カルボン酸

カルボン酸の構造
カルボン酸アニオン
カルボン酸の3D構造

有機化学において、カルボン酸はカルボキシル基（−C(=O)−OH）[ 1 ]がR基に結合した有機酸である。カルボン酸の一般式は、R−COOHまたはR−CO 2 Hと表記されることが多く、R−C(O)OHと表記されることもある。ここでRは有機基（例えば、アルキル基、アルケニル基、アリール基）、水素、またはその他の基を表す。カルボン酸は広く存在する。重要な例としては、アミノ酸や脂肪酸が挙げられる。カルボン酸の脱プロトン化により、カルボキシルアニオンが生じる。

例と命名法

カルボン酸は、一般的にその慣用名で識別されます。多くの場合、接尾辞「-ic acid」が付きます。IUPAC推奨の命名法も存在し、このシステムではカルボン酸は-oic acid接尾辞を持つ。[ 2 ]例えば、酪酸（CH 3 CH 2 CH 2 CO 2 H ）はIUPACガイドラインではブタン酸である。カルボン酸を含む複合分子の命名法では、カルボキシル基は、他の置換基が存在する場合でも、親鎖の1番目の位置とみなされる（例えば3-クロロプロパン酸） 。あるいは、 2-カルボキシフランのように、別の親構造上の「カルボキシ」または「カルボン酸」置換基として命名されることもある。[ 3 ]

カルボキシルアニオン（R−COO −またはR−CO−2カルボン酸の共役塩基（-ate）は通常、共役酸とその共役塩基にそれぞれ-ic acidと-ateが付くという一般的なパターンに従って、接尾辞-ateが付けられます。例えば、酢酸の共役塩基は酢酸です。

自然界では重炭酸緩衝系に存在する炭酸は、 COOH基に似た部分を持っているにもかかわらず、一般的にカルボン酸の1つとして分類されません。 [ 3 ]

直鎖飽和カルボン酸（アルカン酸）
炭素原子 通称 IUPAC名 化学式 共通の場所または用途
1ギ酸メタン酸水素化二酸化炭素虫刺され
2酢酸酢酸CH 3 COOH酢
3プロピオン酸プロパン酸CH 3 CH 2 COOH貯蔵穀物、体臭、牛乳、バター、チーズの 防腐剤
4酪酸ブタン酸CH 3 (CH 2 ) 2 COOHバター
5吉草酸ペンタン酸CH 3 (CH 2 ) 3 COOHバレリアン植物
6カプロン酸ヘキサン酸CH 3 (CH 2 ) 4 COOHヤギの脂肪
7エナント酸ヘプタン酸CH 3 (CH 2 ) 5 COOH香り
8カプリル酸オクタン酸CH 3 (CH 2 ) 6 COOHココナッツ
9ペラルゴン酸ノナン酸CH 3 (CH 2 ) 7 COOHペラルゴニウム​
10カプリン酸デカン酸CH 3 (CH 2 ) 8 COOHココナッツとパーム核油
11ウンデシル酸ウンデカン酸CH 3 (CH 2 ) 9 COOH抗真菌剤
12ラウリン酸ドデカン酸CH 3 (CH 2 ) 10 COOHココナッツオイルとハンドウォッシュソープ
13トリデシル酸トリデカン酸CH 3 (CH 2 ) 11 COOH植物代謝物
14ミリスチン酸テトラデカン酸CH 3 (CH 2 ) 12 COOHナツメグ
15ペンタデシル酸ペンタデカン酸CH 3 (CH 2 ) 13 COOH乳脂肪
16パルミチン酸ヘキサデカン酸CH 3 (CH 2 ) 14 COOHパーム油
17マルガリン酸ヘプタデカン酸CH 3 (CH 2 ) 15 COOH様々な動物のフェロモン
18ステアリン酸オクタデカン酸CH 3 (CH 2 ) 16 COOHチョコレート、ワックス、石鹸、オイル
19ノナデシル酸ノナデカン酸CH 3 (CH 2 ) 17 COOH脂肪、植物油、フェロモン
20アラキジン酸イコサン酸CH 3 (CH 2 ) 18 COOHピーナッツオイル
その他のカルボン酸
複合クラス メンバー
不飽和モノカルボン酸アクリル酸（2-プロペン酸） – CH 2 =CH−COOH、ポリマー合成に使用される
脂肪酸偶数の炭素を持つ中鎖から長鎖の飽和および不飽和モノカルボン酸。例：ドコサヘキサエン酸およびエイコサペンタエン酸（栄養補助食品）
アミノ酸タンパク質の構成要素
ケト酸ケトン基を含む生化学的に重要な酸。例：アセト酢酸、ピルビン酸
芳香族カルボン酸少なくとも1つの芳香環を含む。例：安息香酸（安息香酸のナトリウム塩は食品保存料として使用される）、サリチル酸（多くのスキンケア製品に含まれるβ-ヒドロキシ型）、フェニルアルカン酸（カルボン酸にフェニル基が結合した化合物のクラス）
ジカルボン酸2つのカルボキシル基を含む。例：ナイロンの製造に使用されるモノマーであるアジピン酸、糖酸の一種である アルダル酸
トリカルボン酸3つのカルボキシル基を含む。例：クエン酸（柑橘類に含まれる）、イソクエン酸
アルファヒドロキシ酸最初の位置にヒドロキシ基を含む。例：グリセリン酸、グリコール酸、乳酸（2-ヒドロキシプロパン酸）（酸乳に含まれる）、酒石酸（ワインに含まれる）
ベータヒドロキシ酸2番目の位置にヒドロキシ基を含む
オメガヒドロキシ酸1位または2位を超えてヒドロキシ基を含む
ジビニルエーテル脂肪酸一部の植物に見られる、エーテル結合を介して脂肪酸に結合した二重不飽和炭素鎖を含む

物理的特性

溶解度

カルボン酸は極性です。カルボン酸は水素結合受容体（カルボニル基 -C(=O)-）と水素結合供与体（ヒドロキシル基 -OH ）の両方であるため、水素結合にも関与します。ヒドロキシル基とカルボニル基は一緒になってカルボキシル官能基を形成します。カルボン酸は「自己会合」する性質のため、非極性溶媒中では通常二量体として存在します。炭素数が1～5の小さなカルボン酸は水に溶けますが、炭素数が大きいカルボン酸はアルキル鎖の疎水性が高まるため溶解度が制限されます。これらの長鎖カルボン酸は、エーテルやアルコールなどの極性の低い溶媒に溶けやすい傾向があります。[ 4 ]水酸化ナトリウム水溶液とカルボン酸（疎水性のものも含む）は反応して水溶性のナトリウム塩を生成します。例えば、エナント酸は水への溶解度が低い（0.2 g/L）ですが、そのナトリウム塩は水に非常に溶けます。

沸点

カルボン酸は水よりも沸点が高くなる傾向があります。これは、カルボン酸が表面積が大きく、水素結合によって安定化した二量体を形成する傾向があるためです。沸騰を起こすには、二量体結合が切断されるか、二量体構造全体が蒸発する必要があり、蒸発に必要なエンタルピーが大幅に増加します。

カルボン酸二量体

酸度

カルボン酸はプロトン（H + ）供与体であるため、ブレンステッド・ローリー酸に分類されます。カルボン酸は最も一般的な有機酸です。[ 5 ]

カルボン酸は典型的には弱酸であり、部分的にしか[H 3 O] +陽イオンとR−COに解離しないことを意味する。−2中性水溶液中の陰イオン。例えば、室温では酢酸1モル溶液中では、酸のわずか0.001%（すなわち1モル中10の-5乗モル）が解離する。トリフルオロメチル（-CF 3 ）などの電子吸引性置換基はより強い酸を与える（酢酸のp Kaは4.76であるのに対し、トリフルオロメチル置換基を持つトリフルオロ酢酸のp Kaは0.23である）。電子供与性置換基はより弱い酸を与える（ギ酸のp Kaは3.75であるのに対し、メチル置換基を持つ酢酸のp Kaは4.76である） [ 6 ]

カルボン酸[ 7 ]p Ka​
ギ酸（HCO 2 H）3.75
クロロギ酸（ClCO 2 H）0.27 [ 8 ]
酢酸（CH 3 CO 2 H）4.76
グリシン( NH 2 CH 2 CO 2 H )2.34
フルオロ酢酸（FCH 2 CO 2 H）2.586
ジフルオロ酢酸（F 2 CHCO 2 H）1.33
トリフルオロ酢酸（CF 3 CO 2 H）0.23
クロロ酢酸（ClCH 2 CO 2 H）2.86
ジクロロ酢酸（Cl 2 CHCO 2 H）1.29
トリクロロ酢酸（CCl 3 CO 2 H）0.65
安息香酸（C 6 H 5 −CO 2 H）4.2
2-ニトロ安息香酸（オルト-C 6 H 4 ( NO 2 )CO 2 H）2.16
シュウ酸( HO−C(=O)−C(=O)−OH ) (第一解離) 1.27
シュウ酸水素( HO−C(=O)−CO−2）（シュウ酸の2回目の解離） 4.14

カルボン酸の脱プロトン化によりカルボキシルアニオンが生成されます。これらのアニオンは共鳴安定化されており、負電荷が2つの酸素原子上に非局在化することでアニオンの安定性が向上します。カルボキシルアニオン中の炭素-酸素結合はそれぞれ部分的な二重結合性を持ちます。カルボニル炭素の部分的な正電荷も、2つの酸素原子の負電荷-1/2によって弱められ ます。

臭い

カルボン酸はしばしば強い酸味を帯びます。カルボン酸のエステルはフルーティーで心地よい香りを放つ傾向があり、多くは香水に使用されています。[ 9 ]

キャラクター設定

カルボン酸は赤外分光法によって容易に同定できる。カルボン酸は、1680～1725 cm −1のC=Oカルボニル結合（ν C=O ）の振動に関連する鋭い吸収帯を示す。特徴的なν O–H吸収帯は、2500～3000 cm −1の領域にブロードなピークとして現れる。[ 4 ] [ 10 ] 1 H NMR分光法では、ヒドロキシル水素は10～13 ppmの領域に現れるが、微量の水との交換により、スペクトルが広がったり、観測されなかったりすることが多い。

発生と応用

多くのカルボン酸は工業的に大規模に生産されています。また、自然界にも広く存在しています。脂肪酸のエステルは脂質の主成分であり、アミノカルボン酸のポリアミドはタンパク質の主成分です。

カルボン酸は、ポリマー、医薬品、溶剤、食品添加物の製造に使用されます。工業的に重要なカルボン酸には、酢酸（酢の成分、溶剤やコーティング剤の原料）、アクリル酸およびメタクリル酸（ポリマーや接着剤の原料）、アジピン酸（ポリマー）、クエン酸（食品や飲料の香料および保存料）、エチレンジアミン四酢酸（キレート剤）、脂肪酸（コーティング剤）、マレイン酸（ポリマー）、プロピオン酸（食品保存料）、テレフタル酸（ポリマー）などがあります。重要なカルボン酸塩としては、石鹸が挙げられます。

合成

産業ルート

実験室規模で使用される方法とは対照的に、カルボン酸の工業的製造方法では、高圧と高温に対応する特殊な装置が必要になることがよくあります。

HC≡CH + CO + H 2 O → CH 2 =CH−CO 2 H

実験方法

研究や精密化学物質の製造のための小規模反応の調製方法では、高価な消耗試薬が使用されることがよくあります。

RLi + CO 2 → RCO−2リチウム+
RCO−2Li + + HCl → RCO 2 H + LiCl
R−C(=O)− Ar + H 2 O → R−​​CO 2 H + ArH

あまり一般的ではない反応

多くの反応でカルボン酸が生成されますが、それらは特定の場合にのみ使用されるか、主に学術的な関心の対象となります。

反応

カルボン酸の有機反応

酸塩基反応

カルボン酸は塩基と反応してカルボン酸塩を形成します。カルボン酸塩では、ヒドロキシル基（-OH）の水素が金属陽イオンに置換されます。例えば、酢に含まれる酢酸は重曹と反応して酢酸ナトリウム、二酸化炭素、水を 生成します。

CH 3 COOH + NaHCO 3 → CH 3 COO − Na + + CO 2 + H 2 O

エステル、アミド、無水物への変換

広く行われている反応では、カルボン酸はエステル、アミド、カルボン酸塩、酸塩化物、アルコールに変換されます。エステルへの変換は、例えばポリエステルの製造など、広く用いられています。同様に、カルボン酸はアミドに変換されますが、この変換は通常、カルボン酸とアミンの直接反応によって起こるわけではありません。代わりに、エステルはアミドの典型的な前駆体です。アミノ酸からペプチドへの変換は、ATPを必要とする重要な生化学的プロセスです。

カルボン酸をアミドに変換することは可能ですが、簡単ではありません。アミンは求核剤として作用する代わりに、カルボン酸の存在下で塩基として反応し、カルボン酸アンモニウム塩を生成します。この塩を100℃以上に加熱すると水が蒸発し、アミドが形成されます。このアミド合成法は産業的に重要であり、実験室での応用もあります。[ 16 ]強酸触媒の存在下では、カルボン酸は縮合して酸無水物を形成します。しかし、縮合によって水が生成され、この水が酸無水物を加水分解して元のカルボン酸に戻す可能性があります。したがって、縮合による酸無水物の形成は平衡過程です。

酸触媒条件下では、カルボン酸はアルコールと反応してフィッシャーエステル化反応（これも平衡過程である）によりエステルを形成する。あるいは、ジアゾメタンを用いて酸をエステルに変換することもできる。ジアゾメタンを用いたエステル化反応はしばしば定量的収率を与えるが、ジアゾメタンはメチルエステルの形成にのみ有用である。[ 16 ]

削減

エステルと同様に、ほとんどのカルボン酸は水素化、あるいは水素化アルミニウムリチウムなどの水素化物移動剤を用いることでアルコールに還元できます。グリニャール試薬ではなく、有機リチウム化合物などの強力なアルキル移動剤は、カルボン酸をアルキル基の移動とともにケトンに還元します。

ヴィルスマイヤー試薬（N , N-ジメチル(クロロメチレン)アンモニウムクロリド; [ClHC=N + (CH 3 ) 2 ]Cl −）は、カルボン酸の還元において非常に化学選択的な試薬である。カルボン酸を選択的に活性化してカルボキシメチレンアンモニウム塩を与え、この塩はリチウムトリス( t-ブトキシ)アルミニウムヒドリドのような穏やかな還元剤で還元され、ワンポット法でアルデヒドを与える。この方法は、ケトンなどの反応性の高いカルボニル官能基だけでなく、中程度の反応性を持つエステル、オレフィン、ニトリル、ハロゲン化物部位にも適用できることが知られている。[ 17 ]

アシルハライドへの変換

カルボン酸のヒドロキシル基は、塩化チオニルを使用して塩素原子に置換され、アシルクロリドを与える。自然界では、カルボン酸はチオエステルに変換される。塩化チオニルは、カルボン酸を対応するアシルクロリドに変換するために使用できる。最初に、カルボン酸1 が塩化チオニルを攻撃し、塩化物イオンが脱離する。結果として生じるオキソニウムイオン2は求核攻撃に対して活性化され、通常のカルボン酸とは異なる優れた脱離基を有する。次のステップでは、2 が塩化物イオンの攻撃を受けて、四面体中間体3 、クロロ亜硫酸塩を与える。四面体中間体は二酸化硫黄と塩化物イオンの損失とともに崩壊し、プロトン化されたアシルクロリド4を与える。塩化物イオンはカルボニル基のプロトンを除去することができ、 HClの損失とともにアシルクロリド5を与える。

カルボン酸と塩化チオニルが反応して酸塩化物を生成する機構

塩化リン(III) (PCl 3 )と塩化リン(V) (PCl 5 )も同様のメカニズムでカルボン酸を酸塩化物に変換します。1当量のPCl 3は3当量の酸と反応し、目的の酸塩化物に加えて、 1当量のH 3 PO 3（リン酸）を生成します。PCl 5はカルボン酸と1:1の比率で反応し、副産物としてオキシ塩化リン(V) (POCl 3 )と塩化水素 (HCl)を生成します。

カルバニオン当量体との反応

カルボン酸はグリニャール試薬および有機リチウムと反応してケトンを生成します。最初の当量の求核剤は塩基として作用し、酸を脱プロトン化します。2番目の当量の求核剤はカルボニル基を攻撃してジェミナルアルコキシドジアニオンを生成します。これは後処理によりプロトン化され、ケトンの水和物を与えます。ほとんどのケトン水和物は対応するケトンに対して不安定であるため、両者の間の平衡はケトンに大きく有利に傾きます。例えば、アセトンからアセトン水和物を生成する際の平衡定数はわずか0.002です。カルボキシル基は有機化合物の中で最も酸性度が高いです。[ 18 ]

特殊な反応

カルボキシルラジカル

カルボキシルラジカル・COOHは短時間しか存在しない。[ 19 ]・COOHの酸解離定数は電子常磁性共鳴分光法を用いて測定されている。[ 20 ]カルボキシル基は二量化してシュウ酸を形成する傾向がある。

参照

参考文献

  1. ^ IUPAC化学用語集第5版（ゴールドブック）（2025年）。オンライン版：（2006年以降）「カルボン酸」。doi：10.1351/goldbook.C00852
  2. ^ 1979年勧告。有機化学IUPAC命名法。規則C-4：カルボン酸およびその誘導体。
  3. ^ a b Favre, Henri A; Powell, Warren H (2013年12月17日). "P-65".有機化学命名法. 英国王立化学協会. doi : 10.1039/9781849733069 . ISBN 978-0-85404-182-4。
  4. ^ a bモリソン, RT; ボイド, RN (1992).有機化学（第6版）. プレンティス・ホール. ISBN 0-13-643669-2。
  5. ^ 「カルボン酸｜構造、特性、式、用途、および事実｜ブリタニカ」 www.britannica.com 2025年5月26日閲覧。
  6. ^ Ahluwalia, VK (2023)、「有機反応とそのメカニズム」、Cham: Springer International Publishing、pp.  11– 15、doi : 10.1007/978-3-031-15695-3_1、ISBN 978-3-031-15694-6、 2025年6月15日閲覧{{citation}}:欠落または空|title=(ヘルプ)
  7. ^ Haynes, William M.編 (2011). CRC Handbook of Chemistry and Physics (第92版). CRC Press . pp. 5–94 to 5–98. ISBN 978-1439855119。
  8. ^ 「クロロ炭酸」 .ヒトメタボロームデータベース.
  9. ^マクマリー、ジョン (2015).有機化学（第9版）. Cengage Learning. pp.  798– 802. ISBN 978-1-305-08048-5。
  10. ^ Smith, Brian (2018年11月). 「C=O結合、パートVIII：レビュー」 . Spectroscopy . 2018年11月. 33 : 24–29 . 2024年2月12日閲覧。
  11. ^リーメンシュナイダー、ヴィルヘルム (2002). 「カルボン酸、脂肪族」。ウルマンの工業化学百科事典。ワインハイム: ワイリー-VCH。土井: 10.1002/14356007.a05_235。ISBN 3527306730。。
  12. ^ Mohammadpoor-Baltork, Iraj; Sadeghi, Majid M.; Adibi, Abol-Hassan (2001年10月31日). 「ルイス酸存在下、二クロム酸カリウムを用いた有機化合物の効率的無溶媒酸化」 . Molecules . 6 (11): 900– 908. doi : 10.3390/61100900 . ISSN 1420-3049 . PMC 6236395 .  
  13. ^ Henry Gilman RH Kirby (1925). 「dl-メチルエチル酢酸」.有機合成. 5 : 75. doi : 10.15227/orgsyn.005.0075 .
  14. ^ SV Puntambeker, EA Zoellner, LT Sandborn, EW Bousquet (1928). 「トリメチル酢酸」.有機合成. 8 : 104. doi : 10.15227/orgsyn.008.0104 .{{cite journal}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)
  15. ^ Perry C. Reeves (1977). 「芳香族化合物のカルボキシル化：フェロセンカルボン酸」. Org. Synth . 56:28 . doi : 10.15227/orgsyn.056.0028 .
  16. ^ a bウェイド2010、964–965頁。
  17. ^藤沢 保; 佐藤 敏夫. 「カルボン酸のアルデヒドへの還元：6-オキサデカナール」 .有機合成. 66 : 121. doi : 10.15227/orgsyn.066.0121;集成第8巻498ページ。
  18. ^ウェイド2010、838ページ。
  19. ^ Milligan, DE; Jacox, ME (1971). 「OHとCOの反応における中間体の赤外スペクトルと構造」. Journal of Chemical Physics . 54 (3): 927– 942. Bibcode : 1971JChPh..54..927M . doi : 10.1063/1.1675022 .
  20. ^値はp K a  = −0.2 ± 0.1です。Jeevarajan , AS; Carmichael, I.; Fessenden, RW (1990). 「カルボキシルラジカルのp K aのESR測定と炭素13の超微細定数の第一原理計算」. Journal of Physical Chemistry . 94 (4): 1372– 1376. Bibcode : 1990JPhCh..94.1372J . doi : 10.1021/j100367a033 .
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