カルボン酸

カルボン酸は極性を持つ。カルボン酸は水素結合受容体（カルボニル−C(=O)−）と水素結合供与体（ヒドロキシル−OH ）の両方であるため、水素結合にも関与する。ヒドロキシル基とカルボニル基が合わさってカルボキシル官能基を形成する。カルボン酸は「自己会合」する傾向があるため、非極性媒体では通常二量体として存在する。炭素数が少ないカルボン酸（1～5個）は水に溶けるが、炭素数が多いカルボン酸はアルキル鎖の疎水性が増すため溶解度が限られる。これらの鎖長の長いカルボン酸は、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る。^{[ 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する。例えば、エナント酸は水への溶解度が低い（0.2 g/L）が、そのナトリウム塩は水に非常に溶けやすい。

カルボン酸は、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しやすい性質を持つため、水よりも沸点が高い傾向があります。沸騰を起こすには、二量体の結合を切断するか、二量体全体を気化させる必要があり、そのためには蒸発エンタルピーが大幅に増加します。

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・ローリー酸である。これらは最も一般的な有機酸である。^{[ 5 ]}

カルボン酸は一般的に弱酸で_あり、中性水溶液中では[ H3O ] ⁺カチオンとR−CO − 2アニオンに部分的にしか解離しません。たとえば、室温で1モルの酢酸溶液では、酸の0.001%（つまり1モル中10−5モル^{）しか解離しません。}トリフルオロメチル（−CF3 ）などの電子吸引性置換基は_より強い酸になります（酢酸のpKaは4.76ですが、トリフルオロメチル置換基を持つトリフルオロ酢酸のpKa_は0.23です_）。電子供与性置換基はより弱い酸になります（ギ酸のpKaは_{3.75ですが、}メチル置換基を持つ酢酸のpKa_は4.76です） ^{[ 6 ]} 

カルボン酸の脱プロトン化によりカルボン酸アニオンが生成する。これらのアニオンは共鳴安定化されており、負電荷が2つの酸素原子に非局在化することでアニオンの安定性が増す。カルボン酸アニオン中の各炭素-酸素結合は部分的な二重結合性を持つ。カルボニル炭素の部分的な正電荷は、2つの酸素原子上の-1/2の負電荷によって_も弱め^られる。

カルボン酸はしばしば強い酸っぱい臭いを放つ。カルボン酸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る。^{[ 9 ]}

カルボン酸は赤外分光法によって容易に識別できます。1680 ～1725 cm⁻¹の間にC=O カルボニル結合の振動 ( ν _C=O ) に関連する鋭いバンドを示します。特徴的なν _{O–Hバンドは、2500～} ^{3000 cm⁻¹}の領域に幅広いピークとして現れます。^{[ 4 ] [ 10 ] 1H} NMR分光法では、ヒドロキシル水素は10 ～13 ppm の領域に現れますが、微量の水との交換により、しばしば幅広くなったり、観測されなかったりします。  

リブロース-1,5-ビスリン酸カルボキシラーゼ/オキシゲナーゼ（別名RuBisCo）は、最も豊富なタンパク質であり、炭酸化を触媒してカルボン酸を生成します。この変換は、光合成における炭素固定の段階です。^{[ 12 ]} クエン酸、シュウ酸、アミノ酸など、生物学的に広く存在する他のカルボン酸への経路は、チオエステルとリン酸エステルの加水分解を伴います。

実験室規模で用いら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・高温に対応できる特殊な装置が必要となることが多い。

• アルコールのカルボニル化は、酢酸製造のためのカチバ法に代表される。ギ酸は、メタノールを原料とする別のカルボニル化経路によって製造される。
• コバルトおよびマンガン触媒を用いたアルデヒドの空気酸化。必要なアルデヒドは、アルケンのヒドロホルミル化によって得ることができる。
• 空気を用いた炭化水素の酸化。単純なアルカンの場合、この方法は安価ですが、選択性が十分ではないため実用的ではありません。アリル化合物とベンジル化合物は、より選択的な酸化を受けます。ベンゼン環上のアルキル基は、鎖長に関係なくカルボン酸に酸化されます。トルエンからの安息香酸、パラキシレンからのテレフタル酸、オルトキシレンからのフタル酸は、大規模な変換の例です。アクリル酸はプロペンから生成されます。^{[ 13 ]}
• アルケンのヒドロカルボキシル化。この方法は、イソブチレンからピバル酸への反応のように、第二級および第三級カルボカチオンを生成するアルケンに有効です。コッホ反応では、アルケンまたはアルキンへの水と一酸化炭素の付加は強酸によって触媒されます。ヒドロカルボキシル化では、水とCOが同時に付加されます。このような反応は「レッペ化学」と呼ばれることもあります。

HC≡CH + CO + H ₂ O → CH ₂ =CH−CO ₂ H

• エステルの加水分解。 植物油または動物油から得られるトリグリセリドは、長鎖カルボン酸の前駆体であり、石鹸製造に関連しています。
• エタノールの発酵。この方法は酢の製造に用いられる。
• 炭酸化、例えばアスピリンの前駆体であるサリチル酸への経路としてのコルベ・シュミット反応など。

研究用または精密化学品の製造のための小規模反応の調製法では、高価な消耗試薬が用いられることが多い。

• 第一級アルコールまたはアルデヒドを二クロム酸カリウム、ジョーンズ試薬、過マンガン酸カリウム、亜塩素酸ナトリウムなどの強力な酸化剤で酸化する。この方法は、クロムやマンガン酸化物などの無機副生成物の生成が少ないため、「より環境に優しい」空気の工業的使用よりも実験室条件に適している。^{[ 14 ]}
• オゾン分解、過マンガン酸カリウム、または二クロム酸カリウムによるオレフィンの酸化的開裂。
• ニトリル、エステル、またはアミドの加水分解。通常は酸触媒または塩基触媒を用いる。
• グリニャール試薬^{[ 15 ] [ 16 ]}および有機リチウム試薬の炭酸化：

RLi + CO ₂ → RCO − 2 Li ⁺

RCO − 2 Li ⁺ + HCl → RCO ₂ H + LiCl

• ハロホルム反応におけるメチルケトンのハロゲン化とその後の加水分解
• 塩基触媒による非エノール化ケトン、特にアリールケトンの開裂：^{[ 17 ]}

R−C(=O)− Ar + H ₂ O → R−​​CO ₂ H + ArH

多くの反応はカルボン酸を生成するが、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っている。

• カニッツァーロ反応におけるアルデヒドの不均化
• ベンジル酸転位におけるジケトンの転位
• 安息香酸の生成に関わる反応としては、ニトロベンゼンからのフォン・リヒター反応とフェノールからのコルベ・シュミット反応が挙げられる。

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。このカルボン酸塩では、ヒドロキシル基（-OH）の水素が金属カチオンに置き換わります。例えば、酢に含まれる酢酸は重曹（炭酸水素ナトリウム）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

広く行われている反応では、カルボン酸をエステル、アミド、カルボン酸塩、酸塩化物、アルコールに変換します。エステルへの変換は、例えばポリエステルの製造などで広く利用されています。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、エステルがアミドの典型的な前駆体となります。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 、水が蒸発してアミドが生成されます。このアミド合成法は工業的に重要であり、実験室でも応用されています。^{[ 18 ]}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できます。しかし、縮合によって水が生成され、この水が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、縮合による無水物の生成は平衡プロセスです。

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を介してエステルを形成します。これも平衡反応です。あるいは、ジアゾメタンを使用して酸をエステルに変換することもできます。ジアゾメタンを用いたエステル化反応は定量的収率が得られることが多いですが、ジアゾメタンはメチルエステルの生成にのみ有用です。^{[ 18 ]}

エステルと同様に、ほとんどのカルボン酸は水素化反応、または水素化アルミニウムリチウムなどの水素化物転移剤を用いることでアルコールに還元できます。有機リチウム化合物などの強力なアルキル転移剤（グリニャール試薬は除く）は、アルキル基の転移とともにカルボン酸を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、カルボン酸還元のための非常に化学選択的な試薬です。この試薬は、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生成し、これをトリス（t-ブトキシ）アルミニウム水素化リチウムなどの穏やかな還元剤で還元すると、ワンポット法でアルデヒドが得られます。この方法は、ケトンなどの反応性カルボニル官能基、および中程度の反応性を持つエステル、オレフィン、ニトリル、およびハロゲン化物部分に対して耐性があることが知られています。^{[ 19 ]}

カルボン酸のヒドロキシル基は、塩化チオニルを用いて塩素原子に置換され、アシルクロリドが得られる。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。まず、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。生成したオキソニウムイオン2は求核攻撃に対して活性化され、良好な脱離基を持つため、通常のカルボン酸とは異なる。次の段階で、2 は塩化物イオンによって攻撃され、四面体中間体3 、クロロスルフィットが生成する。四面体中間体は、二酸化硫黄と塩化物イオンの脱離とともに崩壊し、プロトン化されたアシルクロリド4を生成する。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の脱離とともにアシルクロリド5が得られる。

リン(III)塩化物（PCl₃ _）とリン(V)塩化物（PCl₅ _）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。PCl₃ ₁当量と酸3当量では、目的とする酸塩化物に加えて、リン酸（H₃PO₃ _）1当量が生成されます。PCl₅_はカルボン酸と1:1の比率で反応し、副生成物としてオキシ塩化リン(V)（POCl₃ _）と塩化水素（HCl）を生成します。

カルボン酸はグリニャール試薬や有機リチウム化合物と反応してケトンを生成する。最初の当量の求核剤は塩基として働き、酸を脱プロトン化する。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、これは後処理時にプロトン化されてケトンの水和物となる。ほとんどのケトン水和物は対応するケトンに比べて不安定であるため、両者の平衡はケトン側に大きく偏る。例えば、アセトンからアセトン水和物を生成する平衡定数はわずか0.002である。カルボキシル基は有機化合物の中で最も酸性が強い。^{[ 20 ]}

• すべてのカルボニル化合物と同様に、 α炭素上のプロトンはケト-エノール互変異性のため不安定である。したがって、α炭素はヘル-ボルハルト-ゼリンスキーハロゲン化反応で容易にハロゲン化される。
• シュミット反応はカルボン酸をアミンに変換する。
• カルボン酸はハンスディッカー反応で脱炭酸される。
• ダキン・ウェスト反応は、アミノ酸を対応するアミノケトンに変換する反応である。
• バルビエ・ヴィーラント分解では、 α位に単純なメチレン架橋を持つ脂肪族鎖上のカルボン酸の鎖が炭素原子1個分短縮される。その逆の反応がアルント・アイステルト合成であり、酸をアシルハライドに変換し、それをジアゾメタンと反応させることで、脂肪族鎖にメチレン基を1つ追加する。
• 多くの酸は酸化的脱炭酸反応を起こします。これらの反応を触媒する酵素は、カルボキシラーゼ（EC  6.4.1）および脱炭酸酵素（EC 4.1.1）として知られています 。
• カルボン酸は、エステルとDIBALを介して、ローゼンムント還元では酸塩化物を介して、福山還元ではチオエステルを介してアルデヒドに還元される。
• ケトン脱炭酸反応では、カルボン酸がケトンに変換される。
• 有機リチウム試薬（2当量以上）はカルボン酸と反応して、安定な四面体中間体であるジリチウム1,1-ジオラートを生成し、酸性条件下での後処理によりケトンに分解する。
• コルベ電気分解は、電気分解による脱炭酸二量化反応である。この反応では、2つの酸分子のカルボキシル基が除去され、残った断片が結合する。