2024-2025学年新教材高中化学第2章官能团与有机化学反应烃的衍生物4.1羧酸学案鲁科版选择性必修3

PAGE18-第1课时羧酸必备学问·素养奠基一、羧酸的概述1.羧酸的含义分子由烃基(或氢原子)和羧基相连而组成的有机化合物。羧酸的官能团是或—COOH。饱和一元脂肪酸的通式为CnO2(n≥1)或CnH2n+1COOH(n≥0)。2.羧酸的分类依据类别举例烃基种类脂肪酸乙酸:CH3COOH芳香酸苯甲酸:羧基数目一元羧酸甲酸:HCOOH二元羧酸乙二酸:HOOC—COOH多元羧酸——烃基是否饱和饱和羧酸丙酸:CH3CH2COOH不饱和羧酸丙烯酸:CH2CHCOOH3.羧酸的命名——系统命名法(1)选取含有羧基的最长碳链作为主链,按主链碳原子数称为“某酸”。(2)从羧基起先给主链碳原子编号。(3)在“某酸”名称之前加上取代基的位次号和名称。如:名称为4-甲基-3-乙基戊酸。4.羧酸的物理性质(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快速减小,直至与相对分子质量相近的烷烃的溶解度相近。(2)沸点:比相对分子质量相近的醇的沸点高。5.三种常见的羧酸羧酸结构简式俗名性质甲酸HCOOH蚁酸最简洁的羧酸,有刺激性气味、无色液体,与水、乙醇等溶剂互溶,有腐蚀性。有羧酸和醛的化学性质苯甲酸安眠香酸最简洁的芳香酸,白色针状晶体,易升华;微溶于水,易溶于乙醇、乙醚等有机溶剂,有羧酸的性质乙二酸HOOC—COOH草酸最简洁的二元羧酸,无色透亮晶体,能溶于水或乙醇,有羧酸的性质【巧推断】(1)乙酸分子中有4个氢原子,所以乙酸是4元酸。 ()提示:×。乙酸中只有羧基中的一个氢原子能电离,所以乙酸是一元酸。(2)羧酸常温常压下均为液体。 ()提示:×。常温常压下碳原子数比较多的羧酸为固态。(3)全部的羧酸都易溶于水。 ()提示:×。常温常压下碳原子数比较多的羧酸不易溶于水。二、羧酸的化学性质1.取代反应(1)酯化反应(2)生成酰胺(3)α-H的取代RCH2COOH+Cl2+HCl2.具有酸的通性(强于碳酸)RCOOH+NaHCO3RCOONa+CO2↑+H2O3.还原反应RCOOHRCH2OH【情境·思索】醋是谁独创的,又为什么叫“醋”呢?传闻在古代的中兴国,即今山西省运城有个叫杜康的人独创了酒。他儿子黑塔也跟杜康学会了酿酒技术。后来,黑塔率族移居现江苏省镇江的地方。在那里,他们酿酒后觉得酒糟扔掉惋惜,就存放起来,在缸里浸泡。到了二十一日的酉时,一开缸,一股从来没有闻过的香气扑鼻而来。在浓郁的香味诱惑下,黑塔尝了一口,酸甜兼备,味道很美,便贮存着作为“调味浆”。这种调味浆叫什么名字呢?黑塔就把二十一日加“酉”字来命名这种酸水叫“醋”。乙醇是如何变为乙酸的?发生的反应属于什么类型?提示:乙醇被氧气氧化为乙酸,发生了氧化反应。三、羧酸的衍生物1.羧酸衍生物:羧酸分子中羧基上的羟基被其他原子或原子团取代后的产物。羧酸分子中的羧基去掉羟基后剩余的基团称为酰基,常见的羧酸衍生物有酰卤、酸酐、酯、酰胺等。2.酯(1)概念:酰基(RCO—)和烃氧基(RO—)相连后的产物。(2)官能团的名称:酯基,结构简式:。(3)命名:依据水解生成的酸和醇的名称命名,称为“某酸某酯”,如HCOOC2H5命名为:甲酸乙酯。【微思索】分子式符合CnO2的物质肯定是酯吗?提示:不肯定。如羧酸等。(4)物理性质酯类密度一般比水小,难溶于水,易溶于乙醇、乙醚等有机溶剂。低级酯是有香味的液体,易挥发。(5)化学性质——水解反应①酸性条件:RCOOR′+H2ORCOOH+R′OH;②碱性条件:RCOOR′+NaOHRCOONa+R′OH;(6)皂化反应:油脂在碱性条件下的水解反应。+3NaOH3RCOONa+3.乙酸乙酯的制备试验试验装置试验步骤在试管中加入3mL乙醇和2mL乙酸的混合物,然后边振荡试管边渐渐加入2mL浓硫酸,加入2～3块碎瓷片,连接试验装置;用酒精灯当心匀称地加热试管3～5min。将产生的气体经导管通到饱和Na2CO3溶液的液面上试验现象饱和Na2CO3溶液的液面上有透亮的不溶于水的油状液体产生,并可闻到香味试验结论在浓硫酸存在的条件下加热,乙醇和乙酸发生反应,生成无色、透亮、不溶于水、有香味的油状液体——乙酸乙酯化学方程式CH3COOH+CH3CH2OHCH3COOCH2CH3+H2O【微思索】(1)乙酸与乙醇的酯化反应的化学方程式为何用可逆号连接?提示:酯化反应是可逆反应,不能进行究竟,故用可逆号。(2)乙酸与乙醇的酯化反应试验装置中,导管末端为何不伸入饱和Na2CO3溶液液面以下?提示:防止倒吸而炸裂试管。4.乙酸乙酯水解试验试验操作现象及结论反应方程式现象:几乎无改变结论:中性条件下乙酸乙酯几乎不水解现象:有一点酯的气味结论:酸性条件下乙酸乙酯发生部分水解反应CH3COOC2H5+H2OCH3COOH+CH3CH2OH现象:酯的气味消逝结论:碱性条件下乙酸乙酯发生水解且趋于完全CH3COOC2H5+NaOHCH3COONa+CH3CH2OH【巧推断】(1)在酯化反应和酯的水解反应中所用硫酸的浓度相同。 ()提示:×。酯化反应中运用的是浓硫酸,酯的水解中运用的是稀硫酸。(2)NaOH在酯的水解反应中只起催化剂的作用。 ()提示:×。NaOH在酯的水解反应中除了作催化剂之外,还可以与酸反应,使平衡正向移动。(3)酯和油脂含有相同的官能团。 ()提示:√。酯和油脂中均存在相同的官能团酯基。(4)油脂的水解反应叫做皂化反应。 ()提示:×。油脂在碱性条件下的水解反应被称为皂化反应。(5)酯水解原理为→RCO18OH+R′OH。 ()提示:√。酯的水解与酯化反应的原理相反。5.酰胺(1)概念:分子中由酰基(RCO—)和氨基(—NH2)相连构成的羧酸衍生物。(2)官能团:酰胺基(—CONH—)。(3)物理性质:①除甲酰胺(HCONH2)是液体外,其他多为无色晶体。②低级的酰胺可溶于水,随着相对分子质量的增大,酰胺的溶解度渐渐减小。(4)化学性质——水解反应(以乙酰胺为例)①强酸性条件下:CH3CONH2+H2OCH3COOH+N②强碱性条件下:CH3CONH2+H2OCH3COONa+NH3【微思索】酯的性质和酰胺的性质为什么相像?二者都有什么化学性质?提示:因为二者均为羧酸的衍生物,二者均可以发生水解反应。关键实力·素养形成学问点一含羟基物质性质的比较含羟基物质性质的比较含羟基的物质比较项目醇水酚羧酸羟基上氢原子活泼性在水溶液中电离程度极难电离难电离微弱电离部分电离酸碱性中性中性很弱的酸性弱酸性与Na反应反应放出H2与NaOH反应不反应不反应反应反应与NaHCO3反应不反应不反应不反应反应放出CO2能否由酯水解生成能不能能能【易错提示】羟基与酸性强弱的关系(1)醇、酚、羧酸的结构中均有—OH,可分别称之为“醇羟基”“酚羟基”和“羧羟基”。由于这些—OH相连的基团不同,—OH受相连基团的影响就不同。故羟基上的氢原子活性也就不同,表现在性质上也相差较大,一般来说,羟基上的氢原子活性“羧羟基”>“酚羟基”>“醇羟基”。(2)羧酸都是弱酸,不同的羧酸酸性不同,但低级羧酸都比碳酸的酸性强。几种简洁的羧酸的酸性关系为甲酸>苯甲酸>乙酸>丙酸。乙酸与H2SO3、H2CO3、HF等几种弱酸的酸性关系为H2SO3>HF>CH3COOH>H2CO3。(3)低级羧酸才会使紫色石蕊试液变红,醇、酚、高级脂肪酸不会使紫色石蕊试液变红。【思索·探讨】1.如何通过试验证明乙酸、碳酸、苯酚的酸性强弱?提示:试验装置如图所示。乙酸与Na2CO3反应,放出CO2气体,说明乙酸的酸性比碳酸强;将产生的CO2气体通入苯酚钠溶液中,生成苯酚,溶液变浑浊,说明碳酸的酸性比苯酚强。反应的化学方程式如下:2CH3COOH+Na2CO32CH3COONa+CO2↑+H2OCO2+H2O+C6H5ONaC6H5OH+NaHCO32.某有机物的结构简式如图:(1)此有机物与哪种物质反应时,可转化为?提示:NaHCO3。由于酸性—COOH>H2CO3>>HC,所以向该有机物中应加入NaHCO3,只与—COOH反应。(2)此有机物与哪种物质反应时,可转化为。提示:NaOH或Na2CO3。加入NaOH或Na2CO3,与酚羟基和—COOH反应。(3)此有机物与哪种物质反应时,可转化为。提示:Na。加入Na,与三种官能团都反应。【典例】分枝酸可用于生化探讨,其结构简式如图。下列关于分枝酸的叙述不正确的是 ()分枝酸A.分子中含有3种含氧官能团B.可发生取代、加成、消去、加聚等反应C.该物质的分子式为C10H10O6D.1mol分枝酸最多可与3molNaOH发生中和反应【解题指南】解答本题留意以下两点:(1)留意分析分枝酸中含有的官能团类型;(2)留意驾驭分枝酸中各种官能团的性质。【解析】选D。A项,该物质中含氧官能团是羧基、醇羟基、醚键三种,正确;B项,该物质中含有碳碳双键、羧基、醇羟基、醚键,能发生取代反应、加成反应、加聚反应、氧化反应、中和反应、消去反应、酯化反应等,正确;C项,依据结构简式可确定分子式为C10H10O6,正确;D项,因为分子中只有2个羧基,所以1mol分枝酸最多可与2molNaOH发生中和反应,错误。【母题追问】(1)分枝酸中与环相连的羟基是酚羟基吗?为什么?提示:不是。因为分枝酸中的六元环不是苯环。(2)1mol分枝酸若与1mol碳酸钠反应会生成多少mol二氧化碳?提示:依据分枝酸中的官能团类别可知,1mol分枝酸中含有2mol羧基,会与1mol碳酸钠反应生成1mol二氧化碳。【迁移·应用】1.(双选)咖啡酸具有止血、镇咳、祛痰等疗效,其结构简式为,下列有关咖啡酸的说法中,不正确的是 ()A.咖啡酸可以发生还原、取代、加聚等反应B.咖啡酸与FeCl3溶液可以发生显色反应C.1mol咖啡酸可以与3molH2发生加成反应D.1mol咖啡酸与足量NaHCO3溶液反应,最多能消耗3molNaHCO3【解析】选C、D。咖啡酸含有碳碳双键,可发生还原、加聚反应,含有羧基和苯环,可发生取代反应;咖啡酸中含有酚羟基,可与FeCl3溶液发生显色反应;咖啡酸含1个苯环和1个碳碳双键,1mol咖啡酸最多可与4molH2发生加成反应;官能团中能与NaHCO3反应的只有羧基,故1mol咖啡酸最多可与1molNaHCO3发生反应。2.(2024·郴州高二检测)莽草酸可用于合成药物达菲,其结构简式如图,下列关于莽草酸的说法正确的是 ()A.分子式为C7H6O5B.分子中含有2种官能团C.可发生加成和取代反应D.在水溶液中羧基和羟基均能电离出H+【解析】选C。A项,依据莽草酸的分子结构及C、H、O原子的成键特点可知,其分子式为C7H10O5。B项,分子中含有羧基、羟基和碳碳双键三种官能团。C项,分子中含有碳碳双键,可发生加成反应;含有羟基和羧基,可发生酯化反应(即取代反应)。D项,在水溶液中,羧基可电离出H+,但羟基不能发生电离。【补偿训练】(2024·南宁高二检测)某有机物的结构简式如图,若等物质的量的该有机物分别与Na、NaOH、NaHCO3恰好反应时,则消耗Na、NaOH、NaHCO3的物质的量之比是 ()A.3∶3∶2 B.6∶4∶3C.1∶1∶1 D.3∶2∶1【解析】选D。分析该有机物的结构,可以发觉分子中含有1个醛基、1个醇羟基、1个酚羟基、1个羧基,醇羟基、酚羟基和羧基均能与钠反应生成氢气,所以1mol该有机物可以与3molNa反应;能与NaOH溶液发生反应的是酚羟基和羧基,所以1mol该有机物可以与2molNaOH反应;只有羧基可以与NaHCO3反应,1mol羧基可与1molNaHCO3反应;所以等物质的量的该有机物消耗Na、NaOH、NaHCO3的物质的量之比是3∶2∶1。医药阿司匹林常用于消炎、清热和解毒,对于治疗心脑血管疾病也有肯定的疗效。已知阿司匹林的结构简式如下图所示。(1)试分析1mol阿司匹林能和多少摩尔氢氧化钠反应?提示:3mol。羧基须要1mol,酯基水解后须要2mol。(2)1mol阿司匹林和足量的碳酸钠反应能生成多少摩尔二氧化碳?提示:0mol。若Na2CO3足量则阿司匹林中只有羧基和碳酸钠反应生成NaHCO3。(3)如何检验阿司匹林酸性水解后含有苯环的有机物是酚类?提示:向水解后的溶液中滴加三氯化铁溶液,假如溶液变紫则证明是酚类。学问点二酯化反应与酯的水解的对比及酯化反应的机理和类型1.酯的水解反应与酸和醇的酯化反应比较酯化反应水解反应反应关系CH3COOH+CH3CH2OHCH3COOCH2CH3+H2O催化剂浓硫酸稀硫酸或NaOH溶液断键机理酸中醇中酯中催化剂的其他作用吸水,提高乙酸和乙醇的转化率氢氧化钠中和酯水解产生的乙酸,提高酯的水解率最佳加热方式加热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2.酯化反应的原理酯化反应的原理是“酸脱羟基醇脱氢”,机理如下:+H—O—R′+H—O—H3.酯化反应的类型(1)一元羧酸和一元醇的酯化反应。R—COOH+R′—CH2OH。(2)一元羧酸与二元醇的酯化反应。(3)二元酸与二元醇的酯化反应。①反应生成一般酯:+HOOC—COOCH2—CH2OH+H2O。②反应生成环酯:++2H2O。③反应生成聚酯:n+n+2nH2O。(4)无机含氧酸的酯化反应。+3HO—NO2+3H2O。(5)高级脂肪酸与甘油的酯化反应。3C17H35COOH++3H2O。【规律总结】酯化反应的特点(1)全部的酯化反应,条件均为浓硫酸、加热。酯化反应为可逆反应,书写方程式时用“”。(2)利用自身酯化或相互酯化生成环酯的结构特点以确定有机物中羟基位置。(3)在形成环酯时,酯基()中只有一个O参加成环。(4)酸与醇发生反应时,产物不肯定生成酯。若是羧酸或者无机含氧酸与醇反应,产物是酯;若是无氧酸如氢卤酸与醇反应则生成卤代烃。【思索·探讨】(1)乙酸乙酯在酸性条件下和在碱性条件下的水解产物相同吗?提示:不相同。在酸性条件下生成乙酸和乙醇,而在碱性条件下生成乙酸盐和乙醇。(2)用什么方法证明乙酸发生酯化反应时断裂C—O键?提示:运用同位素示踪法探究乙酸酯化反应中可能的脱水方式。乙酸(CH3—COOH)乙醇(CH3—CH2—18OH)方式a酸脱羟基,醇脱氢,产物:CH3CO18OC2H5,H2O方式b酸脱H,醇脱—OH,产物:CH3COOC2H5、H218O在乙酸乙酯中检测到了同位素18O,证明乙酸与乙醇在浓硫酸作用下发生酯化反应的机理是“酸脱羟基,醇脱氢”。(3)羟基酸的酯化反应:由于分子中既有羟基,也有羧基,因此在不同条件下可以通过酯化反应生成多种酯,如环酯、内酯、聚酯等。已知乳酸的结构简式为,试写出其通过酯化反应生成链状酯、环酯、聚酯的化学方程式。提示:;(乳酸) (链状酯);(环酯)+nH2O。(聚酯)【典例】乳酸A最早发觉于酸牛奶中,它是人体内糖代谢的中间体,可由马铃薯、玉米淀粉等发酵制得,A的钙盐是人们宠爱的补钙剂之一。A在某种催化剂的存在下进行氧化,其产物不能发生银镜反应。在浓硫酸存在下,A可发生如下所示的反应:(1)试推断出化合物A、B、C的结构简式。提示:。A与CH3COOH、C2H5OH均发生酯化反应,分别生成C、B,故A中含有—COOH和—OH。结合A的分子式为C3H6O3,可知A中只含一个—COOH和一个—OH,则A有两种可能的结构简式:、。再依据两分子A形成的F为六原子环状化合物,知A的结构简式为,其他物质即可依次推出。(2)试写出反应A→E、A→C的反应类型。提示:消去反应、取代反应。(3)试写出A→E、A→F反应的化学方程式。提示:CH3CHOHCOOHCH2CHCOOH+H2O2CH3CHOHCOOH【迁移·应用】1.某分子式为C10H20O2的酯,在肯定条件下可发生如图的转化过程:则符合上述条件的酯的结构有 ()A.2种B.4种C.6种D.8种【解析】选B。因C在肯定条件下可氧化成E,则C为C4H9—CH2OH,B为C4H9—COOH,而—C4H9有四种结构,所以有机物共有同分异构体4种。2.(2024·三明高二检测)中国女科学家屠呦呦获诺贝尔医学奖。屠呦呦从中医古籍里得到启发,用乙醚从青蒿中提取出可以高效抑制疟原虫的成分——青蒿素(结构简式如图),这一发觉在全球范围内挽救了数以百万人的生命。下列说法中不正确的是 ()A.青蒿素的分子式为C15H22O5B.青蒿素能与NaOH溶液反应C.青蒿素易溶于水、乙醇、苯等溶剂D.用乙醚从青蒿中提取青蒿素,用到了萃取的原理【解析】选C。A项,依据有机物的结构简式可知分子式为C15H22O5,正确;B项,含有酯基,可与氢氧化钠溶液反应,主要发生水解反应,正确;C项,该有机物含有较多疏水基,难溶于水,错误;D项,青蒿素易溶于乙醚,符合萃取的分别操作,正确。【补偿训练】某吸水性高分子化合物(Z)的一种合成路途如下:X YZ下列说法正确的是 ()A.Y可发生酯化反应而X不能B.过量酸性KMnO4溶液可将X氧化为YC.Y转化为Z的反应类型是加聚反应D.Z与足量H2发生加成反应,消耗Z与H2的分子数之比为1∶3n【解析】选D。X分子中有两个醇羟基,Y分子中有两个醇羟基和一个羧基,均可以发生酯化反应,故A错误;羟基和醛基均能被酸性高锰酸钾溶液氧化,过量酸性KMnO4溶液可将X氧化为,故B错误;加聚反应的过程没有小分子化合物产生,故Y转化为Z的反应类型不是加聚反应,故C错误;Z中含有n个苯环,与足量H2发生加成反应,消耗Z与H2的分子数之比为1∶3n,故D正确。【课堂回眸】课堂检测·素养达标1.下列说法中正确的是 ()A.分子中含有苯环的羧酸叫做芳香酸B.分子中羧基的数目确定了羧酸的元数C.羧酸分子中都含有极性官能团—COOH,因此都易溶于水D.乙酸的沸点比乙醇的沸点高,主要是因为乙酸的相对分子质量更大一些【解析】选B。芳香酸是指羧基干脆连在苯环上的羧酸,分子中含有苯环的羧酸不肯定是芳香酸,A项错;羧酸的元数是依据分子中含有羧基的数目来确定的,B项正确;羧酸分子中虽含有亲水基团羧基,但也含有疏水基团烃基,烃基越大,该羧酸在水中的溶解度就越小,高级脂肪酸都难溶于水的缘由就在于此,C项错;乙酸的沸点比乙醇的沸点高的主要缘由是乙酸分子间更易形成氢键,D项错。2.(2024·枣庄高二检测)分子式为C4H8O2的有机物与硫酸溶液共热可得有机物A和B。将A氧化最终可得C,且B和C互为同系物。若C可发生银镜反应,则原有机物的结构简式为 ()A.HCOOCH2CH2CH3 B.CH3COOCH2CH3C.CH3CH2COOCH3 D.HCOOCH(CH3)2【解析】选C。分子式为C4H8O2的有机物与硫酸溶液共热可得有机物A和B,将A氧化最终可得C,且B和C互为同系物,说明C4H8O2为酯,酯水解生成羧酸和醇,A为醇,B和C为羧酸,C可发生银镜反应,则C为HCOOH,则A应为CH3OH,B为CH3CH2COOH,对应的酯的结构简式为CH3CH2COOCH3,故C正确。3.(2024·忻州高二检测)下列有关常见羧酸的说法中正确的是 ()A.甲酸是一种无色有刺激性气味的气体,易溶于水B.乙酸的沸点低于丙醇,高于乙醇C.苯甲酸的酸性比碳酸弱,不能和碳酸氢钠反应制取CO2D.乙二酸具有还原性,可以使酸性KMnO4溶液褪色【解析】选D。常温下甲酸是液体,A不正确;乙酸的沸点高于丙醇的沸点,B不正确;苯甲酸的酸性比碳酸强,可以和NaHCO3反应制取CO2,C不正确。4.1mol与足量的NaOH溶液充分反应,消耗的NaOH的物质的量为 ()A.5molB.4molC.3m