結構生物化學/有機化學/有機官能團/羧基

簡介

羧基由一個與氧原子雙鍵連線的碳原子組成，該碳原子還連線到一個-OH基團。含有羧基的化合物稱為羧酸或有機酸。羧基在將質子（H⁺）捐贈給溶液併發生電離時可以充當酸。在 pH~7 的生物學條件下，羧基通常會去質子化，這意味著它們會失去一個 H⁺，並帶負電荷。人體中羧基的一個例子是碳酸，它是由二氧化碳的水合作用形成的。在生物學條件下，碳酸通常會解離成碳酸氫根離子。

性質

羧基具有與碳原子雙鍵連線的電負性氧原子。這種碳氧鍵極性很強，並且它是雙鍵這一事實增加了鍵的極性。由於極性，含有羧基的化合物通常具有較高的熔點、沸點和親水中心。此外，較高的熔點和較高的沸點可以歸因於它們可以在液態和固態下形成氫鍵。脂肪酸是由於其羧基而具有親水中心的化合物的例子。此外，羧基，尤其是在分子量低的分子中存在時，往往具有很高的揮發性，因此往往具有強烈的氣味。羧基的 pKa 通常在 4-5 之間。

命名法

在命名具有多個官能團的有機分子時，羧基在命名中的優先順序高於任何其他官能團。因此，在命名含有羧基的烷烴等分子時，烷烴上的 -e 被替換為 -oic acid。此外，在對含有羧基的有機分子的鏈進行編號時，羧基碳被標記為 1 號碳。具有兩個羧基的分子將使用 -dioic 字尾代替。

成鍵

碳氧鍵的極性使碳原子非常容易受到親核攻擊。攻擊時，雙鍵的電子會遷移到氧原子以保持碳原子的八隅體。氧原子現在將帶負電荷，並且已經形成了四面體中間體。當遷移到氧原子上的電子移動回氧原子上的雙鍵，而被攻擊的羰基碳原子將 -OH 基團作為離去基團排出時，雙鍵將重新形成。雖然排出 -OH 基團在能量上不利，但形成能量上有利的碳氧雙鍵有助於克服這一障礙。克服這一障礙的其他方法是將 -OH 基團轉化為更好的離去基團。極性使氧原子帶部分負電荷，這也使羧酸容易受到親電攻擊。一個例子是在酸性條件下羧酸的水解，其中質子充當親電試劑並攻擊與碳原子雙鍵連線的氧原子。

氨基酸

羧基是氨基酸的主要組成部分。羧基以及氨基使氨基酸成為兩性離子，其中氨基和羧基都帶電荷。由於羧基可以被去質子化，因此它可以賦予氨基酸負電荷。羧基在形成肽鍵方面也至關重要。氨基酸的羧基可以被另一個氨基酸的氨基攻擊。氨基的氮原子充當親核試劑並攻擊羧基的碳原子。羧基也存在於兩種氨基酸，天冬氨酸和穀氨酸的側鏈上。這些氨基酸允許氫鍵的形成以及鹽橋的形成，這有助於穩定蛋白質的結構。

來自自然

甲酸 (HCOOH) 是最簡單的羧酸，只有一個羧基，它主要負責昆蟲叮咬（主要是膜翅目，如蜜蜂和螞蟻）引起的疼痛。
乙酸 (CH₃COOH) 可以透過有氧或無氧發酵生物合成，這是製造醋的過程。有氧過程需要溫暖的乙醇 (CH₃CH₂OH) 和氧氣以及醋酸桿菌。無氧過程只需要糖（C₆H₁₂O₆）作為輸入化學物質，然後產乙酸菌可以給出羧酸作為輸出。需要注意的是，有氧過程仍然是主要的，因為用於無氧過程的產乙酸菌對酸性環境的耐受性較差。換句話說，如果產生過多的酸，產乙酸菌將被殺死。
丙酸 (CH₃CH₂COOH，或 C₂H₅COOH)。它可以透過分解碳原子數為奇數的脂肪酸形成。在這樣的代謝過程中，丙酸會與輔酶 A (輔酶 A) 的硫醇端發生縮合反應，形成丙醯輔酶 A。丙酸也可以透過被稱為丙酸桿菌的細菌的無氧呼吸合成。
丁酸 (C₃H₇COOH) 可以存在於一些天然存在的酯中，例如來自歐芹油的己基丁酸酯和來自歐防風油的辛基丁酸酯。丁酸的生物發酵法（生物學）生產方法是由路易斯·巴斯德在 1861 年發現的。整個過程需要一摩爾葡萄糖，產物為一摩爾丁酸、兩摩爾二氧化碳、兩摩爾氫氣和三摩爾 ATP。在此過程中，葡萄糖首先被裂解為兩個丙酮酸分子。然後丙酮酸被氧化成乙醯輔酶 A，釋放二氧化碳和氫氣作為副產物。在乙醯輔酶 A 經歷各種酶反應後，ATP 被釋放。
苯甲酸 (C₆H₅COOH) 是安息香樹脂的主要成分。但是，直接從安息香樹脂中提取苯甲酸將非常昂貴。因此，市場上大多數苯甲酸都是工業生產的。
檸檬酸（HOOCCH₂-COH(COOH)-CH₂COOH）。其簡單結構類似於甘油，甘油也是一種在脂肪中含量豐富的生物分子。檸檬酸是多種柑橘類水果（如檸檬和青檸）中眾所周知的天然有機酸。它是檸檬酸迴圈中必不可少的物質，檸檬酸迴圈是一個非常重要的代謝過程。它在現代醫藥、化妝品和其他包括化學過程的行業中也具有重要的用途。檸檬酸的工業生產經歷了從果汁提取到生物合成的轉變。工業檸檬酸生產始於 1890 年，使用從義大利柑橘出口中提取的檸檬酸，這得益於瑞典化學家卡爾·威廉·舍勒在 1784 年首次結晶檸檬酸。生物生產方法於 1893 年被發現，利用青黴菌和糖進行生產，但這種方法直到第一次世界大戰切斷了義大利柑橘出口後才流行起來。隨後，美國食品化學家詹姆斯·柯里發現了一種更有效的生物生產方法，利用廉價的糖混合物和稱為黑麴黴的黴菌。這種工業流程已被輝瑞等主要製藥公司採用。此外，提取或生物合成的檸檬酸透過氫氧化鈣沉澱分離，最後將酸從沉澱物中轉化回來。
草酸（HOOC-COOH）存在於腎結石中，以草酸鈣的形式存在，會導致腎衰竭。因此，食用楊桃（俗稱星果）和龜背竹存在風險，因為它們含有高濃度的草酸鹽。草酸鹽也參與檸檬酸迴圈。