第10章 羟基酸和酮酸
本章重点介绍羟基酸和酮酸命名，相互影响的性质、酸性；脱水反应；转氨作用；脱羧反应；酮酸分解反应；醇酸和酮酸的体内化学过程；前列腺素的结构；酮式-烯醇式互变异构等。
羧酸分子中烃基上的氢原子被其他原子或原子团取代所形成的化合物称为取代羧酸（substituted carboxylic acid）。根据取代基的种类不同，取代羧酸可分为卤代羧酸（halogeno acid）、羟基酸（hydroxy acid）、羰基酸（carbonyl acid）以及氨基酸（amino acid）等几类；羟基酸又可分为醇酸（alcoholic acid）和酚酸（phenic acid），羰基酸又可分为醛酸（aldehydo acid）和酮酸（keto acid）。
取代羧酸分子中除含羧基外，还含其它官能团，因此它是一类具有复合官能团的化合物。各官能团除具有其特有的典型性质外，由于不同官能团之间的相互影响，还具有某些特殊反应和生物活性。卤代酸不作专题介绍，氨基酸将在第17章中讨论，本章只讨论羟基酸和酮酸。
羟基酸广泛存在于动植物体内，它们中有的是动植物体内进行生命活动的物质，有的是合成药物的原料，有的可作为食品的调味剂。酮酸是人体内糖、脂肪和蛋白质等代谢过程中产生的中间产物。因此在有机合成及生物代谢中羟基酸和酮酸都是极其重要的化合物。
你在学完本章以后，应该能够回答以下问题：
1． 氨基酸的结构特点是什么？可分为几类？如何命名？ 2． 酸的结构特点分别是什么？可分为几类？如何命名？ 3． 羟基酸和酮酸的重要化学性质是什么？ 4． 哪些因素影响羟基酸酸性？
5． α-酮酸的分解为什么比β-酮酸难解？
6． 何为酮式—烯醇式互变异构现象？酮式—烯醇式互变异构现象产生的原因及条件是什么？
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7． α-酮酸氨基化反应的生物学意义是什么？
10．1 羟基酸的结构和命名
温习提示：羧酸的命名及结构
羟基酸是分子中既含有羟基又含羧基两种官能团的化合物。羟基连接在脂肪烃基上的羟基酸称为醇酸（alcoholic acid），连接在芳环上的羟基酸称为酚酸（phenolic acid）。
醇酸的系统命名：以羧酸为母体，羟基为取代基，并用阿拉伯数字或希腊字母α、β、γ等标明羟基的位置。一些来自自然界的羟基酸多采用俗名。例如：
CH3CHCOOHOHHOCHCOOHCH2COOH
α-羟基丙酸（2-羟基丙酸）
羟基丁二酸
（2-hydroxy-propanic acid） hydroxybutanedioic acid
乳酸（lactic acid） 苹果酸 （malic acid）
CH2COOHHOCHCOOHHOCCOOHCH2COOH
HOCHCOOH2，3-二羟基丁二酸 2-羟基-1，2，3-丙三羧酸 2，3-dihydroxysuccinic acid 2-hydroxy-1，2，3-propanetricarboxylic acid
酒石酸（tartaric acid） 柠檬酸（citric acid）
酚酸的命名：以芳香酸为母体，标明羟基在芳环上的位置。例如：
OHOHHOCOOHCOOHCOOH邻-羟基苯甲酸 间-羟基苯甲酸 对-羟基苯甲酸
o-hydroxybenzoic acid m-hydroxybenzoic acid p-hydroxybenzoic acid
水杨酸（salicylic acid）
COOHCOOH
HOOH
OHOHOH3，4，5-三羟基苯甲酸 3，4-二羟基苯甲酸 3,4,5-trihydroxybenzoic acid 3,4-dihydroxybenzoic acid 没食子酸（gallic acid） 原儿茶酸（protocatechuic acid）
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问题10-1 写出下列化合物的结构式：
（1）β-羟基丁酸 （2）（2R,3R）-酒石酸 （3）水杨酸甲酯 （4）苹果酸 （5）乙酰水杨酸 （6）对-氨基水杨酸
10．2 羟基酸的物理性质
醇酸在常温下多为晶体或粘稠的液体，熔点比相同碳原子数的羧酸高。由于分子中羟基和羧基都易溶于水，因此醇酸在水中的溶解度较相应碳原子数的醇和羧酸大，多数醇酸具有旋光性。酚酸都是晶体，有的微溶于水，有的易溶于水，多以盐、酯或糖苷的形式存在于植物中。重要羟基酸的物理性质见表10-1所示。
表10-1重要羟基酸的物理性质
名称 （±）－乳酸 （±）－苹果酸 meso-酒石酸 （±）－酒石酸
柠檬酸 水杨酸
* 为
熔点/℃ 18 128.5 146~148 206 153 159
比旋光度
0 0 0 0
???tD
溶解度/g ∞ 144 140 206
pKa （℃） 3.87（25） 3.40* （25） 3.11* （25） 2.96* （25） 3.15* （25）
2.98
133
微溶于冷水,易溶于热水
pK1值
10．3 羟基酸的化学性质
温习提示：羧酸、醇和酚的化学性质，诱导效应，共轭效应。
羟基酸因分子中含有羧基而具有羧酸的典型反应,如酸性，可与碱成盐、与醇成酯反应等；分子中含有羟基而具有醇、酚的典型反应，如醇羟基可以被氧化、酯化和酰化反应等；酚羟基有弱酸性，能与FeCl3呈颜色反应。此外，由于羟基和羧基共存于同一分子中，二者相互影响而使羟基酸具有特殊性质，而且这些特殊性质因两官能团的相对位置不同又表现出明显的差异。
10．3．1 酸性
由于羟基的吸电子效应，使醇酸的酸性强于相应的羧酸。因为诱导效应随碳链增长而迅速减弱，故醇酸的酸性随羟基与羧基的距离增大而减弱。例如：
HOCH2COOH > CH3CH（OH）COOH > HOCH2CH2COOH >CH3COOH
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pKa 3.83 3.87 4.51 4.76
酚酸与相应母体芳香酸比较，其酸性随羟基与羧基的相对位置不同而表现出明显的差异。酚酸的酸性受诱导效应、共轭效应和邻位效应等因素的影响。例如：
pKaCOOHOH3.00COOHCOOHCOOHHOOH4.124.174.54>>>
在上述各化合物中，水杨酸的酸性最强。这是因为羟基处于羧基邻位，由于空间拥挤，使羧基不能与苯环共平面，削弱了羧基与苯环之间的p-π共轭效应，减小了苯环上π电子云向羧基的偏移，使羧基氢原子较易离解，形成稳定的羧酸根负离子，这种现象称为邻位效应。此外，羟基与羧基能形成分子内氢键，增加了羧基中氧氢键的极性，利于氢解离，离解后的羧基负离子与酚羟基也能形成氢键，使这个负离子更加稳定，不易再与解离出的H+结合，因此其酸性比苯甲酸强。
OCOHOCO-OHOH+H+
水杨酸 水杨酸负离子
间–羟基苯甲酸不能形成分子内氢键，羟基在间位主要以吸电子诱导效应为主，由于羟基与羧基之间间隔了三个碳原子，作用较小，其酸性较苯甲酸略微增强。
在对–羟基苯甲酸分子中，由于羟基氧原子与苯环的p-π共轭效应大于其吸电子诱导效应，使羧基负离子稳定性降低，因此其酸性比苯甲酸弱。
10．3．2 醇酸的氧化反应
温习提示：醇的氧化。
..HO..OCOHα-醇酸分子中的羟基因受羧基吸电子效应的影响，比醇分子中的羟基易被氧化。如稀硝
酸一般不能氧化醇，但却能氧化醇酸生成醛酸、酮酸或二元酸。Tollens试剂不与醇反应，却能将α-羟基酸氧化成α-酮酸。例如：
CH CH CH COOH稀HNO332 OH
CH3CHCOOHOHTollens试剂?CH3COCH3COCOOH+ AgCH2COOH226
醇酸在体内的氧化通常是在酶催化下进行。
10．3．3 α-醇酸的分解反应
-2HRCHOHCOOH+2HRCOCOOHα-醇酸与稀硫酸共热时，由于羟基和羧基都有-I效应，使羧基和羟基之间的电子云密度
降低，有利于键的断裂，生成一分子醛或酮和一分子甲酸。例如：
10．3．4 醇酸的脱水反应
醇酸分子中，由于羧基和羟基之间的相互影响，使其对热较敏感，加热时很容易脱水。脱水的方式随着羟基与羧基位置的不同而异，生成不同的产物。
1．α-醇酸加热时分子间脱水生成交酯 α-醇酸加热时，两分子相互酯化，发生分子间的交叉脱水反应，生成六元环的交酯（lactide）。
CH3OOCHCHOH+HOO-2H2ORCHCOOHOH稀硫酸RCHO+HCOOHRRCCOOHOH稀硫酸RCOR+HCOOHOOH3COOCH3HOCCHCH3 α－羟基丙酸 丙交酯
交酯多为结晶物质，与其他酯类一样，与酸或碱的水溶液共热时，易水解成原来的醇酸。 ?．??醇酸加热时分子内脱水生成?，??不饱和羧酸 由于羧基和羟基的影响，??醇酸分子中的???比较活泼，受热时与??羟基脱水生成?，??不饱和羧酸。
CH3CHCHCOOHOHH??羟基丁酸????????????????????????????????丁烯酸
CH3CHCHCOOH+H2O3．γ-醇酸和δ-醇酸加热时分子内脱水形成内酯 γ-醇酸易发生分子内脱水，室温下失水成形成稳定的五元环内酯（lactone）。例如：?
??
CH2CH2COHOOO+ H2OCH2OHγ-羟基丁酸 γ-丁内酯(1，4-丁内酯)
因此游离的γ-醇酸很难存在，通常以盐的形式保存γ-醇酸。例如：?
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羟基酸和酮酸
