羧基化作用

羧基化作用（英語：Carboxylation，或稱為羧化反應、羧基化、羧化）是有機化學中的一大類化學反應，指將羧基官能團加到底物上，其逆反應為脫羧反應，在生物化學中，羧化作用是翻譯後修飾的一種。

基本介紹

• 中文名：羧基化作用
• 外文名：Carboxylation
• 別名：羧化反應、羧基化
• 相關學科：有機化學、生物化學
• 描述：將羧基官能團引入底物的過程

定義

羧基化作用，英文名稱為carboxylation，是指在有機化合物分子引入羧基的反應。包括有機化學上的羧基化作用，生物化學上的羧基化作用，羧基化作用是蛋白質翻譯後修飾中重要的反應。

在有機反應中羧基化作用的離子包括格氏試劑與二氧化碳加成水解後的產物生成羧酸；酚鈉鹽或鉀鹽在加壓、加熱條件下與二氧化碳反應生成羥基苯甲酸；氨基睛水解得到胺基酸。有機化學中的羧基化作用一般是通過親核反應來完成的。

在生物化學中，羧化作用是蛋白質的谷氨酸殘基羧基化為γ-羧基谷氨酸的一種翻譯後修飾方式。它主要發生在凝血級聯中的蛋白質上，具體為凝血因子II、VII、IX、X以及蛋白X、蛋白C和蛋白S，這種翻譯後修飾改變了這些蛋白質的功能。羧化也發生在肝臟，由γ-谷氨醯羧化酶執行。 羧基裂合酶需要持續性地以維生素K作為輔因子才能進行羧化作用，而與鈣結合也是γ-羧基谷氨酸激活的必要條件。例如，在凝血級聯中，鈣結合使得凝血酶原蛋白質與血小板細胞膜相連線，使它靠近切割凝血酶原的酶以水解生成有活性凝血酶。

舉例

科爾貝－施密特反應（Kolbe-Schmitt反應）是乾燥的酚鈉或酚鉀與二氧化碳在加溫（125-150°C）加壓（100atm）下生成羥基苯甲酸的反應。它是向芳環上引入羧基的一種常用方法，常用的工業原料水楊酸（鄰羥基苯甲酸）就是利用此法，通過苯酚鹽與二氧化碳作用製得的。反應以德國化學家阿道夫·威廉·赫爾曼·科爾貝和魯道夫·施密特命名。

柯爾特-施密特反應

羧基的位置很大程度上取決於反應溫度和酚鹽的種類。酚鉀和溫度較高時有利於對位異構體的生成，為熱力學產物；酚鈉及反應溫度較低時利於產生鄰位產物，為動力學產物。鄰位異構體加熱可以異構為對位產物。

對於取代的酚，環上烷基、甲氧基、羥基和氨基使反應容易進行，產率增加；吸電子的氰基、硝基和羧基使反應速率減慢，反應條件變得苛刻，產率也較低。磺酸基的存在使反應不能發生。

酚鹽負離子對二氧化碳發生親核加成，經過一個鈉與兩個氧配位的六元環中間體，生成羥基苯甲酸負離子，酸化生成羥基苯甲酸。

機理如圖１所示：

圖１

相關研究

二氧化碳參與的鹵代苯乙酮的電化學羧化研究：

隨著工業的迅猛發展和人類活動的頻繁，生態環境問題日益嚴重，如水污染、土壤污染、空氣污染和溫室效應等。加上森林植被的破壞,使得大氣中二氧化碳和各種氣體微粒含量增加，加劇了溫室效應,導致全球性氣候變暖。因此，二氧化碳的回收利用不僅可以有效地緩解溫室效應，同時還能保護環境，實現豐富的碳資源的有效利用。隨著環境保護意識的增強,化學工作者提出了“綠色化學”的概念,而有機電合成作為一種新型的綠色合成技術，可以把電子作為還原劑或氧化劑，從而實現反應的“原子經濟性”利用。有機電羧化反應是一種固定CO2的有效方法，它包括C=C雙鍵、C=O雙鍵、C=N雙鍵和C-X鍵等活化基團的電羧化。其中，C-X鍵的電羧化是通過電化學方法還原有機鹵代物，使C-X鍵斷裂而脫掉鹵素離子，再得電子後生成的碳負離子親核進攻二氧化碳形成羧酸類化合物。有機鹵化物是一類易致癌、毒性較強且難以降解的污染物，通過電化學的方法對其進行電羧化不僅能有效固定C02，而且還能將其轉化為有用的化合物，減少環境污染。

當底物中含有兩個或多個以上的活化基團時，就涉及到不同活化基團的競爭反應。據相關文獻報導，當底物中含有C=O雙鍵和C-X鍵兩個活化基團時，如鹵代苯乙酮和鹵代二苯甲酮的恆電位電羧化，底物得到一個電子後生成鹵代的自由基陰離子，而後發生兩個競爭反應，一種為自由基陰離子中的C=O雙鍵電羧化生成鹵代羥酸，另一種為鹵代自由基陰離子中的鹵素脫去，生成去鹵代的苯乙酮或二苯甲酮，然後其中的C=O雙鍵電羧化生成去鹵代的羥酸，總之主產物為C=O雙鍵電羧化的產物，但在本工作中對鹵代苯乙酮進行電還原時發現，主產物為C-X鍵的羧化產物對乙醯基苯甲酸甲酯，反應過程中同時還伴有C-X鍵的氫化產物苯乙酮及其電羧化產物2-苯基-2-羥基丙酸。