醇結合成蠟。有的有機酸是揮發油與樹脂的組成成分。 ^[7] 

水果中常見的有機酸有檸檬酸、蘋果酸、酒石酸、乙酸、丁二酸和草酸等，是果實中主要的風味營養物質，可軟化血管，促進鈣、鐵元素的吸收，能刺激消化腺的分泌活動，有增進食慾、幫助消化吸收及止渴解暑的功能。 ^[6] 

有機酸廣泛分佈於在植物的葉、根，特別是果實中，如烏梅、五味子，覆盆子等。常見的植物中的有機酸有脂肪族的一元、二元、多元羧酸如酒石酸、草酸、蘋果酸、枸椽酸、抗壞血酸（即維生素C）等，芳香族有機酸如苯甲酸、水楊酸、咖啡酸等。除少數以遊離狀態存在外，一般都與鉀、鈉、鈣等結合成鹽，有些與生物鹼類結合成鹽。脂肪酸多與甘油結合成酯或與高級醇結合成蠟，如亞油酸、亞麻酸、花生四烯酸等是人體必需的脂肪酸，能促進血液中膽固醇的運行和減少在血管壁上的沉積。有的有機酸是揮發油與樹脂的組成成分。萜類有機酸往往具有多種生物活性，如齊墩果酸具有保肝、抗炎、抗腫瘤、抑制血小板聚集等活性。 ^{[8]  [7]} 

有機酸多溶於水或乙醇呈顯著的酸性反應，難溶於其他有機溶劑。有揮發性或無。在有機酸的水溶液中加入氯化鈣或醋酸鉛或氫氧化鋇溶液時，能生成不溶於水的鈣鹽、鉛鹽或鋇鹽的沉澱。此性質可用於提取分離或去除有機酸。 ^[8] 

一般認為脂肪族有機酸無特殊生物活性，但是有些天然有機酸如檸檬酸、蘋果酸、酒石酸、抗壞血酸等具有抑菌、利膽、消炎、降血糖、抗氧化以及調節機體免疫等作用，能夠增加冠狀動脈血流量、抑制腦組織脂質過氧化物生成、軟化血管、促進鈣、鐵元素的吸收，同時幫助胃液消化脂肪，還能夠預防疾病和促進新陳代謝等作用。 ^[9]  有些特殊的酸是某些中草藥的有效成分，如土槿皮中的土槿皮酸有抗真菌作用。咖啡酸的衍生物有一定的生物活性，如綠原酸（Chlorogenic acid）為許多中草藥的有效成分。有抗菌、利膽、升高白血球等作用。 ^[10] 

羧酸的官能團是羧基，除甲酸外，都是由烴基和羧基兩部分組成。根據烴基的結構不同，分為脂肪酸和芳香酸。 ^[11]  羧基與脂肪烴基相連結者，稱為脂肪酸；脂肪酸又根據烴基的不飽和度分為飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸。若脂肪烴基中不含有不飽和鍵，則稱為飽和脂肪酸；若脂肪烴基中含有不飽和鍵，則稱為不飽和脂肪酸。羧基與芳香烴基相連結者，稱為芳香酸。羧酸還可以根據其分子中所含羧基的數目不同分為一元羧酸、二元羧酸和多元羧酸。分子中含有一個羧基的稱為一元羧酸；分子中含有兩個羧基的稱為二元羧酸：把分子中含有兩個以上羧基的羧酸統稱為多元羧酸。 ^[12] 

羧酸常用俗名和系統命名。常用俗名往往是由其來源而得，如干餾螞蟻得到蟻酸（甲酸），從制食用醋中得到醋酸（乙酸）。 ^[11] 

羧酸的系統命名原則與醛相似。 ^[11] 

⒈飽和一元脂肪酸的命名 ^[11] 

⑴選擇含羧基在內的最長碳鏈作為主鏈，根據主鏈碳原子的數目稱為某酸。 ^[11] 

⑵從羧基碳原子開始用阿拉伯數字對主鏈碳原子依次編號，也常用希臘字母，把與羧基直接相連的碳原子的位置定為α位，依次為β、γ等。 ^[11] 

⑶有側鏈或取代基時，將其位次、數目和名稱寫於“某酸”之前。 ^[11] 

⒉飽和多元脂肪酸的命名飽和二元酯肪酸的命名是選擇含有兩個羧基的最長碳鏈作為主鏈，稱為某二酸。例如： ^[11] 

HOOC-COOH乙二酸（草酸）HOOC-CH₂CH₂-COOH丁二酸（琥珀酸） ^[11] 

3.脂環族和芳香族羧酸命名，把脂環和芳環看做取代基，以脂肪族羧酸作為母體進行命名。 ^[11] 

羧酸的官能團是羧基，是由羰基和羥基（-OH）相連而成的。但羧酸的性質並不是羰基和羥基性質的加合，而是具有羧基自身的性質。雜化軌道理論認為，羧基中的碳原子是以Sp²雜化的。碳原子的3個Sp²雜化軌道分別與2個氧原子、1個羥基的碳原子或1個氫原子形成3個σ鍵，並處於同一平面上。羧基碳原子上未參與雜化的p軌道與羰基氧原子上的p軌道從側面平行重疊形成∏鍵。羥基中的氧原子上有一對未共用電子對，可與π鍵形成p-π共軛體系。 ^[13] 

在p-π共軛體系中，電子的離域使羥基氧原子上的電子雲向羰基轉移，導致羥基氧上的電子雲密度有所降低，羰基碳上的電子雲密度有所增加。因此，p-π共軛效應的結果，使氧氫間電子雲更偏向氧原子，增強了氧氫鍵的極性，有利於羥基中氫原子的解離，故羧酸表現出明顯的酸性；並且羰基碳與其相連的兩個氧原子間的鍵長趨於平均化，其正電性減弱，所以羰基的性質不明顯，不易與親核試劑（如HCN、NaHSO₃等）發生加成反應。 ^[13] 

常温下，在飽和一元酯肪酸中，甲酸、乙酸、丙酸為具有強烈刺激性氣味的無色液體，含4-9個碳原子的羧酸為具有腐敗氣味的油狀液體，癸酸以上為蠟狀固體。二元羧酸和芳香酸都是結晶性固體。羧酸的沸點隨着相對分子質量的增加而升高。羧酸的沸點比相對分子質量相近的醇為高，如甲酸和乙醇的相對分子質量相同，甲酸的沸點為100.5℃，乙醇的沸點為78.5℃。這是由於羧酸分子間可以形成兩個氫鍵，而且締合成雙分子二聚體，低級的羧酸甚至在氣態下即締合成二聚體。 ^[14] 

一元酯肪族羧酸隨碳原子數增加，水溶性降低。低級羧酸可與水混溶，高級一元羧酸不溶於水，但能溶於有機溶劑。多元羧酸的水溶性大於相同碳原子的一元酸。 ^[14] 

根據羧酸的結構特點，羧酸應具有下列主要的化學性質。 ^[15] 

⒈羧酸顯酸性，是由於羧基中的p-π共軛效應的影響，使羥基氧原子上的電子雲密度降低，從而增強了氫氧鍵的極性，易於解離出質子。解離後生成的羧基負離子，由於氧上的負電荷通過p-π共軛而得到分散，使其穩定性增加。 ^[15] 

羧酸一般都是弱酸，其酸性強弱可以用pKa來表示，通常羧酸的pKa在3-5之間，比強的無機酸弱，但比酚類（苯酚的pKa為9.96）、碳酸（pKa為6.38）要強，因此羧酸能與氫氧化鈉、碳酸鈉等反應生成羧酸鹽，也能與碳酸氫鈉反應，同時生成二氧化碳，而酚則不能發生此反應。 ^[15] 

R-COOH+NaOH→R-COONa+H₂O ^[17] 

2R-COOH+Na₂CO₃→2R-COONa+CO₂↑+H₂O ^[15] 

R-COOH+NaHCO₃→R-COONa+CO₂↑+H₂O ^[15] 

羧酸的鈉鹽、鉀鹽和銨鹽一般易溶於水，製藥工業中常利用此性質，將水溶性差的藥物轉變成易溶於水的羧酸鹽，以便製備注射劑使用。例如含有羧基的青黴素G的水溶性極差，轉變成鉀鹽或鈉鹽後水溶性增大，便於臨牀使用。 ^[15] 

⒉羧基中羥基的取代反應 ^[2] 

羧基中的羥基在一定條件下，可被羥氧基（-OR）、鹵素（-X）和酰氧基取代，分別生成酯、酰滷和酸酐等羧酸衍生物。 ^[2] 

（1）酯的生成：羧酸與醇在強酸（如硫酸等）催化下，生成酯和水的反應，稱為酯化反應。該反應是羧酸分子中羧基上的羥基與醇分子中羥基上的氫原子結合生成水，其餘部分結合生成酯。 ^[2] 

（2）酰滷的生成：羧酸和磷的鹵化物（如五氯化磷、三氯化磷和氯化亞碸等）發生反應生成酰滷。 ^[2] 

（3）酸酐的生成：一元羧酸除甲酸外與脱水劑（如五氧化二磷等）共熱，兩個分子羧酸間脱去1個分子水生成酸酐。 ^[2] 

同理，某些二元羧酸加熱，也發生分子內脱水，生成較穩定的具有五元或六元環的酸酐。 ^[2] 

⒊α-氫的滷代反應 ^[2] 

羧酸分子中的α-氫與醛酮分子中的α-氫相似，受到羧基吸電子作用的影響，具有一定的活潑型。但因羧基中的p-π共軛效應，其致活作用比羰基弱。例如在少量紅磷等催化劑的存在下，羧酸分子中的α-氫可被鹵素取代，生成α-滷代酸，且α-氫是逐步被取代的。 ^[2] 

⒋脱羧反應 ^[2] 

羧酸分子經加熱脱去羧基放出二氧化碳的反應稱為脱羧反應。通常一元酯肪羧酸比較穩定，不易發生脱羧反應。但在特殊的條件下，如鹼石灰（NaOH+CaO）與乙酸鈉共熱，則可脱羧生成甲烷。 ^[2] 

芳香羧酸比較容易脱羧，由於苯環與羧基之間的吸電子作用，有利於羧基與苯環之間的鍵斷裂，尤其是2，4，6-三硝基苯甲酸更容易脱羧而形成1，3，5-三硝基苯。 ^[2] 

脱羧反應在生物體內的許多生化反應中佔有重要地位，此反應在生物體內脱羧酶作用下進行的。 ^[2] 

⒌二元羧酸的熱解反應 ^[2] 

二元羧酸除可以發生羧基的所有反應外，由於分子中兩個羧基的相互影響，具有某些特殊性質。二元羧酸對熱不穩定，當加熱這類羧酸時，隨着兩個羧基間碳原子數的不同，可發生不同的反應。有的發生脱羧反應，有的發生脱水反應，有的脱羧反應與脱水反應同時進行。 ^[2] 

⑴脱羧反應：乙二酸、丙二酸受熱時，發生脱羧反應，生成少1個碳原子的一元羧酸。 ^[2] 

⑵脱水反應：丁二酸、戊二酸加熱時分子內不發生脱羧反應而發生脱水反應，生成環狀的酸酐。 ^[2] 

⑶同時脱羧脱水反應：己二酸、庚二酸在氫氧化鋇存在下加熱時，則分子內脱水和脱羧生成環酮。 ^[2] 

例如：含8個以上碳原子的酯肪二元酸受熱時，不能發生上述反應生成大於六元的環酮，而是分子間脱水，生成高分子鏈狀的縮合酸酐。這説明，在有可能形成環狀化合物的條件下，都有一種形成張力較小的五元環或六元環的趨勢。 ^[2] 

1.水或鹼水提取 ^[16] 

有機酸在天然藥物中一般以鹽的形式存在，故可用水或稀鹼液提取，提取液經酸化後，得到遊離的有機酸，若其水溶性較小即可析出。 ^[16] 

2.有機溶劑提取 ^[16] 

大多數遊離有機酸難溶於水， 故可用乙醚、石油醚及環已烷等親脂性有機溶劑提取。因為有機酸在植物體內多以鹽的形式存在的，故可先酸化使有機酸遊離後提取， 提取液鹼化，有機酸成鹽轉入鹼水層，分出鹼水層後酸化，再用有機溶劑萃取，可得較純的總有機酸。 ^[16] 

由於有機酸在水中或稀鹼液中能解離出離子，故可採用離子交換樹脂與非離子型化合物分離。若要得到較純的單體有機酸，需要進步結合分步結晶、色譜法等方法分離。 ^[16] 

1.溴酚藍試驗 ^[16] 

將含有有機酸的提取液滴在濾紙上，滴加0.1%溴酚藍試劑，在藍色背景上顯黃色斑點。 ^[16] 

2.芳香胺-還原糖試驗 ^[16] 

將試樣滴在濾紙上，滴加苯胺和木質糖的乙醇溶液，加熱，顯棕色斑點。 ^[16] 

1.薄層色譜 ^[16] 

常用的固定相為聚酰胺或者硅膠，展開劑為95%乙醇或者三氯甲烷-甲醇（1:1），顯色劑為0.05%澳酚藍水溶液。 ^[16] 

2.紙色譜 ^[16] 

常用的展開劑為正丁醇-醋酸-水（4:1:5上層，BAW） 或者正丁醇-吡啶-二氧六烷-水（14:4:1:1），顯色劑為0.05%溴酚藍乙醇溶液。 ^[16]