3.4 羧酸 羧酸衍生物-【新课程能力培养】2024-2025学年高中化学选择性必修3学习手册（人教版）

学 第三章 烃的衍生物 第四节 羧酸 羧酸衍生物 学 习 目 标 1. 了解羧酸的结构特点和分类。 2. 能根据酯化反应的原理优化乙酸乙酯制备 的方案， 提高乙酸乙酯的产率。 3. 了解酯和酰胺的结构特点和分类， 理解酯 和酰胺的化学性质。 4. 能推测酯类物质水解产物。 知 识 梳 理 知识点 1 羧酸的结构与性质 1. 概念 羧酸是由烃基 （或氢原子） 与羧基相连 构成的有机化合物。 2. 分类 （ 1 ） 根据羧基相连的烃基不同， 可以分为脂肪 酸、 芳香酸 （如苯甲酸 — COOH ）。 （ 2 ） 根据羧酸分子中羧基的数目， 可以分为 一 元 羧 酸 、 二 元 羧 酸 （如 乙 二 酸 、 HOOC — COOH ） 和多元羧酸等。 （ 3 ） 根据分子里的烃基是否饱和， 可以分为 饱和羧酸、 不饱和羧酸。 （ 4 ） 根据脂肪酸分子里的碳原子的个数， 可 以分 为 高 级 脂 肪 羧 酸 （如 硬 脂 酸 、 C 17 H 35 COOH ）、 低级脂肪羧酸 （如乙酸、 CH 3 COOH ）。 3. 化学性质 羧酸的官能团是— COOH ， 受氧原子电 负性大的影响， 其结构中两个部位易断键 — C — O — H O 啄 - 啄 + （ 1 ） 酸性 当 O — H 键断裂时 ， 羧酸表现酸性 ， 但分子中烃基不同， 酸性也不同。 对于饱和 一元羧酸， 随着碳原子数增多， 酸性逐渐 减弱。 （ 2 ） 取代反应 当 C — O 键断裂时， — OH 被其他基团 取代， 生成酯、 酰、 胺等羧酸衍生物。 羧酸都可以发生酯化反应： 知识点 2 乙酸的结构与性质 1. 物理性质 乙酸又叫醋酸， 熔点 17 ℃ ， 沸点 118 ℃ 。 有强烈刺激性气味的液体 ， 易溶于水和 乙醇。 纯净的乙酸在温度低于熔点时， 可凝结 成无色冰状晶体， 所以又称冰醋酸。 2. 组成与结构 R — C — OH+H — O — R′ 浓硫酸 △ R — C — OR′+H 2 O O O 分子式 （化学式） C 2 H 4 O 2 结构式 结构简式 CH 3 COOH H — C — C — O — H O H H 55 学 高中化学选择性必修 3 （人教版） 3. 化学性质 （ 1 ） 弱酸性 ① 乙酸在水溶液里部分电离产生 H + ， 电离 方程式为 CH 3 COOH CH 3 COO － +H + ， 从 而使乙酸具有酸的通性。 ② 乙酸的酸性强于碳酸， 常见几种物质的酸 性强弱顺序： 乙酸 > 碳酸 > 苯酚 >HCO － 3 。 （ 2 ） 酯化反应 ① 乙酸与醇反应的化学方程式 （用示踪原子 标记法探究反应机理）： ② 羧酸与醇发生酯化反应时， 酸脱羟基， 醇 脱氢； 酯化反应一般是可逆反应。 ③ 乙酸与乙醇反应时， 增大乙酸乙酯产率的 方法是移去产物乙酸乙酯或增大乙醇的 浓度。 4. 常见的羧酸 （ 1 ） 甲酸： 甲酸 （ H — C — OH O ） 又叫蚁酸， 是一种 无色、 有刺激性气味的液体， 有腐蚀性。 甲 酸可看作分子中含有羧基和醛基两种官能 团， 所以甲酸不仅有羧酸的通性， 还兼有醛 的性质。 （ 2 ） 乙二酸 （草酸 ， HOOC — COOH ）： 无 色晶体， 通常含两分子结晶水， 可溶 于水和乙醇， 是化学分析中常用的还 原剂。 （ 3 ） 苯甲酸 （安息香酸 ， — COOH ）： 属于芳香酸， 是一种无色晶体， 易升 华， 微溶于水， 易溶于乙醇， 用于合成 香料、 药物， 其钠盐是常用的食品防 腐剂。 知识点 3 酯的结构与性质 1. 酯的组成与结构 （ 1 ） 酯是羧酸分子羧基中的— OH 被— OR′ 取代后的产物， 简写为 RCOOR′ ， 其中 R 和 R′ 可以相同， 也可以不同。 R 是烃 基， 也可以是 H ， 但 R′ 只能是烃基。 （ 2 ） 羧酸酯的官能团是酯基 — C — O — O 。 （ 3 ） 饱和一元羧酸 C n H 2n+1 COOH 与饱和一元 醇 C m H 2m +1 OH 生 成 酯 的 结 构 简 式 为 C n H 2n+1 COOC m H 2m+1 ， 故饱和一元酯的通 式为 C n H 2n O 2 （ n≥2 ）。 （ 4 ） 命名： 根据生成酯的酸和醇命名为某酸 某酯。 （ 5 ） 同分异构现象： 同碳数的饱和一元羧酸 与饱和一元酯互为同分异构体。 分子式 （化学式） C 2 H 4 O 2 官能团 结构简式： — COOH 名称： 羧基 分子结构 续表 CH 3 C — 18 OH+H — OC 2 H 5 浓硫酸 △ CH 3 — C — O — C 2 H 5 +H 2 18 O 。 O O （ 4 ） 其他几种常见羧酸的结构简式： 乳酸： 柠檬酸： CH 3 — CH — COOH OH HO — C — COOH CH 2 COOH CH 2 COOH （ 2鄄 羟基丙酸） 56 学 第三章 烃的衍生物 2. 酯的性质 （ 1 ） 水解反应 酯化反应形成的键， 即是酯水解反应断 裂的键。 原理可表示为： （ 2 ） 酯在酸性或碱性条件下的水解反应 ① 在酸性条件下， 是可逆反应。 乙酸乙酯在稀 H 2 SO 4 存在下水解的化学 方程式为 CH 3 COOC 2 H 5 +H 2 O 稀硫酸 △ CH 3 COOH+ C 2 H 5 OH 。 ② 在碱性条件下， 酯水解生成羧酸盐和醇， 不可逆。 乙酸乙酯在 NaOH 存在下水解的化学方 程式为 CH 3 COOC 2 H 5 +NaOH △ CH 3 COONa+ C 2 H 5 OH 。 3. 存在、 物理性质和用途 （ 1 ） 低级酯存在于水果中， 如苹果中含戊酸 戊酯、 菠萝含丁酸乙酯、 香蕉含乙酸异 戊酯。 （ 2 ） 相对分子量小通常为液体的酯是具有芳 香气味、 难溶于水、 比水轻的液体， 易 溶于有机溶剂。 （ 3 ） 日常生活中的饮料、 糖果、 糕点等常使 用酯类香料。 知识点 4 油脂 1. 组成和结构 油脂是高级脂肪酸与甘油反应所生成的 酯， 由 C 、 H 、 O 三种元素组成， 其结构可 表示为 CH 2 — O — C — R CH — O — C — R′ CH 2 — O — C — R″ O O O 。 2. 常见的几种高级脂肪酸 组成油脂的高级脂肪酸种类较多， 但多 数是含有 16～18 个碳原子的直链高级脂肪 酸。 常见的有： （ 1 ） 饱和脂肪酸： 如硬脂酸 C 17 H 35 COOH ， 软 脂酸 C 15 H 31 COOH 。 （ 2 ） 不饱和脂肪酸： 如油酸 C 17 H 33 COOH ， 亚 油酸 C 17 H 31 COOH 。 3. 油脂的分类 4. 油脂的物理性质 5. 油脂的化学性质 （ 1 ） 水解反应 油脂在酸碱等催化条件下水解 ① 油脂在酸的作用下发生反应的方程式 （以 R — C — O — R′+H — OH R — C — OH+R′ — OH O O 脂肪 饱和—固态 不饱和—液态 油 根据烃基的 饱和程度 混合甘油酯 烃基不同 烃基相同 简单甘油酯 根据烃基中 烃基种类 油脂 难溶于水， 易溶于有机溶剂 比水小 天然油脂都是混合物， 无恒定的 熔、 沸点 熔、 沸点 密度 溶解性 油脂 57 学 高中化学选择性必修 3 （人教版） 硬 脂 酸 甘 油 酯 为 例 ） ， C 17 H 35 COOCH 2 C 17 H 35 COOCH C 17 H 35 COOCH 2 ＋ 3H 2 O H + △ 3C 17 H 35 COOH+ CH 2 OH CHOH CH 2 OH 。 ② 油脂与碱作用生成高级脂肪酸盐和甘油的 反应称为皂化反应。 方程式 （以硬脂酸甘 油酯为例） 如下： （ 2 ） 油脂的氢化 含有不饱和键的油脂可以通过催化加氢 的方法转变为饱和高级脂肪酸甘油酯， 我们 把此过程称为 “油脂的氢化” 或 “油脂的硬 化”， 得到的产物称为 “人造脂肪” 或 “硬化 油”， 不易被空气氧化变质， 便于储存和运输， 可以用来制肥皂， 也可以用来生产人造奶油。 油酸甘油酯与氢气发生加成反应的化 学方程式为 CH 2 — OOCC 17 H 33 CH — OOCC 17 H 33 CH 2 — OOCC 17 H 33 +3H 2 催化剂 △ CH 2 — OOCC 17 H 35 CH — OOCC 17 H 35 CH 2 — OOCC 17 H 35 。 （ 3 ） 用途 油脂是人类重要的营养物质和食物之 一， 也是一种重要的工业原料。 知识点 5 胺和酰胺 1. 胺 （ 1 ） 定义： 烃基取代氨分子中的氢原子而形 成的化合物， 称为胺。 （ 2 ） 结构： R — NH 2 ， 例如： CH 3 — NH 2 （甲 胺）、 — NH 2 （苯胺）。 （ 3 ） 性质： 胺类化合物有碱性， 可与盐酸反 应生成盐。 — NH 2 +HCl→ — NH 3 Cl （ 4 ） 用途： 重要的化工原料。 甲胺和苯胺都 是合成医药、 农药和染料的重要原料。 2. 酰胺 （ 1 ） 定义： 羧酸分子中羟基被氨基取代得到 的化合物， 称为酰胺。 （ 2 ） 结构： R — C — NH 2 O ， 例如： CH 3 — C — NH 2 O （乙酰胺）、 — C — NH 2 O （苯甲酰胺）、 C 17 H 35 COOCH 2 C 17 H 35 COOCH C 17 H 35 COOCH 2 +3NaOH △ 3C 17 H 35 COONa+ CH 2 — OH CH — OH CH 2 — OH 。 教材拓展 肥皂的制取流程 油脂 +NaOH （水解） 高级脂肪 酸钠、 甘 油和水 + 固体食盐 （盐析） 上层 ： 高 级脂肪酸 钠 （肥皂） 下层： 甘 油、 NaCl 溶液 （蒸馏） 甘油 58 学 第三章 烃的衍生物 H — C — N （ CH 3 ） 2 O （ N ， N鄄 二甲基甲酰胺）。 （ 3 ） 性质： 水解反应 RCONH 2 +H 2 O+HCl △ RCOOH+NH 4 Cl RCONH 2 +NaOH △ RCOONa+NH 3 ↑ （ 4 ） 应用： 主要用作溶剂和化工原料， 医药 工业上用于生产维生素、 激素， 二甲基 甲酰胺也用于制造杀虫脒。 要 点 精 析 要点 1 羧酸与酚、 醇的羟基性质比较 典例 1 某有机物 A 的结构简式为 — CH 2 COOH HO — CH 2 — CHO CH 2 OH ， 取 一 定 量 Na 、 NaOH 、 NaHCO 3 分别与等物质的量的该物 质充分反应 （反应时可加热煮沸）， 则消耗 Na 、 NaOH 、 NaHCO 3 三种物质的物质的量 之比为 （ ） A. 2 ∶ 2 ∶ 1 B. 1 ∶ 1 ∶ 1 C. 3 ∶ 2 ∶ 1 D. 3 ∶ 3 ∶ 2 解析： 有机物 A 的分子中含有醇羟基、 酚羟 基、 醛基、 羧基， 因此它同时具有醇、 酚、 醛、 酸四类物质的化学特性。 与钠反应时， 酚羟基 、 羧基 、 醇羟基均能参加反应 ， 1 mol A 消耗 3 mol Na ； 与 NaOH 反应的官 能团是酚羟基、 羧基， 1 mol A 消耗 2 mol NaOH ； 与 NaHCO 3 反应的官能团只有羧基， 1 mol A 只能与 1 mol NaHCO 3 反应。 故消 耗 Na 、 NaOH 、 NaHCO 3 三种物质的物质的 量之比为 3 ∶ 2 ∶ 1 。 答案： C 点拨： 醇羟基、 酚羟基、 羧基中均含羟基， 但由于这些羟基所连基团不同， 羟基受所连 基团的影响不同， 活性不同， 活性顺序为羧 酸 > 酚 > 水 > 醇。 要点 2 酯化反应与酯的水解反应的比较 典例 2 分子式为 C 4 H 6 O 5 的有机物 A 有如 下性质： ① 1 mol A +2 mol NaOH→ 正 盐 ； ② A + RCOOH 或 ROH 一定条件 有香味的物质 （ R 为 醇 酚 羧酸 羟基上氢原 子活泼性 在水溶液中 电离 极难电离 微弱电离 部分电离 酸碱性 中性 很弱的酸性 弱酸性 与 Na 反应 反应放出 H 2 反应放出 H 2 反应放出 H 2 与 NaOH 反应 不反应 反应 反应 与 NaHCO 3 反应 不反应 不反应 反应放出 CO 2 逐渐增强 比较 项目 含羟基 物质 酯化反应 酯的水解反应 反应关系 CH 3 COOH ＋C 2 H 5 OH 浓硫酸 △ CH 3 COOC 2 H 5 ＋ H 2 O 催化剂 浓硫酸 稀硫酸或 NaOH 溶液 催化剂的 其他作用 吸水、 提高 CH 3 COOH 和 C 2 H 5 OH 的转化率 NaOH 中 和 酯 水 解 生 成 的 羧 酸 、 提高酯的水解率 加热方式 酒精灯火焰加热 水浴加热 反应类型 酯化反应、 取代反应 水解反应、 取代反应 59 学 高中化学选择性必修 3 （人教版） 烃基）； ③1 mol A 足量 Na 1.5 mol 气体； ④A 的分子内脱水产物 （不是环状化合物） 可使 溴水褪色。 根据以上信息， 对有机物 A 的结构判断错 误的是 （ ） A. 肯定没有碳碳双键 B. 有两个羧基 C. 肯定有醇羟基 D. 有 RCOOR′ 结构 解析： 由 ② 知 A 分子中有羟基、 羧基， 由 ① ③ 中信息再结合 A 分子中氧原子数目知 A 分子中有 1 个— OH 、 2 个— COOH ； 由于 4 个碳原子最多可结合 10 个氢原子， 因此结 构中有 2 个碳氧双键， 组成上应比饱和结构 少 4 个氢原子， 故结构中不可能再有碳碳 双键。 答案： D 点拨： 有机分子式不饱和度是推测有机分子 可能含有的官能团的重要依据。 要点 3 脂肪、 油、 矿物油三者的比较 典例 3 东航首次成功进行了由地沟油生产 的生物航空燃油的验证飞行。 能区别地沟油 （加工过的餐饮废弃油） 与矿物油 （汽油、 煤油、 柴油等） 的方法是 （ ） A. 点燃， 能燃烧的是矿物油 B. 测定沸点， 有固定沸点的是矿物油 C. 加入水中， 浮在水面上的是地沟油 D. 加入足量氢氧化钠溶液共热， 不分层的是 地沟油 解析： 地沟油的主要成分是油脂， 在氢氧化 钠溶液中可水解而不分层； 矿物油的主要成 分是烃的混合物， 不溶于水、 氢氧化钠溶 液； 它们都能燃烧， 密度比水小， 没有固定 的沸点， 因此选 D 。 答案： D 点拨： 油脂是高级脂肪酸甘油酯， 属于酯 类， 具备酯基能水解的特性。 矿物油是烃 类， 不水解。 脂肪、 油、 矿物油三者的比较 油脂 性质 固态或半固态 液态 液态 具有酯的性质， 能水解， 有 的油脂兼有烯烃的性质 具有烃的性质， 不能水解 鉴别 加含酚酞的 NaOH 溶液， 加 热， 红色变浅不再分层 加 含 酚 酞 的 NaOH 溶 液 ， 加热， 无变化 用途 营养素可食用， 化工原料如 制肥皂、 甘油 燃料、 化工原料 物质 矿物油 脂肪 油 组成 多种高级脂肪酸的甘油酯 多种烃 （石油 及其分馏产品） 含饱和烃基多 含不饱和烃基多 60