Carboxylic acids and derivatives

歡迎來到第 33 章：羧酸及其衍生物！

你好，未來的化學家！本章將深入探討 A-Level 有機化學的一個基礎領域：含有羧基（$\text{COOH}$）的化合物。這些分子無處不在，從你廚房裡的白醋到被螞蟻咬傷後的灼痛感，背後都有它們的蹤影。

我們將探討這些化合物是如何製備的，比較它們與其他有機分子相比強大的酸性，並研究它們反應性極強的「親戚」：酯和醯氯。如果覺得反應機理看起來很複雜，別擔心——我們會一步步拆解這些反應！

18.1 羧酸 (RCOOH)

結構與性質

羧酸的定義是含有羧基官能團（$\text{–COOH}$）。這個官能團是由羰基（$\text{C=O}$）和羥基（$\text{–OH}$）結合而成的混合體。

• 命名法： 將對應烷烴名稱末尾的「-e」替換為「-oic acid」（例如：Ethane $\to$ Ethanoic acid，即乙烷 $\to$ 乙酸）。
• 分子間作用力： 羧酸分子間能形成兩個氫鍵，在液態和固態下形成穩定的二聚體（雙分子結構）。
• 關鍵重點： 由於透過兩個氫鍵進行二聚作用，羧酸的熔點和沸點比大小相近的醇或醛要高得多。

A. 羧酸的製備

1. 伯醇或醛的氧化 (課程綱要 33.1.1(a))

要製備羧酸，必須將伯醇或醛完全氧化。

試劑與條件：

• 試劑： 酸性重鉻酸鉀(VI) ($\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$/$\text{H}^+$) 或酸性高錳酸鉀(VII) ($\text{KMnO}_4$/$\text{H}^+$)。
• 條件： 回流 (Reflux)（將混合物與冷凝管加熱）至關重要，這能確保中間產物醛不會被蒸餾出來，而是能被完全氧化成羧酸。

例子：丙-1-醇氧化成丙酸。
$$\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{OH} + 2[\text{O}] \xrightarrow{\text{acidified } \text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7, \text{ reflux}} \text{CH}_3\text{CH}_2\text{COOH} + \text{H}_2\text{O}$$

2. 腈的水解 (課程綱要 33.1.1(b))

腈（$\text{RCN}$）在酸性或鹼性條件下水解（被水分解）可生成羧酸（經由其鹽類）。

試劑與條件：

• 酸性水解： 稀酸（例如 $\text{H}_2\text{SO}_4$ 或 $\text{HCl}$）並回流。 $$\text{RCN} + 2\text{H}_2\text{O} + \text{H}^+ \xrightarrow{\text{heat}} \text{RCOOH} + \text{NH}_4^+$$
• 鹼性水解： 稀鹼（例如 $\text{NaOH}$）並回流，隨後進行酸化（$\text{H}^+$）。這會先生成鈉鹽，然後轉化為游離羧酸。 $$\text{RCN} + \text{OH}^- + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{heat}} \text{RCOO}^- \text{Na}^+ + \text{NH}_3$$ $$\text{RCOO}^- + \text{H}^+ \to \text{RCOOH}$$

3. 酯的水解 (課程綱要 33.1.1(c))

酯是羧酸的衍生物。將它們分解（水解）可重新生成原來的酸和醇。

試劑與條件： 稀酸或稀鹼，並加熱。（與 18.2.2 節中的酯類章節相同）。

B. 羧酸的反應 (33.1.2 & 33.1.5)

1. 酸性反應 (33.1.2(a)-(c))

羧酸是弱酸，但它們表現出所有酸的經典反應：

• 與活潑金屬（$\text{Na}$）反應： 生成鹽和氫氣（$\text{H}_2$）。
  $2\text{RCOOH} + 2\text{Na} \to 2\text{RCOO}^-\text{Na}^+ + \text{H}_2$
• 與鹼（$\text{NaOH}$）反應： 中和反應，生成鹽和水。
  $\text{RCOOH} + \text{NaOH} \to \text{RCOO}^-\text{Na}^+ + \text{H}_2\text{O}$
• 與碳酸鹽/碳酸氫鹽（$\text{Na}_2\text{CO}_3$）反應： 生成鹽、水和二氧化碳（$\text{CO}_2$）。這是一個關鍵的測試！與酚或醇不同，羧酸的酸性足以與碳酸鹽反應。
  $2\text{RCOOH} + \text{Na}_2\text{CO}_3 \to 2\text{RCOO}^-\text{Na}^+ + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2$

2. 轉化為酯（酯化反應） (33.1.2(d))

與醇反應。這是一種可逆的縮合反應。

• 試劑： 醇（$\text{ROH}$）
• 催化劑/條件： 濃 $\text{H}_2\text{SO}_4$ 作為催化劑，並加熱。

$$\text{RCOOH} + \text{R}'\text{OH} \rightleftharpoons \text{RCOOR}' + \text{H}_2\text{O}$$

3. 還原反應 (33.1.2(e))

羧酸可被還原回伯醇。

• 試劑： 強還原劑，氫化鋁鋰（$\text{LiAlH}_4$）。
• 條件： 在無水醚中進行，隨後與稀酸反應。
• 注意： $\text{LiAlH}_4$ 非常危險，與水或醇反應劇烈。像 $\text{NaBH}_4$ 這樣的簡單還原劑強度不足以還原羧酸。

4. 轉化為醯氯 (33.1.3)

羧酸可以轉化為高反應性的醯氯（詳見 18.3 節）。

• 試劑： 五氯化磷（$\text{PCl}_5$）、三氯化磷（$\text{PCl}_3$）並加熱，或氯化亞碸（$\text{SOCl}_2$）。 $$\text{RCOOH} + \text{SOCl}_2 \to \text{RCOCl} + \text{SO}_2 + \text{HCl}$$

C. 酸性比較 (課程綱要 33.1.4 & 33.1.5)

我們必須比較羧酸、酚和醇的酸性。酸性透過分子解離程度（$\text{R-H} \rightleftharpoons \text{R}^- + \text{H}^+$）來衡量。陰離子（$\text{R}^-$）越穩定，酸性就越強。

解釋：陰離子的穩定性

1. 羧酸根離子（$\text{RCOO}^-$）： 由於鄰近的 $\text{C=O}$ 基團，負電荷在兩個氧原子之間擴散（離域）。這產生了兩個等價的共振結構，使得離子高度穩定，因此其母體酸性較強。
2. 苯氧根離子（$\text{C}_6\text{H}_5\text{O}^-$）： 氧上的負電荷可以部分離域到苯環中。這種穩定作用不如在羧酸根離子中有效，這使得酚的酸性弱於羧酸。
3. 烷氧根離子（$\text{RO}^-$）： 烷基（$\text{R}$）具有供電效應。它將電子密度推向原本帶負電的氧原子，集中電荷並導致離子不穩定。這使得醇成為最弱的酸。

取代基的影響（氯取代酸） (33.1.5)

取代基透過誘導效應影響羧酸根離子的穩定性。

• 吸電子基團 (EWGs)（例如 Cl、F、$\text{NO}_2$）：這些基團從羧基拉走電子密度，有助於分散負電荷並增加穩定性。

  $\implies$ 吸電子基團會增加酸性。

  例子： 氯乙酸（$\text{ClCH}_2\text{COOH}$）的酸性強於乙酸（$\text{CH}_3\text{COOH}$）。
• 給電子基團 (EDGs)（例如烷基 R）：這些基團將電子密度推向羧基，降低穩定性。

  $\implies$ 給電子基團會降低酸性。

18.2 酯 (RCOOR')

酯類以其甜美的水果氣味而聞名（你知道嗎？ 香蕉、鳳梨和蘋果的氣味通常來自不同的酯類！）。

A. 酯的生產（酯化反應） (課程綱要 33.2.1)

1. 羧酸 + 醇 (AS 複習, 33.1.2(d))

正如上面所複習的，將羧酸和醇與濃 $\text{H}_2\text{SO}_4$ 催化劑加熱即可產生酯。

2. 醯氯 + 醇 (33.2.1(a))

這是 A-Level 首選的方法，因為它反應速度快得多，且是不可逆的（無平衡）。

• 試劑： 醯氯（$\text{RCOCl}$）和醇（$\text{R}'\text{OH}$）。
• 條件： 室溫。無需催化劑。 $$\text{RCOCl} + \text{R}'\text{OH} \to \text{RCOOR}' + \text{HCl}$$

例子： 乙醯氯 + 乙醇 $\to$ 乙酸乙酯 + $\text{HCl}$

課程要求使用乙酸乙酯和苯甲酸苯酯作為例子。苯甲酸苯酯是由苯甲醯氯（$\text{C}_6\text{H}_5\text{COCl}$）與苯酚（$\text{C}_6\text{H}_5\text{OH}$）反應形成的。

B. 酯的水解 (33.2.2)

水解是酯化的逆反應，通過打破酯鍵重新生成酸和醇。

1. 酸性水解（稀酸和加熱）

反應是可逆的。酸催化劑（$\text{H}^+$）攻擊羰基上的氧原子。

$$\text{RCOOR}' + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{dilute acid, heat}} \text{RCOOH} + \text{R}'\text{OH}$$

2. 鹼性水解（皂化反應）（稀鹼和加熱）

此反應使用鹼（如 $\text{NaOH}$）且是不可逆的。

• 產物是羧酸的鹽和醇。
• 由於酸是以鹽的形式（$\text{RCOO}^-$）生成的，它無法與醇反應重新形成酯，使反應徹底完成（不可逆）。

$$\text{RCOOR}' + \text{NaOH} \xrightarrow{\text{heat}} \text{RCOO}^-\text{Na}^+ + \text{R}'\text{OH}$$

類比： 皂化就是製造肥皂的方法！脂肪（甘油的酯）與鹼一起煮沸，產生鈉鹽（肥皂）和甘油（一種醇）。

18.3 醯氯 (RCOCl)

醯氯（也稱為酸氯）是羧酸衍生物中反應性最強的。它們在合成中極其有用，因為它們在溫和條件下反應迅速。

A. 醯氯的生產 (33.3.1)

醯氯是通過將羧酸的（$\text{–OH}$）基團替換為（$\text{–Cl}$）原子製成的。

試劑：

• 氯化亞碸（$\text{SOCl}_2$）： 最好的選擇，因為氣態副產物（$\text{SO}_2$ 和 $\text{HCl}$）很容易除去。
• 五氯化磷（$\text{PCl}_5$）或三氯化磷（$\text{PCl}_3$ 並加熱）。

B. 特徵反應：親核加成-消除 (33.3.2 & 33.3.3)

醯氯具有極高的反應性，因為羰基碳原子是強烈的親電中心（$\delta+$）。這是由於氧原子和氯原子的吸電子效應所致。

醯氯透過兩步過程與親核試劑（$\text{Nu}^-$）發生反應：親核加成-消除。

分步機理（加成-消除）：

1. 加成： 親核試劑（$\text{Nu}^-$，例如水、醇、氨）攻擊親電性的羰基碳。$\pi$ 鍵斷裂，形成帶負電的四面體中間體。
2. 消除： $\text{C=O}$ 雙鍵重整，氯原子（一個很好的離去基團）作為 $\text{Cl}^-$ 被消除。
3. 最後，親核試劑通常會失去一個質子（$\text{H}^+$），形成最終穩定的產物和 $\text{HCl}$。

C. 乙醯氯（$\text{CH}_3\text{COCl}$）的反應 (33.3.2)

所有反應在室溫下迅速發生，並釋放出 $\text{HCl}$ 煙霧。

1. 水解（與水反應） (33.3.2(a))

• 親核試劑： $\text{H}_2\text{O}$
• 產物： 羧酸（$\text{RCOOH}$）
• $$\text{RCOCl} + \text{H}_2\text{O} \to \text{RCOOH} + \text{HCl}$$

2. 與醇反應 (33.3.2(b))

• 親核試劑： 醇（$\text{R}'\text{OH}$）
• 產物： 酯（$\text{RCOOR}'$）
• $$\text{RCOCl} + \text{R}'\text{OH} \to \text{RCOOR}' + \text{HCl}$$

3. 與苯酚反應 (33.3.2(c))

• 親核試劑： 苯酚（$\text{C}_6\text{H}_5\text{OH}$）
• 產物： 苯酯（例如 乙酸苯酯）
• $$\text{RCOCl} + \text{C}_6\text{H}_5\text{OH} \to \text{RCOOC}_6\text{H}_5 + \text{HCl}$$

4. 與氨反應 (33.3.2(d))

• 親核試劑： 氨（$\text{NH}_3$）
• 產物： 醯胺（$\text{RCONH}_2$）。通常需要兩摩爾的 $\text{NH}_3$（一個用於親核反應，一個用於中和生成的 $\text{HCl}$）。
• $$\text{RCOCl} + 2\text{NH}_3 \to \text{RCONH}_2 + \text{NH}_4\text{Cl}$$

5. 與伯胺或仲胺反應 (33.3.2(e))

• 親核試劑： 伯胺（$\text{R}'\text{NH}_2$）或仲胺（$\text{R}'_2\text{NH}$）。
• 產物： 取代醯胺。
• $$\text{RCOCl} + 2\text{R}'\text{NH}_2 \to \text{RCONHR}' + \text{R}'\text{NH}_3^+\text{Cl}^-$$

D. 氯化物的相對反應性 (33.3.4)

我們需要比較三種有機氯化物對水解（親核攻擊）的反應性：

1. 醯氯（$\text{RCOCl}$）
2. 鹵代烷（$\text{RCl}$，或烷基氯）
3. 鹵代芳烴（$\text{ArCl}$，或芳基氯）

1. 醯氯反應性最強

• 羰基（$\text{C=O}$）和氯原子都具有很強的吸電子能力。
• 這在碳上產生了巨大的部分正電荷（$\delta+$），使其成為強大的親電中心。
• $\text{C-Cl}$ 鍵容易斷裂，因為親核試劑容易攻擊，導致穩定的四面體中間體形成（加成-消除）。

2. 鹵代烷（烷基氯）

• $\text{C-Cl}$ 鍵是極性的（$\text{C}^{\delta+}-\text{Cl}^{\delta-}$），允許發生親核取代（$\text{S}_{\text{N}}1$ 或 $\text{S}_{\text{N}}2$）。
• 然而，只有一個吸電子原子（Cl），因此碳上的 $\delta+$ 電荷比醯氯中小得多。水解它們需要與稀 $\text{NaOH}$ 加熱。

3. 鹵代芳烴（芳基氯，如氯苯）反應性最差

氯原子上的孤對電子部分離域到了苯環的 $\pi$ 體系中。

• 這種離域賦予 $\text{C-Cl}$ 鍵部分雙鍵性質。
• 因此，該鍵比鹵代烷中的單 $\text{C-Cl}$ 鍵更強、更短。
• 親核試劑很難攻擊並打破這種強鍵，因此鹵代芳烴即使在加熱下也完全抵抗親核取代/水解。

D. 甲酸和乙二酸的氧化 (33.1.3)

雖然大多數羧酸對進一步氧化有抵抗力，但這兩種特殊的酸可以被氧化，因為它們具有使其易受攻擊的結構特徵。

1. 甲酸（$\text{HCOOH}$）

甲酸很獨特，因為它既含有羧基，又具有醛基（$\text{H-C=O}$）的特徵。

• 它可以被氧化為 $\text{CO}_2$ 和 $\text{H}_2\text{O}$。
• 試劑： 就像醛一樣，它與溫和的氧化劑發生積極反應：
  • 斐林試劑（從藍色變為磚紅色沉澱）。
  • 托倫試劑（形成銀鏡）。
  • 酸性 $\text{KMnO}_4$ 或 $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$。
• 反應：$\text{HCOOH} + [\text{O}] \to \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}$

2. 乙二酸（$\text{HOOCCOOH}$）

乙二酸（草酸）是一種二元羧酸，可被溫熱的酸性 $\text{KMnO}_4$ 氧化產生二氧化碳和水。

• 草酸根離子（$\text{C}_2\text{O}_4^{2-}$）常被用於對抗高錳酸根離子的氧化還原滴定。

$5\text{C}_2\text{O}_4^{2-} + 2\text{MnO}_4^- + 16\text{H}^+ \to 10\text{CO}_2 + 2\text{Mn}^{2+} + 8\text{H}_2\text{O}$