羧酸（carboxylic acid）是分子中含有羧基，并且具有酸性的一類有機化合物，其官能團是羧基（-COOH，carboxyl group）。羧酸根據分子中含羧基的個數，可分為一元酸、二元酸與多元酸；根據羧基所連烴基的種類，R為脂烴基或芳烴基，分別稱為脂肪酸或芳香酸；根據烴基是否飽和，可分為飽和酸和不飽和酸。羧酸在有機合成、生物代謝、臨床應用和食品加工中起著重要作用。
羧酸中低級脂肪酸是液體，可溶于水，有刺鼻氣味。中級脂肪酸是液體，部分溶于水，有難聞氣味。高級脂肪酸是蠟狀固體、無味、不溶于水。芳香酸是結晶固體，在水中溶解度不大。羧酸的沸點比分子量相當的烷烴、鹵代烴的沸點要高，甚至比相近分子量醇的沸點還高。羧酸的化學性質活潑，具有酸的通性，可發生取代反應，羧酸分子中的羥基可被鹵原子、羧酸根、烷[wán]氧基及氨基等取代；在強還原劑作用下，可被還原成醇。
羧酸在自然界中普遍存在，許多羧酸是動植物代謝的中間體，有些還參與動植物的生命活動，有明顯的生物活性和藥理學活性。如醋的運用的主要成分是冰醋，常用作酸度調節劑；苯甲酸的鈉鹽可作為食品防腐劑；高級脂肪酸鈉是肥皂的主要成分，用于去污去油；而DL-乳酸、丙酮酸、檸檬酸等則是人體代謝的中間產物。
羧酸毒性較小，特別是高級脂肪酸在生物體的組織中也存在，幾乎無毒，但低級及中級脂肪酸有刺激性、腐蝕性。且低級脂肪酸還是典型的惡臭物質，易污染環境。
結構
羧酸的官能團是羧基，羧基可以看作是由羰基和羥基組成的，但不是兩者的簡單加和。羧基中的碳為sp2雜化，3個sp2雜化軌道分別與羰[tāng]基氧原子、羥基氧原子及羰基碳原子（或氫原子）形成3個σ鍵。而羰基碳上未參與雜化的p軌道與羰基上的p軌道“肩并肩”重疊形成π鍵，羥基氧上的孤對電子與π鍵發生p-π共軛，使得電子發生離域，穩定性增強。
羧基中p-π共軛的結果：碳氧雙鍵與碳氧單鍵的鍵長趨向平均化；如X射線衍射證明在甲酸分子中，C=O雙鍵鍵長為123 pm，較醛、酮[tóng]中羰基鍵長（122 pm）有所增長，C-O單鍵鍵長為131 pm，較醇中的碳氧單鍵（143 pm）要短；在甲酸晶體中，兩個碳氧鍵鍵長均為127 pm。羰基碳的正電性降低，親核加成難度增加；羥基極性增大，羥基氫的酸性增強。
分類
根據羧酸中與羧基相連的烴基的種類不同，可分為脂肪酸和芳香酸。
根據烴基是否含有不飽和鍵，可分為飽和羧酸和不飽和羧酸。
根據羧酸分子中羧基的數目不同，可分為一元羧酸和多元羧酸。
命名
俗名
許多羧酸根據來源有其俗名，如甲酸俗稱蟻酸，因其存在于螞蟻等昆蟲的毒汁中；冰醋又稱食用醋酸，因為它最初是從食用醋中獲得的；苯甲酸又稱安息香酸，因其最初是從安息香樹皮中分離得到的；草酸又稱草酸，廣泛存在于綠色植物中。許多高級一元羧酸因最初是從水解脂肪得到的，又稱為脂肪酸，如軟脂酸稱為軟脂酸，硬脂酸稱為硬脂酸。
系統命名法
命名飽和脂肪酸時，選擇含羧基的最長碳鏈作為主鏈，根據主鏈碳數目稱為“某酸”。以羧基碳原子為起點，用阿拉伯數字標明主鏈碳原子的位次。
簡單的羧酸習慣上也常用希臘字母來表示取代基的位置，即與羧基直接相連的碳原子位置為α，其他碳原子依次為β、γ、δ等，最末端碳原子位置為ω。
命名不飽和脂肪酸時，應選擇包含羧基和不飽和鍵在內的最長碳鏈為主鏈，稱為“某烯酸”或“某炔酸”。主鏈碳原子的編號仍從羧基開始，將雙鍵、三鍵的位次寫在“某烯酸”或“某炔酸”名稱前面。
命名二元脂肪酸時，可選取包含兩個羧基在內的最長碳鏈為主鏈，根據主鏈上碳原子的數目稱為“某二酸”。例如：
含有碳環的羧酸命名時，將碳環（脂環和芳環）看作取代基，以脂肪酸作為母體加以命名。例如：
性質
物理性質
物態
低級脂肪酸（C1~C3）為液體，溶于水，有刺鼻氣味。中級脂肪酸（C4~C9）為有酸腐臭味的油狀液體（丁酸為腳臭味），難溶于水。脂肪族二元酸和芳香羧酸都是固體。高級脂肪酸為蠟狀固體，揮發性低，無氣味。固態羧酸基本上沒有氣味。
溶解性
羧酸與水形成氫鍵的能力比相同碳數的醇要強，因此羧酸比同數碳原子的醇在水中的溶解度要大一些。在飽和一元酸中，甲酸至丁酸可與水混溶，從戊酸開始，隨碳鏈的增長，由于憎水的烴基愈來愈大，水溶性迅速降低，C10以上的酸不溶于水，而溶于乙醇、乙醚、三氯甲烷等有機溶劑。多元酸的水溶性大于同碳原子的一元羧酸，而芳香羧酸水溶性小。
潤滑性
高級脂肪酸具有潤滑性。通過對長鏈脂肪酸的X射線研究，證明了這些分子中碳鏈按鋸齒形排列，兩個分子間羧基以氫鍵締合，締合的雙分子有規則地一層一層排列，每一層中間是相互締合的羧基，吸引力很強，而層與層之間是以引力微弱的烴基相毗鄰，相互之間容易滑動。
熔沸點
直鏈飽和脂肪酸的沸點隨相對分子質量增大而升高，熔點則隨碳數增加而呈鋸齒形上升，含偶數碳原子的酸的熔點比前、后兩個相鄰的奇數碳原子酸的熔點都高。在羧酸分子中，羧基的羰基氧是氫鍵中的質子接受體，羥基氫則是質子給予體。因此，羧酸分子間可以通過分子間氫鍵而締合。由于羧酸分子能通過分子間氫鍵締合成二聚體，而一元醇分子之間只能形成一個氫鍵，因此羧酸的沸點比相對分子質量相當的烷烴、鹵代烴的沸點高，甚至比相對分子質量相當的醇的沸點高。如甲酸和乙醇的相對分子質量相同，甲酸的沸點為101℃，而乙醇的沸點則為78℃。
化學性質
酸性和成鹽反應
羧酸在水溶液中能電離出H+，形成羧酸根離子，所以其水溶液顯酸性，能與堿或金屬氧化物生成鹽和水。
與無機酸相比，羧酸一般都是弱酸，其主要原因是羧酸在水中只能部分電離。除甲酸外，大多數飽和一元酸的pKa為4~5，但羧酸的酸性比碳酸強，可以和碳酸鹽（或碳酸氫鹽）反應生成羧酸鹽并放出二氧化碳氣體。例如：
二元羧酸與無機二元酸相同，分兩步電離，第二步電離比第一步要難，因此，二元酸的pKa2總是大于 pKa1。羧酸的酸性強弱與其結構有關，影響羧酸酸性的因素很復雜，但最重要的是羧基所連基團的誘導效應。具有供電子效應的原子或基團使羧酸的酸性減弱；具有吸電子效應的原子或基團能使羧酸的酸性增強。此外，吸電子誘導效應越強，酸性越強。
在對位取代的苯甲酸中，能使苯環活化的取代基使羧基上的電子云密度加大，H-O鍵的電離更加困難，酸性減弱；反之，酸性增強。而對于兩個羧基相距較近的二元酸來說，其酸性比相同碳的一元酸強，但當兩個羧基相距較遠時，酸性顯著減少。
取代反應
在一定條件下，羧基中羥基被鹵族元素、氧基、烷氧基、氨基取代，分別生成酰鹵、酸酐、、酰胺等羧酸衍生物。
生成酰鹵
最常見的反應是羧酸與三氯化磷、五氯化磷或氯化亞砜等試劑作用制得：
生成酸酐
一元酸在脫水劑（如五氧化二磷、乙酸酐）作用下兩分子羧酸加熱失水，生成酸酐：
生成酯
在無機酸的催化下，羧酸與醇作用生成酯，這種反應叫做酯化反應：
酯化反應是一個可逆反應，其逆反應叫水解反應。酯化反應速率非常緩慢，必須在催化劑和加熱條件下進行。酯化反應當中常用的催化劑有硫酸、氯化氫、三氟化硼等，該反應也可使用有機酸催化，如對甲苯磺酸、氨基磺酸等。由于酯化反應是可逆的，所以為了提高產量，一般采用增加反應物的濃度或不斷除去生成的酯或水，使得平衡向右移動。
羧酸與一級醇、二級醇反應形成酯時，是按照酰氧鍵斷裂的反應機理進行的；羧酸與叔醇反應形成酯時，則是按照烷氧鍵斷裂的反應機理進行的。
生成酰胺
羧酸與氨或碳酸作用得到羧酸銨鹽，銨鹽受熱失水生成酰胺，如果將酰胺繼續繼續加強熱或與五氧化二磷作用，可以進一步失水生成：
脫羧反應
羧酸分子中脫去羧基，放出二氧化碳的反應稱為脫羧反應。羧酸的羧基通常比較穩定，只有在特殊的條件下才能發生脫羧反應，而且不同的羧酸脫羧生成不同的產物。飽和一元羧酸通常是將其轉成鈉鹽再與堿石灰共融，發生脫羧反應，生成少一個碳的烷烴。
當一元羧酸上的α-C上連有強吸電子基時，羧酸變得不穩定，受熱后容易脫羧。同理由于羧基是強吸電子基，所以二元羧酸如草酸和丙二酸受熱后都容易脫羧，生成比原來少個碳原子的一元羧酸。脫羧反應在動植物體內普遍存在，且是在酶的催化下進行的。
還原反應
由于羧基中存在p-π共軛效應，使得羧基很難催化氫化，只有在特殊的強還原劑如氫化鋁鋰（LiAlH4）作用下，能將其還原成為伯醇。
α-H的鹵代反應
羧酸的α-H原子于受到羧基的吸電子效應的影響，比較活潑，在光照或紅磷催化下，它們能被氯或溴（和碘除外）逐個被取代，生成α-鹵代酸。
應用
食品領域
羧酸在食品領域中有廣泛的應用，如：天然甲酸可作為香料增效劑用于香料的配制；冰醋俗名食用醋酸，是醋的運用的主要成分，一般食醋中約含6% ~8%的乙酸，它還常以鹽的形式存在于植物果實和液汁中，是人類使用的一種酸度調節劑，還可作為食品增香劑、防腐劑、色素稀釋劑；苯甲酸是重要的酸型食品防腐劑，在酸性條件下，對霉菌和細菌均有抑制作用；各種植物油與動物油脂都含有脂肪酸（如花生油、葵花籽油、豬油等），是人們日常生活離不開的烹原料。
化工領域
脂肪酸在化工領域的應用十分廣泛，可用作混合脫模劑和添加劑，可作為反應中間原料，應用于制皂、表面活性劑、合成樹脂、涂料、纖維、潤滑脂膏、醫藥和化妝品等行業。
低級脂肪酸常見于石油化工、油脂加工、皮革制造、肥皂、合成洗潔精、釀造、制藥、香料等行業中。如甲酸廣泛用于農藥、皮革、染料、醫藥和橡膠等工業生產中；乙酸主要作為合成有機化合物的原料，也可用作農藥、醫藥和染料等工業的溶劑和原料，在照相、藥品制造、織物印染和橡膠工業中都有廣泛用途。
天然脂肪酸可作為原料制備新型的氧化胺表面活性劑，具有增溶、乳化、穩泡、洗滌、保濕和抗靜電等多種性能，在高檔洗滌劑、化妝品、醫藥、紡織等領域得到廣泛應用。脂肪酸還可作為活化劑和乳化劑應用于橡膠工業；作為熱穩定劑和潤滑劑應用于塑料工業；作為抗靜電劑和柔軟劑應用于紡織工業；其衍生物或者二聚體可應用于制作油墨、涂料和顏料、油漆等。
不飽和脂肪酸常被用作為美容護膚的功能因子添加到護膚品及美容美發產品中，如黃花月見草、玫瑰油、可可脂、乳母果油等，這主要利用的是其中的花生四烯酸單細胞油和C-亞麻酸的營養保護功能。
醫藥領域
芳香族羧酸可用于解熱鎮痛藥物中，如水楊酸類是常用藥物阿司匹林的成分之一，是一種歷史悠久的解熱鎮痛藥，還有抑制血小板聚集功能，可用于預防和治療心血管疾病；痛炎寧的主要成分為水楊酸膽堿與水楊酸鎂的復合物，功能與阿司匹林類似，且無明顯的胃黏膜損傷等不良反應；克濕靈即水楊酸鎂，用于治療各種關節炎，因不含鈉離子，尤其適用于伴有高血壓或心力衰竭的患者。
另外，芳基乙酸類，如消炎痛（吲美辛）成分為2-甲基1-(4-氯苯甲酰基)-5-甲氧基1H-咧噪-3-乙酸；舒林酸（奇諾力）、雙氯芬酸、托美丁等皆為芳基乙酸類化合物。
芳香族有機酸還是一些中草藥的主要有效成分，如土槿皮中的土槿皮酸有很好的抗真菌作用；青木香中的馬兜鈴酸能增強吞噬細胞吞噬功能，調節機體免疫力；咖啡酸、水楊酸、馬兜鈴酸、阿魏酸、苯甲酸等已作為消毒消炎、抑菌、驅蟲、增多白細胞、利膽、抗心肌缺氧、缺血、心絞痛、動脈硬化藥物，廣泛應用于醫藥臨床。代表化合物有莽草酸、丁香酸、白果酸等。
此外，苯甲酸和鄰苯二甲酸等芳香族羧酸，還可用于染料、香料工業，塑料制品的塑化劑，食品、飲料和藥物中的防腐劑等。
來源與制備
羧酸廣泛存在于自然界中，脂肪族羧酸很重要的來源是動物和植物的脂肪。從脂肪中能得到純度達90%以上的直鏈偶數碳羧酸。其中許多高級脂肪酸主要仍由天然的油、脂、蠟水解獲得，如月桂酸、硬脂酸、油酸、亞油酸等。
食用醋酸是羧酸中較重要的一種，最早是從發酵法制取的醋的運用中獲得的。此外，還有不少酸仍用發酵法生產，如檸檬酸、DL-乳酸、酒石酸、DL-蘋果酸、衣康酸等。
苯甲酸、鄰苯二甲酸、對苯二甲酸等是重要的芳香族酸。工業上通過十二烷基苯的氧化來制備，所需的甲苯和二甲苯很容易從煤焦油精或從石油的脂肪烴催化重整中得到。工業上制備酸，大多以容易得到的原料為起點，采取氧化的方法合成。
氧化法
利用其他化合物的氧化反應是制備羧酸的常用方法。例如烴類、醇類、醛、酮類等等。工業上常以石蠟等高級烷烴為原料，在催化劑高錳酸鉀、二氧化錳的存在下，用空氣或氧氣進行氧化，發生碳鏈斷裂，可制得高級脂肪酸的混合物，再分離提純。烯烴也可以用來制備羧酸，但是一般采用對稱的烯烴和環狀的烯烴、或末端烯烴，氧化時產物較為單一。
在過氧苯甲酰凝膠劑如高錳酸鉀、重鉻酸鉀、硝酸的氧化下，具有烷基支鏈的芳香烴也能被氧化生成羧酸。
伯醇或醛氧化可得同碳數的羧酸，這是制備羧酸的最普通的方法。當采用不飽和伯醇或醛氧化生成相應的羧酸時，需選用適當的弱氧化劑，以免影響不飽和鍵。
脂環己酮的常被用來制取二元羧酸，甲基酮常被用來制比甲基酮少一個碳原子的羧酸。
腈水解
腈類化合物一般由鹵代烴與氰化鈉（鉀）反應制備，在酸性或堿性水溶液中加熱即水解生成羧酸。芳香族腈也可以水解制備芳香酸，但是芳香腈必須由重氮鹽制備而得。
格氏試劑與CO2作用
格氏試劑和二氧化碳作用，經水解生成羧酸。用此法合成的羧酸比原來格氏試劑中的烴基增加一個碳原子。在制備烴基鹵化鎂時，應注意烴基上不能含有能與格氏試劑發生反應的其他基團。
危害
羧酸毒性較小，特別是高級脂肪酸在生物體的組織中也存在，幾乎是無毒的，但低級及中級脂肪酸則有刺激性、腐蝕性，特別是分子中含有鹵素、雙鍵的脂肪酸，對皮膚、粘膜的刺激性較強。
羧酸具有酸性，如濃的甲酸溶液對組織的腐蝕性與無機強酸一樣，純冰醋同樣具有強烈的腐蝕性。丙烯酸和甲基丙烯酸無論口服還是皮膚接觸，均被認為有相當的毒性。一般說來，羧酸每個分子有兩個以上羧基，碳骨架上有不飽和鍵，α-碳位置有羥基都會增加其腐蝕性和毒性。
低級脂肪酸是典型的惡臭物質之一，常見于石油化工、油脂加工、皮革制造、肥皂、合成洗滌劑、釀造、制藥、香料、食物腐爛、糞便處理等。低級脂肪酸主要包括乙酸、丙酸、正丁酸、異丁酸、正戊酸等，這些物質都含有強烈的刺激性氣味，且隨著分子量的增加，嗅覺閾值不斷降低，污染環境。
常見羧酸
甲酸
甲酸俗稱蟻酸，存在于蟻類等昆蟲體內，也廣泛存在于線麻、松葉等植物體內。甲酸為無色透明液體，有刺激性氣味，能與水、乙醇、乙醚和甘油任意混溶。熔點8.4℃，沸點100.8℃，易燃，有腐蝕性。甲酸是羧酸中唯一在羧基上連有氫原子的酸，所以甲酸既有羧酸的結構，又有醛基的結構。能被高錳酸鉀、托倫試劑、費林試劑氧化，甲酸的類醛基結構使其具有還原性，能還原芐醇等有機化合物，與酮和氨（或仲胺） 經還原反應生成氨基化合物，能將二氧化硫還原為硫代硫酸根離子。
甲酸蒸氣與空氣形成爆炸性混合物，遇明火、高熱能引起燃燒爆炸。與強氧化劑可發生反應，具有較強的腐蝕性。對于人體，甲酸主要引起皮膚、黏膜的刺激癥狀。接觸后可引起結膜炎、眼瞼水腫、鼻炎、支氣管炎，重者可引起急性化學性肺炎。濃甲酸口服后可腐蝕口腔及消化道黏膜，引起嘔吐、腹瀉及胃腸出血，甚至因急性腎功能衰竭或急性呼吸衰竭而致死。皮膚接觸可引起炎癥和潰瘍。
甲酸是基本有機化工原料之一，廣泛用于農藥、皮革、染料、醫藥和橡膠等工業。甲酸可直接用于織物加工、革、紡織品印染和青飼料的儲存，也可用作金屬表面處理劑、橡膠助劑和工業溶劑。在有機合成中用于合成各種甲酸酯、吖啶類染料和甲酰胺系列醫藥中間體。
乙酸
乙酸因是食醋的主要成分，又稱食用醋酸。在自然界中分布廣泛，在水果或植物油中主要以其化合物酷酯的形式存在；在動物的組織內、排泄物和血液中以游離酸的形式存在。乙酸是無色液體，有強烈刺激性氣味。熔點16.6℃，沸點117.9℃，純乙酸在16.6℃以下時能結成冰狀的固體，所以常稱為乙酸。易溶于水、乙醇、乙醚和四氯化碳。純的冰醋酸是無色的吸濕性液體，凝固點為16.6℃，凝固后為無色晶體。
乙酸具有腐蝕性，其蒸氣對眼和鼻有刺激性作用。冰醋是一種簡單的羧酸，是一個重要的化學試劑。乙酸常被用來制造電影膠片所需要的醋酸纖維素和木材用膠黏劑中的聚乙酸乙烯酯，以及很多合成纖維和織物。冰醋酸是最重要的有機酸之一，主要用于生產乙酸乙烯、乙酸酐、醋酸纖維、醋酸酯和金屬醋酸鹽等，也用作農藥、醫藥和染料等工業的溶劑和原料，在照相、藥品制造、織物印染和橡膠工業中都有廣泛用途。
乙二酸
草酸即草酸，是最簡單的有機二元酸之一。草酸遍布于自然界，常以草酸鹽形式存在于植物如伏牛花、羊蹄草、炸醬草和酸模草的細胞膜中，幾乎所有的植物都含有草酸鹽。乙二酸是人體中維生素c的一種代謝物。甘氨酸氧化脫氨而生成的乙醛酸，如進一步代謝障礙也可氧化成草酸，甚至可與鈣離子結合沉淀而致尿路結石。對人體有害，會使人體內的酸堿度失去平衡，影響兒童的發育。
草酸在工業中有重要作用，草酸可以除銹，可以作為絡合劑、掩蔽劑、沉淀劑、還原劑。分析中用以檢定和測定金屬離子；沉淀金屬離子和稀土元素；校準標準溶液。可用作漂白劑、助染劑，也可用來除去衣服上的鐵銹。建筑行業在涂刷外墻涂料前、由于墻面堿性較強應先涂刷草酸除堿。醫藥工業用于制造金霉素、土霉素、四環素、鏈霉素、冰片、維生素B12、苯巴比妥等藥物。印染工業用作顯色助染劑、漂白劑。塑料工業用于生產聚氯乙烯、氨基塑料、脲醛塑料等。
苯甲酸
苯甲酸又稱安息香酸，具有苯或甲醛的臭味。熔點122.13℃，沸點249℃，相對密度1.2659。在100℃時迅速升華，它的蒸氣有很強的刺激性，吸入后易引起咳嗽。微溶于水，易溶于乙醇、乙醚等有機溶劑。苯甲酸是弱酸，比脂肪酸強。化學性質相似，都能形成鹽、酯、酰鹵、酰胺、酸酐等，不易被氧化。苯甲酸的苯環上可發生親電取代反應，主要得到間位取代產物。
苯甲酸以游離酸、酯或其衍生物的形式廣泛存在于自然界中，例如，在安息香膠內以游離酸和酯的形式存在；在一些植物的葉和莖皮中以游離的形式存在等。工業上苯甲酸是在催化劑存在下用空氣氧化甲苯制得；或由鄰苯二甲酸酐水解脫羧制得。苯甲酸及其鈉鹽可用作乳膠、牙膏、果醬或其他食品的抑菌劑，也可作染色和印色的媒染劑。
參考資料 >