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第4节 羧酸 氨基酸和蛋白质
第1课时 羧酸
课标要点
核心素养
1.宏观辨识与微观探析
2.证据推理与模型认知
3.科学探究与创新意识
4.科学态度与社会责任
1.了解常见羧酸的结构、性质及主要用途。
2.能用系统命名法命名简单羧酸。
3.掌握羧酸的主要化学性质。
4.了解酯的结构特点及化学性质。
5.了解酯的水解的应用(以油脂在碱性条件下的水解为例)
通过对羧酸组成、结构和性质的学习,体会“结构决定性质、性质反映结构”的思维理念
掌握酯化反应的断键规律
根据酯化反应培养实验观察能力和实验探究能力
了解酰胺在医药、农药等生产生活领域的应用
[知识梳理]
[知识点一] 羧酸
1.定义
分子由 烃基 (或 氢原子 )与 羧基 相连构成的有机化合物。
2.官能团
名称: 羧基 ,结构简式: 或 —COOH 。
3.分类
4.羧酸的命名
羧酸的命名与醛的命名相似
例如:的名称为
4甲基戊酸 。
5.物理性质
(1)水溶性:分子中碳原子数在 4 以下的羧酸能与水互溶,随着分子中碳链的增长,羧酸在水中的溶解度迅速 减小 。
(2)沸点:比相应的醇高,原因是羧酸比相对分子质量相近的醇形成 氢键 的机会多。
6.常见的羧酸
名称
甲酸
苯甲酸
乙二酸
结构简式
HCOOH
俗名
蚁酸
安息香酸
草酸
颜色、状态
无色液体
白色针状晶体
无色透明晶体
气味
刺激性气味
—
—
溶解性
与水、乙醇、乙醚、甘油等互溶
微溶于水,易溶于乙醇、乙醚
能溶于水或乙醇
用途
还原剂、消毒剂
食品防腐剂
—
7.化学性质(以RCOOH为例)
(1)酸性
①与NaHCO3反应: RCOOH+NaHCO3―→RCOONa+CO2↑+H2O 。
②与NaOH反应: RCOOH+NaOH―→RCOONa+H2O 。
(2)羧基、羟基被取代的反应
①与醇(R′OH)的酯化反应: RCOOH+R′OHeq \o(,\s\up17(浓硫酸),\s\do15(△))RCOOR′+H2O 。
②与氨反应生成酰胺: RCOOH+NH3eq \o(――→,\s\up17(△))RCONH2+H2O 。
(3)αH被取代的反应
与Cl2反应: RCH2COOH+Cl2eq \o(――→,\s\up17(催化剂))RCHClCOOH+HCl 。
(4)还原反应:RCOOHeq \o(――→,\s\up17(LiAlH4))RCH2OH。
[知识点二] 酯
1.定义
由酰基()和烃氧基(—OR′)相连构成的羧酸衍生物。
2.官能团
名称: 酯基 ,结构简式:。
3.物理性质
溶解性
密度
气味
难溶于 水, 易溶于
有机溶剂
一般比水 小
低级酯有 香味
[知识点三] 油脂
1.组成和结构
油脂的主要成分是 高级脂肪酸甘油酯 ,结构简式为。
2.分类
3.化学性质
(1)水解反应(以硬脂酸甘油酯为例)
①酸性条件下水解反应的化学方程式:
②碱性条件下水解的化学方程式:
油脂在碱性条件下的水解反应又称为 皂化 反应。
(2)与H2发生加成反应的化学方程式(以油酸甘油酯为例)
油脂与H2的加成反应,也称为油脂的 氢化 或硬化,由此可获得人造脂肪,也称为硬化油。
[微思考]
1.乙酸能否与H2发生加成反应?能否发生还原反应?
提示:乙酸不能与H2加成,能发生还原反应,可被LiAlH4还原生成CH3CH2OH。
2.植物油能否使酸性KMnO4溶液或溴水褪色?
提示:植物油组成中不饱和高级脂肪酸甘油酯含量较高,植物油中含有的碳碳双键可被酸性KMnO4溶液氧化,可与Br2发生加成反应,因此可使酸性KMnO4溶液、溴水褪色。
[自我评价]
判断对错(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)乙酸的结构简式为CH3COOH,分子中含有4个氢原子,为四元弱酸。( × )
(2)甲醛和甲酸均可发生银镜反应。( √ )
(3)酯化反应和酯的水解反应都是取代反应。( √ )
(4)植物油的沸点高于动物脂肪的沸点。( × )
(5)水溶液显酸性的有机化合物都属于羧酸。( × )
(6)乙酸分子中含有羧基,可与NaHCO3溶液反应生成CO2。( √ )
(7)含18O的乙醇与乙酸发生酯化反应生成的H2O中含18O。( × )
(8)1 mol C2H5OH和1 mol CH3COOH在浓硫酸作用下加热可以完全反应生成1 mol CH3COOC2H5。( × )
羧酸的化学性质
(素养形成——宏观辨识与微观探析)
[思考探究]
除垢剂是一种去除水垢、污垢等多种垢渍的化学制剂,某种家用除垢剂主要用于去除饮水机内的污垢。该家用除垢剂的主要成分是柠檬酸()。
1.柠檬酸分子中含有哪些官能团?
提示:羧基和(醇)羟基。
2.柠檬酸能溶解水垢,主要是哪种官能团在发挥作用?试写出柠檬酸与NaHCO3反应的化学方程式。
提示:柠檬酸含有羧基,可溶解水垢。
3.柠檬酸既可与乙酸发生酯化反应,又可与乙醇发生酯化反应,试写出柠檬酸分别与足量乙醇、乙酸反应的化学方程式。
提示:
[核心突破]
1.醇羟基、酚羟基、羧基三种官能团中羟基氢原子活泼性的比较
官能团种类
醇羟基
酚羟基
羧基
代表物结构
CH3CH2—OH
与羟基相
连的基团
CH3CH2—
电离程度
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
遇紫色石
蕊溶液
不变色
不变色
变色
与Na
反应
反应
反应
与NaOH
不反应
反应
反应
与Na2CO3
不反应
反应,但只能生成NaHCO3
反应,生成CO2
与NaHCO3
不反应
不反应
反应
结论
eq \o(――――――――――――――→,\s\up10(羟基氢原子活泼性逐渐增强))
2.酯化反应的规律
3.酯化反应的五大类型
(1)一元羧酸与一元醇之间的酯化反应,如
CH3COOH+C2H5OHeq \o(,\s\up17(浓硫酸),\s\do15(△))CH3COOC2H5+H2O。
(2)一元羧酸与多元醇之间的酯化反应,如
2CH3COOH+HOCH2CH2OHeq \o(,\s\up17(浓硫酸),\s\do15(△))
CH3COOCH2CH2OOCCH3+2H2O。
(3)多元羧酸与一元醇之间的酯化反应,如
HOOCCOOH+2CH3CH2OHeq \o(,\s\up17(浓硫酸),\s\do15(△))
CH3CH2OOCCOOCH2CH3+2H2O。
(4)多元羧酸与多元醇之间的酯化反应。此时反应有3种情形,可得到普通酯、环酯、聚酯。如
HOOCCOOH+HOCH2CH2OHeq \o(,\s\up17(浓硫酸),\s\do15(△))
eq \o(HOOCCOOCH2CH2OH,\s\do4(普通酯))+H2O;
nHOOC—COOH+nHOCH2CH2OHeq \o(――→,\s\up17(一定条件))
(5)羟基酸自身的酯化反应。此时反应有3种情形,可得到普通酯、环酯、聚酯。如
+(n-1)H2O。
[典题示例]
[典题1] 下列说法错误的是( )
A.X→Y反应类型为酯化反应
B.X、Y、Z均能使溴的四氯化碳溶液褪色
C.Y和Z互为同分异构体
D.等物质的量的X、Z分别与足量Na反应,消耗Na的物质的量之比为2∶1
解析:C [A项,对比X、Y的结构可知,X与CH3OH发生酯化反应生成Y,正确;B项,三种物质的结构简式中均含有碳碳双键,能与溴发生加成反应,可使溴的四氯化碳溶液褪色,正确;C项,Y、Z的结构简式中分别含有氧原子的个数分别为3、4,两者不是同分异构体,错误;D项,Na能与—OH和—COOH反应,1 mol X能与2 mol Na反应,1 mol Z只能与1 mol Na反应,故相同物质的量的X、Z与足量Na反应,消耗Na的物质的量之比为2∶1,正确。]
[学以致用]
1.已知某有机化合物的结构简式为
。请回答下列问题:
解析:首先判断出该有机化合物所含官能团为羧基(—COOH)、酚羟基(—OH)和醇羟基(—OH),然后判断各官能团活泼性:羧基>酚羟基>醇羟基,最后利用官能团的性质解答。由于酸性:—COOH>H2CO3>>HCOeq \o\al(-,3),所以(1)中应加入NaHCO3,只与—COOH反应;(2)中加入NaOH或Na2CO3,与酚羟基和—COOH反应;(3)中加入Na,与三种官能团都反应。
答案:(1)NaHCO3 (2)NaOH(或Na2CO3) (3)Na
乙酸乙酯的制备 酯的结构与性质
(素养形成——科学探究与创新意识)
[思考探究]
实验室用下图所示装置制取乙酸乙酯。
1.向试管中加入无水乙醇、冰醋酸和浓硫酸三种试剂的顺序是怎样的?
提示:先加入无水乙醇,然后边摇动试管边慢慢加入浓硫酸,再加冰醋酸。
2.发生反应的试管中除加入三种试剂的混合物外,还需加入几块碎瓷片,碎瓷片的作用是什么?
提示:防止暴沸。
3.收集乙酸乙酯时,饱和Na2CO3溶液的作用是什么?
提示:除去乙酸,溶解乙醇,降低乙酸乙酯的溶解度,便于分层。
4.乙酸与乙醇发生的酯化反应为可逆反应,从化学反应速率和化学平衡的角度分析,该实验中采取哪些措施有利于乙酸乙酯的制取?
提示:①加入浓硫酸:使用浓硫酸做催化剂,可加快反应速率;同时浓硫酸具有吸水性,可吸收反应生成的水,促使平衡正向移动,有利于乙酸乙酯的生成。②加热:加热可加快反应速率,并及时将产物乙酸乙酯蒸出,以利于平衡向生成乙酸乙酯的方向移动。③加入过量无水乙醇:增大一种反应物的浓度,促使平衡正向移动,有利于乙酸乙酯的生成。
[核心突破]
1.羧酸和酯的同分异构体的推导方法
(1)分子式相同的羧酸、酯和羟基醛互为同分异构体
(2)“分碳法”书写酯的同分异构体
方法思路:在“
例如,写出分子式为C4H8O2且属于羧酸或酯的同分异构体:
总碳原
子数
羧酸碳
原子数
醇碳原
子数
具体物质
4
4
0
丁酸C3H7—COOH(2种)
4
3
1
丙酸甲酯CH3CH2COOCH3(1种)
4
2
2
乙酸乙酯CH3COOCH2CH3(1种)
4
1
3
甲酸丙酯HCOO—C3H7(2种)
4
0
4
不符合要求
2.酯水解反应的规律
(1)酯在酸性或碱性条件下水解
酯在碱性条件下水解时,1 mol醇酯基消耗1 mol NaOH,1 mol酚酯基消耗2 mol NaOH。
(2)分子式和相对分子质量规律
分子式规律:
酯的分子式+H2O(注意消耗H2O的量)=酸的分子式+醇的分子式(注意生成酸、醇分子的个数)。
[典题示例]
[典题2] (2020·全国Ⅰ,8)紫花前胡醇(
A.分子式为C14H14O4
B.不能使酸性重铬酸钾溶液变色
C.能够发生水解反应
D.能够发生消去反应生成双键
解析:B [观察分析紫花前胡醇的结构简式,可确定分子式为C14H14O4,A项正确。由结构简式可知分子中含有碳碳双键和羟基,可以使酸性重铬酸钾溶液变色,B项错误。含有酯基,能够发生水解反应,C项正确。羟基所连碳原子的邻位碳原子上含有氢原子,可以发生消去反应,D项正确。]
[学以致用]
2.某羧酸酯的分子式为C18H26O5,1 mol该酯完全水解可得到1 mol羧酸和2 mol乙醇,则对应羧酸的分子式为( )
A.C14H18O5
B.C14H16O4
C.C16H22O5
D.C16H20O5
解析:A [由1 mol酯(C18H26O5)完全水解可得到1 mol羧酸和2 mol乙醇可知,该酯为二元酯,分子中含有2个酯基(—COO—),结合酯的水解反应原理可得1 mol C18H26O5+2 mol H2O―→1 mol羧酸+2 mol C2H5OH,再结合原子守恒推知,对应羧酸的分子式为C14H18O5。]
[素养提升]
1.如何证明醋酸的酸性强于碳酸?写出反应的化学方程式。
提示:在碳酸钠溶液中加醋酸有二氧化碳气体生成。Na2CO3+2CH3COOH―→2CH3COONa+CO2↑+H2O。
2.如何设计一个简单的一次性完成的实验装置,比较乙酸、碳酸和苯酚的酸性?饱和碳酸氢钠溶液的作用是什么?
提示:装置图:
饱和碳酸氢钠溶液的作用:吸收挥发的乙酸,防止对碳酸的检验造成干扰。
1.下列有关乙酸结构的表示或说法中错误的是( )
A.乙酸的空间填充模型为
B.乙酸分子中所有原子均位于同一平面上
C.乙酸的结构简式为CH3COOH,官能团名称为羧基
D.乙酸分子中既存在极性键又存在非极性键
解析:B [乙酸分子中含有甲基,因此所有原子不可能共平面。]
2.下列各组物质互为同系物的是( )
A.硬脂酸和软脂酸
B.乙酸和油酸
C.C6H5—CH2OH和C6H5—OH
D.丙酸丙酯和硬脂酸甘油酯
解析:A [同系物指的是结构相似,分子组成上相差一个或多个CH2原子团的物质。A中的硬脂酸和软脂酸分别为C17H35COOH和C15H31COOH,结构相似,都是饱和一元羧酸,且在分子组成上相差2个CH2原子团,是同系物;B中的油酸、乙酸分别为C17H33COOH和CH3COOH,不是同系物;C选项中的C6H5—CH2OH和C6H5—OH虽在组成上相差一个CH2原子团。
但结构并不相似,前者是苯甲醇属于芳香醇类,后者是苯酚,属于酚类,所以不是同系物;D中的丙酸丙酯和硬脂酸甘油酯的结构简式分别为CH3CH2COOC3H7和,两者显然不符合同系物的特点,不是同系物。]
3.酯化反应是有机化学中的一类重要反应,下列对酯化反应理解不正确的是( )
A.酯化反应的产物只有酯
B.酯化反应可看成取代反应
C.酯化反应是有限度的
D.浓硫酸可做酯化反应的催化剂
解析:A [A项,酯化反应的产物还有水;B项,酯化反应属于取代反应,B项正确;C项,酯化反应是可逆反应;D项,常用浓硫酸做酯化反应的催化剂和吸水剂。]
4.羧酸和醇反应生成酯的相对分子质量为104,该反应的反应物是( )
解析:D [由饱和一元羧酸和饱和一元醇生成的酯的通式为CnH2nO2(n≥2),当n=5时,酯的相对分子质量为102,由此可知题中羧酸和醇生成的酯中有一个O是18O,且羧酸和醇中的碳原子数之和为5,根据“酸脱羟基,醇脱氢”,只有D项符合要求。]
(1)写出下列变化的化学方程式。
①C→G: __________ 。
②D发生银镜反应: __________ 。
③G的加聚反应: __________ 。
④实验室制取A的反应: __________ 。
(2)写出能与Na2CO3溶液反应放出二氧化碳的有机物A的同分异构体的结构简式 __________ 。
解析:由1,2二溴乙烷逆推出G为乙烯,则C为乙醇,D为乙醛,E为乙酸,B为乙酸钠,则A为乙酸乙酯。
答案:(1)①CH3CH2OHeq \o(――→,\s\up17(浓硫酸),\s\do15(170℃))CH2===CH2↑+H2O
②CH3CHO+2[Ag(NH3)2]OHeq \o(――→,\s\up17(△))
CH3COONH4+2Ag↓+3NH3+H2O
③nCH2===CH2eq \o(――→,\s\up17(一定条件))
④CH3COOH+HOCH2CH3eq \o(,\s\up17(浓H2SO4),\s\do15(△))
CH3COOCH2CH3+H2O
(2)CH3CH2CH2COOH、
[课堂小结]
eq \a\vs4\al(羧酸)
eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(\x(结构特点),\x(分类方法),\x(命名方法),\x(性质)\b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(\x(物理性质),\x(化学性质)\b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(\x(酸性),\x(羟基的取代反应),\x(羧基的还原反应),\x(αH的取代反应))))),\x(几种重要的羧酸)))
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