第10章 羟基酸和羰基酸

1. 第10章 羟基酸和羰基酸

2. 本章要求 • 掌握羟基酸和酮酸的结构和命名 • 掌握醇酸的化学性质 • 掌握酮酸的化学性质 • 掌握乙酰乙酸乙酯的酮型—烯醇型互变异构现象 • 掌握酮体的概念 • 了解醇酸和酮酸的体内化学过程；了解α-酮酸氨基化反应的生物学意义 • 熟悉医药学上重要的羟基酸和酮酸的性能与生物活性

3. 建议学时：3 h

4. 10．1 羟基酸的结构和命名 • 1、定义 • 羟基酸：是分子中既含有羟基又含羧基的化合物。 • 醇酸（alcoholic acid）：羟基连接在脂肪烃基上的羟基酸 • 酚酸（phenolic acid） ：连接在芳环上的羟基酸

5. 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a、b、g等标明羟基的位置。一些来自自然界的羟基酸多采用俗名醇酸的系统命名：以羧酸为母体，羟基为取代基，并用阿拉伯数字或希腊字母a、b、g等标明羟基的位置。一些来自自然界的羟基酸多采用俗名 2、命名

6. α-羟基丙酸(2-α-羟基丙酸) α-羟基丙酸(2-羟基丙酸) （2-hydroxy-propanic acid） 乳酸(lactic acid)

7. 羟基丁二酸 hydroxybutanedioic acid 苹果酸 (malic acid)

8. 酚酸的命名：以芳香酸为母体，标明羟基在芳环上的位置酚酸的命名：以芳香酸为母体，标明羟基在芳环上的位置 邻-羟基苯甲酸 间-羟基苯甲酸 对-羟基苯甲酸 o-hydroxybenzoic m-hydroxybenzoic p- hydroxybenzoic acidacidacid 水杨酸(salicylic acid)

9. 10.2 羟基酸的物理性质 • 常见的醇酸多为晶体或粘稠的液体，在水中的溶解度和熔点较相应碳原子数的醇和酸大，多数醇酸具有旋光性。酚酸都为晶体，多以盐、酯或糖苷的形式存在于植物中。

10. 一些重要羧酸的物理性质

11. 10.3 羟基酸的化学性质 • 羟基酸 羟基酸具有羟基和羧基的各种典型反应，羟基和羧基都可以生成酯；羟基可以氧化成羰基，也可以被卤代：羧基可以成盐等。酚酸也可以有酚的特性，与三氯化铁溶液反应产生颜色等。由于羟基和羧基的相互影响，产生羟基酸特有的性质。这些特性又由于羟基与羧基的相对位置不同而有差异。

12. 10.3.1 酸性 • 醇酸的酸性强于相应的羧酸，且随羟基与羧基的距离增大而减弱。（-OH：-I效应） • 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的影响。

13. -I效应 氢键 Pka 3.00 4.17 +C > -I 4.54 4.12

14. 当酚酸中的羟基和羧基处于邻位时(如水杨酸)，它的酸性比苯甲酸的酸性强，这是由于羟基位于羧基的邻位时，可以形成分子内氢键，降低了羧基中羧基氧原子上的电子云密度，有利于氢原子离解成质子。同时也降低了羧基负离子的电荷密度，使羧基负离子稳定，质子不容易和羧基负离子结合，因而酸性增强。当酚酸中的羟基和羧基处于邻位时(如水杨酸)，它的酸性比苯甲酸的酸性强，这是由于羟基位于羧基的邻位时，可以形成分子内氢键，降低了羧基中羧基氧原子上的电子云密度，有利于氢原子离解成质子。同时也降低了羧基负离子的电荷密度，使羧基负离子稳定，质子不容易和羧基负离子结合，因而酸性增强。

15. 10.3.2 醇酸的氧化反应 • 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。

16. 10．3．3 α-醇酸的分解反应 • α-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。

17. 10．3．4 醇酸的脱水反应 • α-醇酸加热时分子间脱水生成交酯

18. b-醇酸加热时分子内脱水生成α，β-不饱和酸

19. g-醇酸和d-醇酸加热时分子内脱水形成内酯 • g-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

20. 10.3.5 酚酸的脱羧反应 • 羟基在羧基邻、对位的酚酸加热至熔点以上时，易脱羧分解成相应的酚。例如：

21. 10.4 羰基酸的结构和命名 • 羰基酸是分子中既含有羰基又含羧基的双官能团化合物。分子中含有醛基的称为醛酸，含有酮基的称为酮酸（keto acid）。 • 酮酸的分类：根据酮基和羧基的相对位置不同，酮酸可分为a、b、g……酮酸。 • 酮酸的命名： 酮酸的命名是以羧酸为母体，酮基作取代基，并用阿拉伯数字或希腊字母标明酮基的位置；也可以羧酸为母体，用“氧代”表示羰基。

22. a-丙酮酸 (pyruvic acid) 2-氧代丙酸 2-oxopropanoic acid

23. b-丁酮酸 （b-butanone acid） 3-氧代丁酸 3-oxobutanoic acid 乙酰乙酸(acetoacetic acid)

24. 10.5 羰基酸的化学性质 • 羰基酸分子中含有酮基和羧基，因此具酮的性质和羧酸的性质。如酮基可以被还原成羟基，可与羰基试剂反应生成相应的产物；羧基可与碱成盐，与醇成酯等。此外，由于两个官能团的之间的相互影响，使酮酸具有一些特殊性质。

25. 10.5.1 酸性 • 由于羰基氧吸电子能力强于羟基，因此酮酸的酸性强于相应的醇酸，更强于相应的羧酸。例如：

26. 10.5.2 a-酮酸的氨基化反应 在体内α-酮酸在NADH催化下可转变成α-氨基酸，其中GPT对肝炎病人的临床诊断是十分有用的。如：

27. 氨是体内代谢的产物，大部分氨在肝脏内转变成尿素由肾排除，少部分氨在谷氨酸脱氢酶的作用下，在组织细胞内与a－酮戊二酸反应生成谷氨酸。氨是体内代谢的产物，大部分氨在肝脏内转变成尿素由肾排除，少部分氨在谷氨酸脱氢酶的作用下，在组织细胞内与a－酮戊二酸反应生成谷氨酸。 a－酮戊二酸 谷氨酸脱氢酶 谷氨酸 式中NAD为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（辅酶I），在反应中起递氢作用。

28. 在生物体内a-酮酸和a-氨基酸在转氨酶的作用下可发生相互转化，即a-氨基酸的a-氨基借助转氨酶的催化作用转移到酮酸的酮基上，结果原来的氨基酸生成相应的酮酸，而原来的酮酸则形成相应的氨基酸，这种反应称为转氨基作用(transamination)。在生物体内a-酮酸和a-氨基酸在转氨酶的作用下可发生相互转化，即a-氨基酸的a-氨基借助转氨酶的催化作用转移到酮酸的酮基上，结果原来的氨基酸生成相应的酮酸，而原来的酮酸则形成相应的氨基酸，这种反应称为转氨基作用(transamination)。 GPT a－酮戊二酸 丙氨酸 丙酮酸 谷氨酸

29. 在正常情况下，GPT存在于人体细胞内。在急性肝炎患者肝细胞破裂后大量GPT逸入血清,使血清中GPT的活性会明显上升。临床上测定血清中GPT的活性，就是利用上述反应生成的丙酮酸，在碱性条件下与2，4-二硝基苯肼作用显红棕色，在用比色法测定后，即可推算出血清中GPT的活性。在正常情况下，GPT存在于人体细胞内。在急性肝炎患者肝细胞破裂后大量GPT逸入血清,使血清中GPT的活性会明显上升。临床上测定血清中GPT的活性，就是利用上述反应生成的丙酮酸，在碱性条件下与2，4-二硝基苯肼作用显红棕色，在用比色法测定后，即可推算出血清中GPT的活性。

30. 10.5.2 a－酮酸的氧化反应 • α-酮酸能被弱氧化剂Tollens试剂氧化

31. 10.5.3 酮酸的分解反应 α-酮酸和β-酮酸因分子中羰基和羧基的相对位置不同，在不同条件下分解，得到不同的产物。 • 1.a－酮酸的分解反应

32. 2. b-酮酸的分解反应 • 酮式分解：

33. b-酮酸的酸式分解反应：b-酮酸与浓氢氧化钠共热时，a-碳原子和b-碳原子之间发生键的断裂，生成两分子羧酸盐

34. 10.6 醇酸和酮酸的体内化学过程 • 体内的醇酸和酮酸均为糖、脂肪和蛋白质代谢的中间产物，这些中间产物在体内各种酶的催化下，发生一系列化学反应(如氧化、脱羧及脱水等)，在反应过程中，伴随着氧气的吸收、二氧化碳的放出以及能量的产生，为生命活动提供了物质基础。

35. 例如：苹果酸在脱氢酶的作用下生成草酰乙酸 在人体内，草酰乙酸与丙酮酸在一些酶的作用下，经酯缩合反应生成柠檬酸，其反应式如下：

36. 脂肪代谢过程中所产生的中间产物——乙酰乙酸在酶的作用下被还原成β-羟基丁酸。脂肪代谢过程中所产生的中间产物——乙酰乙酸在酶的作用下被还原成β-羟基丁酸。 乙酰乙酸可在酶催化下脱羧生成丙酮。

37. 酮体： β-羟基丁酸、β-丁酮酸和丙酮三者在医学上称为酮体。 • 正常人的血液中酮体的含量低于10mg.L-1,而糖尿病人因糖代谢不正常，靠消耗脂肪供给能量，其血液中酮体的含量在3 g.L-1 ～ 4 g.L-1以上。酮体存在于糖尿病患者的小便和血液中，并能引起患者的昏迷和死亡。所以临床上对于进入昏迷状态的糖尿病患者，除检查小便中含有葡萄糖外，还需要检查是否有酮体的存在。

38. 10.7 前列腺素 • 前列腺素(prostaglandins ,PG)是花生四烯酸以及其他不饱和脂肪酸的衍生物。它是在前列腺的分泌物中检测出来的，故名前列腺素。前列腺素是具有五元环和20个碳原子的脂肪酸。其基本结构是前列腺(烷)酸(prostanoic acid PA)。随着分子中所含的酮基、羟基、双键数目和位置不同，形成了各种性能不同的PG。

39. 前列腺(烷)酸

40. 前列腺素可分为PG A、B、C、D、E、F、G、H及I九型。它们彼此间的区别是五碳环上的取代基及双键位置不同。体内PG A、E及F较多。根据侧链R′及R″所含双键的数目而分为1、2、3类。又根据五碳环上9位-OH基的立体构型而分为α及β两型；α-型用虚线表示，β-型用实线表示。天然前列腺素均为α-型，不存在β-型。支链上手性碳原子的立体构型用R或S表示（S用虚线，R用实线）；链上C=C的构型用Z或E表示。

41. A B E F

42. O C O O H H O H O H O H C O O H O H H O H 11(α),15(S)-二羟基-9-酮基-5(Z),13(E)前列二烯酸 9(α),11(α),15(S)-三羟基-13(E)前列烯酸

43. 10.8 酮型-型互变异构

44. 乙酰乙酸乙酯 Ethyl Acetoacetate

45. 乙酰乙酸乙酯 1、Na 2.HCl,-78℃ 1、石油醚 -78℃ 油状液体 无色结晶

46. 说明有酮式结构存在

47. 乙酰乙酸乙酯 说明有烯醇式结构存在 FeCl3 紫色

48. -HBr

49. 乙酰乙酸乙酯 FeCl3 紫色 紫色消失 紫色

50. 93% Keto Form 7% Enol Form