[科普中國(guó)]-羧基化作用

羧基化作用（英語(yǔ)：Carboxylation，或稱為羧化反應(yīng)、羧基化、羧化）是有機(jī)化學(xué)中的一大類化學(xué)反應(yīng)，指將羧基官能團(tuán)加到底物上，其逆反應(yīng)為脫羧反應(yīng)，在生物化學(xué)中，羧化作用是翻譯后修飾的一種。

簡(jiǎn)介羧基化作用，英文名稱為carboxylation，是指在有機(jī)化合物分子引入梭 基的反應(yīng)。包括有機(jī)化學(xué)上的羧基化作用，生物化學(xué)上的羧基化作用，羧基化作用是蛋白質(zhì)翻譯后修飾中重要的反應(yīng)。

在有機(jī)反應(yīng)中羧基化作用的離子包括格氏試劑與二氧化碳加成水解后的產(chǎn)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(yīng)生成羥基苯甲酸；氨基睛水解得到氨基酸。有機(jī)化學(xué)中的羧基化作用一般是通過(guò)親核反應(yīng)來(lái)完成的。

在生物化學(xué)中，羧化作用是蛋白質(zhì)的谷氨酸殘基羧基化為γ-羧基谷氨酸的一種翻譯后修飾方式。它主要發(fā)生在凝血級(jí)聯(lián)中的蛋白質(zhì)上，具體為凝血因子II、VII、IX、X以及蛋白X、蛋白C和蛋白S，這種翻譯后修飾改變了這些蛋白質(zhì)的功能。羧化也發(fā)生在肝臟，由γ-谷氨酰羧化酶執(zhí)行。 羧基裂合酶需要持續(xù)性地以維生素K作為輔因子才能進(jìn)行羧化作用，而與鈣結(jié)合也是γ-羧基谷氨酸激活的必要條件。例如，在凝血級(jí)聯(lián)中，鈣結(jié)合使得凝血酶原蛋白質(zhì)與血小板細(xì)胞膜相連接，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(yīng)（Kolbe-Schmitt反應(yīng)）是干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(yīng)。它是向芳環(huán)上引入羧基的一種常用方法，常用的工業(yè)原料水楊酸（鄰羥基苯甲酸）就是利用此法，通過(guò)苯酚鹽與二氧化碳作用制得的。反應(yīng)以德國(guó)化學(xué)家阿道夫·威廉·赫爾曼·科爾貝和魯?shù)婪颉な┟芴孛?/p>

羧基的位置很大程度上取決于反應(yīng)溫度和酚鹽的種類。酚鉀和溫度較高時(shí)有利于對(duì)位異構(gòu)體的生成，為熱力學(xué)產(chǎn)物；酚鈉及反應(yīng)溫度較低時(shí)利于產(chǎn)生鄰位產(chǎn)物，為動(dòng)力學(xué)產(chǎn)物。鄰位異構(gòu)體加熱可以異構(gòu)為對(duì)位產(chǎn)物。

對(duì)于取代的酚，環(huán)上烷基、甲氧基、羥基和氨基使反應(yīng)容易進(jìn)行，產(chǎn)率增加；吸電子的氰基、硝基和羧基使反應(yīng)速率減慢，反應(yīng)條件變得苛刻，產(chǎn)率也較低?；撬峄拇嬖谑狗磻?yīng)不能發(fā)生。

酚鹽負(fù)離子對(duì)二氧化碳發(fā)生親核加成，經(jīng)過(guò)一個(gè)鈉與兩個(gè)氧配位的六元環(huán)中間體，生成羥基苯甲酸負(fù)離子，酸化生成羥基苯甲酸。

機(jī)理如下圖所示：

相關(guān)研究二氧化碳參與的鹵代苯乙酮的電化學(xué)羧化研究：

隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展和人類活動(dòng)的頻繁，生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重，如水污染、土壤污染、空氣污染和溫室效應(yīng)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(yīng),導(dǎo)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(yīng)，同時(shí)還能保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)豐富的碳資源的有效利用。隨著環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng),化學(xué)工作者提出了“綠色化學(xué)”的概念,而有機(jī)電合成作為一種新型的綠色合成技術(shù)，可以把電子作為還原劑或氧化劑，從而實(shí)現(xiàn)反應(yīng)的“原子經(jīng)濟(jì)性”利用。有機(jī)電羧化反應(yīng)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(tuán)的電羧化。其中，C-X鍵的電羧化是通過(guò)電化學(xué)方法還原有機(jī)鹵代物，使C-X鍵斷裂而脫掉鹵素離子，再得電子后生成的碳負(fù)離子親核進(jìn)攻二氧化碳形成羧酸類化合物。有機(jī)鹵化物是一類易致癌、毒性較強(qiáng)且難以降解的污染物，通過(guò)電化學(xué)的方法對(duì)其進(jìn)行電羧化不僅能有效固定C02，而且還能將其轉(zhuǎn)化為有用的化合物，減少環(huán)境污染。

當(dāng)?shù)孜镏泻袃蓚€(gè)或多個(gè)以上的活化基團(tuán)時(shí)，就涉及到不同活化基團(tuán)的競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，當(dāng)?shù)孜镏泻蠧=O雙鍵和C-X鍵兩個(gè)活化基團(tuán)時(shí)，如鹵代苯乙酮和鹵代二苯甲酮的恒電位電羧化，底物得到一個(gè)電子后生成鹵代的自由基陰離子，而后發(fā)生兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)，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，然后其中的C=O雙鍵電羧化生成去鹵代的羥酸，總之主產(chǎn)物為C=O雙鍵電羧化的產(chǎn)物，但在本工作中對(duì)鹵代苯乙酮進(jìn)行電還原時(shí)發(fā)現(xiàn)，主產(chǎn)物為C-X鍵的羧化產(chǎn)物對(duì)乙酰基苯甲酸甲酯，反應(yīng)過(guò)程中同時(shí)還伴有C-X鍵的氫化產(chǎn)物苯乙酮及其電羧化產(chǎn)物2-苯基-2-羥基丙酸。1

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

蒲富永 - 教授 - 西南大學(xué)