一、氧代酸的构造及命名

分子中含有醛基或酮基的羧酸分别叫做醛酸或酮酸。最简单的醛酸是乙醛酸,最简单的酮酸是丙酮酸。

醛酸和酮酸的系统命名是以羧酸为母体,以包括羧基及醛基(或酮基)碳原子都在内的最长碳链作为主链,称为某酸,氧原子作为取代基并指出其位置。例如:

第二节 氧代酸(当前章节内容组合) - 图1

有些酮酸尚有医学上的习惯名称,例如丙酮酸、乙酰乙酸及α-酮戊二酸等,它们都是与人体代谢有重要关系的化合物。

二、氧代酸的化学性质

(一)羧基的性质

醛酸和酮酸都含有羧基,具有羧基的基本性质,如酸性、成盐、成酯及生成酰卤等。

(二)羰基的性质

醛酸含有醛基,具有醛基的基本性质,酮酸也同样,都能发生还原应。

第二节 氧代酸(当前章节内容组合) - 图2

(三)α-酮酸及β-酮酸的特殊反应

α-酮酸与稀硫酸共热时,脱羧后的主产物是醛。

第二节 氧代酸(当前章节内容组合) - 图3

β-酮酸不稳定,受热时很容易脱羧成酮。

第二节 氧代酸(当前章节内容组合) - 图4

三、酮式-烯醇式互变异构现象

乙酰乙酸乙酯(CH3COCH2COOC2H5)是β-酮酸——乙酰乙酸的酯。它不同于β-酮酸,比较稳定。乙酰乙酸乙酯是无色有香味的液体,沸点180.4℃,微溶于水,易溶于乙醇、乙醚及大多数有机溶剂。它是有机合成的重要原料。

乙酰乙酸乙酯具有酮和羧酸酯的基本性质,能与HCN,NaHSO3,羟胺及苯肼反应,以稀NaOH水解为乙酰乙酸和乙醇。此外,乙酰乙酸乙酯还能使溴溶液裉色,与金属钠作用放出氢气,与FeCL3呈紫红色。这些性质表明乙酰乙酸乙酯还应具有烯醇式构造。

第二节 氧代酸(当前章节内容组合) - 图5

实际上,乙酰乙酸乙酯是其酮式构造与烯醇式构造的平衡混合物。在水溶液中,酮式占优势。

如将此平衡混合物溶解在石油醚中,冷至-78℃,可以得到酮式的晶体。如将平衡混合物与金属钠反应生成的烯醇钠,在-78℃,可以得到酮式的晶体。但是,无论是将酮式的晶体或烯醇式的油状液放置一定时间,或用适当溶剂溶解后再放置,都将成为酮式与烯醇式的平衡混合物。

乙酰乙酸乙酯的酮式与烯醇式是构造异构体,二者的差别仅在于一个双键及一个质子的位置不同。在酮式中是C=O双键,质子连在羧酸酯基的α碳上;在烯醇式中是C=C双键,质子连在羧酸酯基的β碳所连的羟基中。酮式与烯醇式之间很容易相互转化,只要有痕量的酸或碱,甚至玻璃容器的器壁,都能促其转变,建立平衡。因此,把这种构造异构现象叫做互变异构。乙酰乙酸乙酯的酮式与烯醇式异构称为酮式-烯醇式互变异构。

凡含 α-H碳基化合物都有酮式-烯醇式互变异构。酮式与烯醇式的比例与其分子构造及介质等有关。在醛或酮中也有酮式-烯醇式互变异构平衡存在,羰基的α-H作为质子转移,不过在平衡混合物中,烯醇所占的比例太小。

第二节 氧代酸(当前章节内容组合) - 图6

在1,3-二羰基化合物中,烯醇式的比例大大增加,例如,2,4-戊二酮(乙酰丙酮)的水溶液中含16%的烯醇,而其己烷溶液中,烯醇式占92%。

第二节 氧代酸(当前章节内容组合) - 图7

1,3-二酮含有大量烯醇式的原因有二:一是π电子云的离域使烯醇式比较稳定,二是生成的烯醇能借分子内氢键形成六元环。

乙酰乙酸乙酯的烯醇式也能形成分子内氢键,同时与羧酸酯基中的 形成共轭体系,因而也有较多的烯醇式。由于酮基对α-H的作用强于羧酸酯基中的 ,所以α-H移向酮基而不移向羧酸酯基。

第二节 氧代酸(当前章节内容组合) - 图8

四、个别氧代酸

(一)丙酮酸

丙酮酸CH3COCOOH是无色具刺激性臭味的液体,沸点167℃,能与水混溶。其酸性强于丙酸及乳酸。丙酮酸及其烯醇式(烯醇式丙酮酸第二节 氧代酸(当前章节内容组合) - 图9

)是人体糖代谢的重要中间产物。在酶的作用下,丙酮酸可还原为乳酸,也可以脱羧为乙醛。

(二)乙酰乙酸

乙酰乙酸CH3COCH2COOH是无色粘稠液体,不稳定,很易脱羧为丙酮,也能还原为β-羟基丁酸。乙酰乙酸、β-羟基丁酸及丙酮是脂肪酸在人体内不完全氧化的中间产物,合称为酮体。正常情况下,人血中酮体的含量很少(0.8-5mg/100ml)。正常人每昼夜从尿中排出约40mg酮体。在某些情况下,例如饥饿、糖尿病等,血液中酮体的含量增加(300-400mg/100ml)。由于乙酰乙酸及β-羟基丁酸的酸性,会使血液的PH值下降乃至引起酸中毒。

(三)草酰乙酸

草酰乙酸HOOCCH2COCOOH是能溶于水的晶体,具有一般二元酸及酮的性质,也有酮式-烯醇式互变异构:它也是人体内糖代谢的中间产物。

第二节 氧代酸(当前章节内容组合) - 图10

(四)α-酮戊二酸

α-酮戊二酸HOOCCOCH2CH2COOH是晶体,熔点109-111℃,溶于水。它具有α-酮酸的一般性质,也是人体内糖代谢的中间产物。