内容正文:
网
科
第四节 羧酸 羧酸衍生物
第三章 烃的衍生物
3.4.1 羧酸
学习目标
教材内容:P71-74
1. 认识羧酸的结构特点,掌握简单羧酸的命名。
2. 以常见羧酸为例,认识羧酸的性质及其在生产、生活中的重要应用。
3. 探究乙酸、碳酸、苯酚的酸性强弱,了解同位素示踪法在酯化反应机理分析中的应用。
4.能基于官能团、化学键的特点分析和推断羧酸的性质。能描述和分析羧酸的重要反应,能书写相应的化学方程式 。
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高 中 化 学 选 择 性 必 修 三 ( 2019 人 教 版 )
甲酸(蚁酸)HCOOH
草酸(乙二酸)
身边的化学——自然界和日常生活中的有机羧酸
被蚂蚁咬后会出现红肿,蚂蚁分泌一种称为“蚁酸”的物质,会残留在伤口中。需用肥皂水或苏打水清洗,可以缓解疼痛。
菠菜含有草酸,这使菠菜带有一股涩味,还能与食物中的钙相结合,影响人体对钙质的吸收,草酸钙(CaC2O4)难溶于水,是人体膀胱结石和肾结石的主要成分。
COOH
COOH
课本P74
1.定义:分子中烃基(或氢原子)和羧基(—COOH)相连的化合物属于羧酸
2.官能团:羧基
—C—O—H
O
3.饱和一元羧酸通式:
或
—COOH
与比它多一个碳原子的饱和一元醇[Cm+1H2(m+1)+2O]的相对分子质量相等。
[Cm+1H2(m+1)+2O=Cm+1H2m+2+2O=CmH2mO.C1H4=CmH2mO.O=CmH2mO2]
例如:CH3CH2CH2OH和CH3COOH的相对分子质量相等
羧基
R可以是氢、链烃基、环烃基或芳烃基
由一个羰基和一个羟基组合而成的。
一、羧酸的组成与结构
CnH2n+1COOH 或 CnH2nO2
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羧
酸
烃基种类
羧基数目
脂肪酸
芳香酸
脂环酸
低级脂肪酸:
高级脂肪酸
甲酸、乙酸、丙酸
硬脂酸C17H35COOH
软脂酸C15H31COOH
油酸C17H33COOH
COOH
环己甲酸
COOH
(苯甲酸)
一元羧酸
二元羧酸
多元羧酸
CH3COOH
HOOC-COOH (乙二酸)
CH2-COOH
CH-COOH (丙三酸)
CH2-COOH
白色固体
白色固体
液体、
有碳碳双键
9-十八碳烯酸
CH2=CHCOOH
烃基是否饱和
饱和羧酸
不饱和羧酸
CH3COOH
(丙烯酸)
4.羧酸的分类:
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高级脂肪酸... text has been truncated due to evaluation version limitation.
选择含有羧基的最长碳链作为主链,称“某酸”。
从羧基碳原子开始给主链上碳原子编号。
在酸名称之前加上取代基位次号和名称,不用表明羧基碳原子序号。
(1)选主链:
(2)编号位:
(3)定名称:
CH3-CH-CH2-COOH
CH3
HOOCCH—CHCOOH
C2H5
CH3
3-甲基丁酸
2-甲基-3-乙基丁二酸
β α
α-羟基丙酸
2-羟基丙酸
5.羧酸的命名:
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请对下列酸进行命名。
CH3-CH2-CH-CH-COOH
C2H5
CH3
CH2═C-CH2COOH
C2H5
CH2=CH—COOH
HOOC
COOH
CH3
COOH
3-甲基-2-乙基戊酸
丙烯酸
3-乙基-3-丁烯酸
对苯二甲酸
(1,4-苯二甲酸)
间甲基苯甲酸
邻羟基苯甲酸
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1、甲酸(HCOOH)
最简单的羧酸,俗称蚁酸,无色、有强烈刺激性的液体,与水、乙醇等互溶。
H—C—O—H
O
羧基
醛基
二、了解常见的羧酸——甲酸、苯甲酸、乙二酸等
既表现出羧酸的性质,又表现出醛的性质
①酸性
HCOOH HCOO-+H+
弱酸性,大于乙酸
②银镜反应:
(NH4 )2CO3+2Ag +2NH3 +H2O
HCOOH+2Ag(NH3)2OH
∆
③斐林反应:
Na2CO3+Cu2O +4H2O
HCOOH+2Cu(OH)2+2NaOH
∆
④使溴水、酸性高锰酸钾褪色:
(可鉴别甲酸和乙酸)
HCOOH+Br2+H2O → 2HBr+H2CO3
甲酸(蚁酸) HCOOH
先加入NaOH溶液至碱性,再加入银氨溶液或氢氧化铜浊液,加热。
实际实验时往往看不到银镜或红色沉淀,为什么?如何处理?
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甲酸不发生... text has been truncated due to evaluation version limitation.
2.能用来鉴别乙醇、乙醛、甲酸、乙酸四种无色溶液的试剂是 ( )
A.FeCl3溶液 B.溴水
C.金属钠 D.新制Cu(OH)2
D
1.不小心被蚂蚁叮咬,为减轻痛痒,应该如何处理?
提示:这些酸的结构都含有羧基(—COOH)官能团。蚁酸就是甲酸,呈酸性,所以可以用肥皂水或碳酸钠溶液涂抹,这两种溶液呈碱性,可以和蚁酸反应,能够中和蚁酸。
对点训练
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无色晶体,通常含两个结晶水(可写成H2C2O4•2H2O)
易溶于水和乙醇,溶于乙醚等有机溶剂。
①弱酸性:
②还原性:
③不稳定性:
H2C2O4⇌H++HC2O4- ;HC2O4- ⇌H++C2O42-
H2C2O4 ═ H2O+CO↑+CO2↑
酸性:HOOC-COOH > HCOOH
2.乙二酸(又叫草酸)
结构简式
HOOC-COOH
草酸钙(CaC2O4)难溶于水,是人体膀胱结石和肾结石的主要成分。
【化学性质】草酸是最简单的饱和二元羧酸,是二元羧酸中酸性最强的,它具有一些特殊的化学性质。能使酸性高锰酸钾溶液褪色、可作漂白剂。
能酸性KMnO4溶液、溴水褪色
2KMnO4+5H2C2O4+3H2SO4=2MnSO4+K2SO4+10CO2↑+8H2O
2MnO4- + 5H2C2O4 + 6H+ = 2Mn2+ + 10CO2↑ + 8H2O
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C6H5COOH
【酸性】HOOC-COOH > HCOOH > C6H5COOH > CH3COOH
其钠盐或钾盐是常用的食品防腐剂
无色晶体,易升华,微溶于水,易溶于乙醇
可以用于合成香料、药物等
3.苯甲酸
(俗称:安息香酸)
分子式:
结构简式:
C7H6O2
COONa
COOH
【对点练习】苯甲酸是一种重要的羧酸,以下关于苯甲酸的说法不正确的是( )
A. 在通常条件下为无色晶体 B. 苯甲酸及其钠盐可用作食品防腐剂
C. 苯甲酸能与乙醇发生酯化反应 D. 苯甲酸钠水溶液的pH小于7
D
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资料卡片 自然界的许多动植物中含有有机酸,例如,蚁酸(甲酸)、安息香酸(苯甲酸)、草酸(乙二酸)等。有些有机酸分子中既含有羧基也含有羟基,所以又叫做羟基酸,它们既具有羟基的性质,也具有羧基的性质。例如,乳酸、柠檬酸、苹果酸等。
羧酸分子中烃基上的氢原子被其他官团取代的羧酸称为取代羧酸。
常见的取代羧酸有卤代酸、氨基酸、羟基酸等。例如:
COOH
CH3
CH
OH
COOH
C
HO
CH2COOH
CH2COOH
乳酸(2-羟基丙酸)
柠檬酸
取代羧酸:
ClCH2COOH
NH2
COOH
CH3
CH
氯乙酸
α-氨基丙酸(丙氨酸)
γ-羟基丁酸(GHB):对中枢神经系统有强烈的抑制作用,目前是我国规定管制的第一类精神药品,属于合成毒品。 因无色无味并会导致暂时性记忆丧失、恶心、呕吐等症状,而被犯罪分子用作麻醉药品,中文又称神仙水、听话水。 近年来,γ-羟基丁酸常被混入饮料中进行使用,使用者甚至不知道自己在吸毒,需警惕形似饮料、零食的伪装毒品。
警方缴获的作案药水
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C1~C3:无色液体 C4~C9:油状液体
C10以上称为高级脂肪酸:
饱和高级脂肪酸为蜡状固体,如硬脂酸、软脂酸;
不饱和高级脂肪酸为油状液体,如油酸。
1、状态:非气体
2、气味:强烈刺激性气味
①甲酸、乙酸等分子中碳原子数较少的羧酸能够与水互溶。
②随着分子中碳原子数的增加,一元羧酸在水中的溶解度迅速减小,甚至不溶于水。
③高级脂肪酸是不溶于水的蜡状固体。
三、羧酸的物理性质
3、溶解度:
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几种羧酸的熔点和沸点
名称 结构简式 熔点/℃ 沸点/℃
甲酸 HCOOH 8 101
乙酸 CH3COOH 17 118
丙酸 CH3CH2COOH -21 141
正丁酸 CH3CH2CH2COOH -5 166
十八酸
(硬脂酸) CH3(CH2)16COOH 70 383
苯甲酸 122 249
4、熔沸点:
①碳原子增加,熔沸点逐渐升高,支链增多,熔沸点逐渐降低。
②与其他相对分子质量相当的有机化合物相比,沸点较高, 羧酸分子间可以形成氢键有关。
COOH
O
=
R-C
O
-
-H
C-R
O
O
=
-
H-
···
···
沸点: 羧酸>醇>烷烃(相对分子质量相近)
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分子式
C2H4O2
结构式
H—C—C—O—H
H
H
O
结构简式
CH3COOH
官能团: 。
羧基
球棍模型
空间填充模型
俗称:醋酸
颜色、状态:
无色液体
气味:
有强烈刺激性气味
沸点:
熔点:
溶解性:
117.9℃ (易挥发)
16.6℃
易溶于有机溶剂,与水任意比例互溶
当温度低于16.6℃时,
无水乙酸会凝结成类似冰一样的晶体,所以纯净的无水乙酸又称为冰醋酸。
乙酸的结构及物理性质
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四、羧酸的化学性质
由于受氧原子电负性较大等因素的影响,当乙酸发生化学反应时,羧基结构中的两个部位容易断裂。
①: O-H键断裂时,解离出H+,使羧酸表现出酸性。
②: C-O键断裂时,-OH可被其他基团取代,生成酯、酰胺等。
受-OH的影响:C=O不易断,不与H2加成
③:受-COOH吸电子影响:α-H活性增强,能发生α-H的卤代
H—C— C—O—H
O
H
H
①
②
③
δ+
δ-
δ+
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请从酸性的角度分析羧酸可能具有的性质,以乙酸为例,写出化学方程式。
1、乙酸属于一元弱酸,具有酸的通性,酸性比碳酸强。
①使酸碱指示剂变色:
②与活泼金属反应:
③与碱反应:
④与某些盐反应:
⑤与碱性氧化物反应:
2CH3COOH +2Na → 2CH3COONa + H2↑
CH3COOH +NaOH → CH3COONa + H2O
2CH3COOH+Na2CO3→2CH3COONa+CO2↑+H2O
-COOH越多,酸性越强;烃基中C越多,则酸性弱
2CH3COOH +MgO → (CH3COO)2Mg + H2O
遇紫色石蕊变红
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【问题】羧酸的化学性质与乙酸相似,如何通过实验证明其他羧酸也具有酸性?如何通过实验比较乙酸、碳酸和苯酚的酸性强弱?
【设计与实验】
教材P75
1、设计实验证明羧酸具有酸性(提供的羧酸有甲酸、苯甲酸和乙二酸)
实验内容 实验现象 结论
①分别取0.01mol/L三种酸溶液,滴入紫色石蕊试液
②分别取0.01mol/L三种酸溶液,测pH
紫色石蕊试液变红色
pH>2
甲酸、苯甲酸、乙二酸具有弱酸性
③分别取0.01mol/L三种酸的钠盐溶液,测pH
pH>7
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【设计与实验】
2、利用下图仪器和药品,设计一个简单的一次性完成的实验装置,比较乙酸、碳酸和苯酚的酸性强弱。
较强酸制较弱酸
2CH3COOH+Na2CO3→2CH3COONa+H2O+CO2↑
+ CO2+H2O
—ONa
—OH
+ NaHCO3
√
√
√
√
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1、预期现象是什么呢?
乙酸与碳酸钠产生气体,苯酚钠溶液变浑浊
2、苯酚钠溶液变浑浊是否一定是与CO2的反应导致的?
不一定。乙酸易挥发,也会和苯酚钠反应
3、如何除去CO2中混有的乙酸呢?
×
CH3COOH+NaHCO3→CH3COONa+H2O+CO2↑
在两个装置间添加盛有饱和NaHCO3溶液的洗气瓶,除去CO2中的乙酸蒸气,防止对碳酸酸性大于苯酚酸性的检验造成干扰。
饱和Na2CO3 ?
接口顺序:A→D→E→B→C→F→G→H→I→J
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3、请观看对比乙酸、碳酸和苯酚的酸性强弱实验视频,并记录实验现象
【实验现象】
乙酸和碳酸钠反应产生气泡,苯酚钠溶液由澄清变浑浊
写出各反应装置中的化学方程式:
2CH3COOH+Na2CO3→2CH3COONa+H2O+CO2↑
+ CO2+H2O
—ONa
—OH
+ NaHCO3
CH3COOH+NaHCO3→CH3COONa+H2O+CO2↑
【实验结论】
酸性:乙酸>碳酸>苯酚
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【小结】比较醇、酚、羧酸中O-H键的活泼性
代表物 结构简式 羟基氢的活泼性 酸性 Na NaOH Na2CO3 NaHCO3
乙醇 CH3CH2OH
苯酚 C6H5OH
乙酸 CH3COOH
增强
中性
比碳酸弱
比碳酸强
能
能
能
能
能
不能
不能
能,不产生CO2
能,且产生CO2
能
不能
不能
乙酸>碳酸>苯酚
能与NaHCO3反应生成气体是-COOH的检验方法。
羧酸均为弱酸,低级羧酸,酸性一般比H2CO3强,但高级脂肪酸酸性很弱
低级羧酸能使紫色石蕊溶液变红,醇、酚、高级脂肪酸不能使紫色石蕊溶液变红。
常见羧酸酸性强弱顺序:
>HCOOH> >CH3COOH
>水>乙醇
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2 + 2NaCl
COONa
—OH
+ HCl
+ CO2
1.完成下列反应方程式:
COONa
—ONa
COONa
—ONa
COOH
—OH
+ H2O + NaHCO3
(1)盐酸与
(2)通入CO2
原理:弱酸盐 + (较)强酸 → 强酸盐 + 较弱酸
2. 1mol有机物
最多能消耗下列各物质多少 mol?
HO
CH-CH2
OH
COOH
CH2OH
(1) Na (2) NaOH (3) NaHCO3
4mol
对点训练
2mol
1mol
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【思考与讨论】乙酸与乙醇的酯化反应,从形式上看是羧基与羟基之间脱去一个水分子,脱水时有哪些可能的方式,你能设计一个实验方案来证明是哪一种吗?
教材P76
2.酯化反应(以乙酸与乙醇反应为例)
同位素示踪法
【反应条件】 “浓硫酸+加热”,属可逆反应
【说明】酯化反应可看作是取代反应,也可看作是分子间脱水的反应。
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A
18
在上述平衡体系中加入 H2 O,过一段时间之后,平衡体系中,分子中含有 O的有机物是 ( )
CH3 C O H + H O C2H5 CH3 C O C2H5 + H2O
浓H2SO4
=
O
=
O
18
A、乙酸 B、乙酸和乙酸乙酯
C、乙醇 D、乙酸、乙醇和乙酸乙酯
各回各家,各找各妈
酯化反应:酸脱羟基,醇脱H
拓展训练
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教材P76【思考与讨论】在制取乙酸乙酯的实验中,如果要提高乙酸乙酯的产率,你认为应当采取哪些措施?请结合化学反应原理的有关知识进行说明。
影响产率的因素:浓度、温度
① 由于乙酸乙酯的沸点比乙酸、乙醇都低,因此从反应物中不断蒸出乙酸乙酯可提高其产率。
③使用过量的乙醇可提高乙酸的转化率。
(乙醇的沸点比乙酸低,更容易挥发而损失,乙醇价格便宜)
②使用浓硫酸作吸水剂,提高反应转化率。
④冷凝回流,提高产率。
分离生成物
增加反应物
增加冷凝回流装置
现象:饱和Na2CO3溶液分层,上层有无色透明的油状液体产生 , 闻到香味。
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倾斜是为了增大受热面积,有利于酯的逸出
碎瓷片防暴沸
导管在饱和Na2CO3液面上:防止倒吸
长导管冷凝回流、平衡大气压,以便液体顺利滴下
乙醇→浓硫酸→乙酸(减少乙酸的挥发)
饱和Na2CO3作用
①中和乙酸;
②溶解乙醇;
③降低乙酸乙酯的溶解度,利于酯的析出
浓硫酸:催化剂、吸水剂
沸点:
乙酸乙酯(77.1)
乙醇(78.3 ℃ )
乙酸(118℃)
酯化反应注意事项
加热:加快反应速率,蒸出乙酸乙酯,提高乙酸转化率。
小火均匀加热:减少乙酸、乙醇的挥发。
分离碳酸钠和乙酸乙酯:分液。用分液漏斗
下口放出水层,
上口倒出有机层
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下图是分离乙酸乙酯、乙酸和乙醇混合物的实验操作流程图
在上述实验过程中,所涉及的三次分离操作分别是 ( )
A.①蒸馏 ②过滤 ③分液
B.①分液 ②蒸馏 ③蒸馏
C.①蒸馏 ②分液 ③分液
D.①分液 ②蒸馏 ③结晶、过滤
B
几种可防倒吸的装置:
拓展延伸
对点训练
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3.氨代反应:与NH3反应(加热条件下生成酰胺,羟基被—NH2取代):
RCOOH+NH3 RCONH2+H2O
△
酰胺
5.还原反应:
RCOOH RCH2OH
LiAlH4
注意:与醛、酮的羰基相比,羧基中的羰基较难发生加成反应,只有在特定条件或催化剂作用下,反应才能进行,羧酸不能通过催化加氢的方法被还原,用强还原剂如氢化铝锂(LiAlH4)能将羧酸还原为醇。
应用:在有机合成中可以用该类反应使羧酸转变为醇。
RCH2COOH+Cl2 RCHCOOH+HCl
△
催化剂
Cl
|
羧酸分子中α-H较活跃,已被取代,通过羧酸α-H的取代,可以合成卤代酸,控制反应中卤素的用量,可分别得到一元或多元卤代羧酸,进而制得氨基酸、羟基酸等。
4.αH的取代反应
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苹果酸是一种常见的有机酸,其结构简式为
(1)苹果酸分子中所含官能团的名称是 、 。
(2)苹果酸不可能发生的反应有 (填序号)。
①加成反应 ②酯化反应 ③加聚反应 ④氧化反应 ⑤消去反应 ⑥取代反应
(3)1 mol苹果酸与足量金属钠反应,可产生 mol H2。
(4)1 mol苹果酸与足量NaHCO3溶液反应,可产生 mol CO2。
(5)一定条件下,2 mol苹果酸发生反应,生成1 mol含有八元环的化合物和2 mol H2O,写出反应的化学方程式:
羟基 羧基
①③
1.5
2
综合训练
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2.一元羧酸与二元醇或二元羧酸与一元醇生成链状酯:
浓硫酸
二乙酸乙二酯
1.一元羧酸与一元醇(酚)生成链状酯:
乙二酸二乙酯
CH3COOC2H5+H2O
浓硫酸
酯化反应的类型:
拓展延伸
CH3COOH+C2H5OH
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(2)分子间形成环状酯:
(3)分子间形成聚酯(高分子):
3.二元羧酸与二元醇
(1)分子间形成链状酯:
环乙二酸乙二酯
O=
O
O
O=
六元环
缩聚反应:有机化合物分子间脱去小分子获得高分子化合物的反应
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(4)羟基酸的酯化:
①分子间形成链状酯
③分子间形成环状酯
④分子间形成聚酯
②分子内形成环状酯
=
O
O
=
O
O
O
=
O
三元环
六元环
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CH2 - OH
CH2 - OH
CH - OH
+ 3HO-NO2
浓硫酸
CH2 - ONO2
CH2 - ONO2
CH - ONO2
+ 3H2O
C2H5OH + HO-NO2
浓H2SO4
C2H5O-NO2 + H2O
硝酸乙酯
(5)无机含氧酸与醇的酯化反应(如 H2SO4、HNO3、H3PO4等)
注意:并不是酸和醇的反应均为酯化反应,如乙醇和氢卤酸反应。
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浓H2SO4
△
写出下列酯化反应的反应方程式
浓H2SO4
△
对点训练
基 于 真 实 情 景 的 同 步 教 学
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高 中 化 学 选 择 性 必 修 三 ( 2019 人 教 版 )
CH2CH2 CH2COOH
OH
O
=
O
+ H2O
浓H2SO4
五元环酯
(聚对苯二甲酸乙二酯)
HO [ C—
O
—C—O—CH2CH2—O ] n H
O
+(2n-1)H2O
—COOH+n HO—CH2CH2—OH
n HOOC—
(对苯二甲酸)
(乙二醇)
浓硫酸
△
COOH
nHO—
浓硫酸
△
CO ]nOH+ nH2O
H[ O—
1.
2.
3.
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4.氨代反应:与NH3反应(加热条件下生成酰胺,羟基被—NH2取代):
RCOOH+NH3 RCONH2+H2O。
△
3.αH的取代反应
RCH2COOH+Cl2 RCHCOOH+HCl
△
催化剂
Cl
|
酰胺
控制反应中卤素的用量,可分别得到一元或多元卤代羧酸,用卤代羧酸可以制氨基酸、羟基酸等。
5.还原反应:
RCOOH RCH2OH
LiAlH4
注意:羧酸不能通过催化加氢的方法被还原,用强还原剂如氢化铝锂(LiAlH4)能将羧酸还原为醇。
应用:在有机合成中可以用该类反应使羧酸转变为醇。
四、羧酸的化学性质
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