2020高中化学 羧酸 酯（提高）知识讲解学案 新人教版选修5

2020高中化学 羧酸 酯（提高）知识讲解学案 新人教版选修5

羧酸 酯 ‎【学习目标】‎ ‎1、掌握乙酸的组成、结构、性质和用途；‎ ‎2、掌握羧酸的组成、结构、性质及其应用；‎ ‎3、了解酯的结构及主要性质；‎ ‎4、掌握重要的有机物之间的相互转化，学会在有机合成与推断中应用。‎ ‎【要点梳理】‎ 要点一、羧酸的结构、通式和性质 ‎【高清课堂：羧酸和酯#羧酸的结构特征、分类及饱和一元酸的通式】‎ ‎ 1．羧酸的组成和结构。‎ ‎ （1）羧酸是由烃基（或H）与羧基相连组成的有机化合物。羧基（）是羧酸的官能团。‎ ‎ （2）羧酸有不同的分类方法：‎ ‎ ‎ ‎ 2．羧酸的分子通式。‎ ‎ 一元羧酸的分子通式为R—COOH，饱和一元脂肪羧酸的分子通式为CnH2nO2或CnH2n+1—COOH。‎ ‎ 分子式相同的羧酸、羧酸酯、羟基醛、羟基酮等互为同分异构体。‎ ‎ 3．羧酸的主要性质。‎ ‎ （1）羧酸的沸点比相应的醇的沸点高；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，直至与相对分子质量相近的烷烃的溶解度相近。‎ ‎【高清课堂：羧酸和酯#羧酸的化学性质】‎ ‎ （2）羧酸的化学性质。‎ ‎ ①弱酸性。‎ ‎ 由于—COOH能电离出H+，使羧酸具有弱酸性。而羧酸具有酸类物质的通性。如：‎ ‎ 2RCOOH+Na2CO3—→2RCOONa+CO2↑+H2O ‎ RCOOH+NH3—→RCOONH4‎ ‎ 常见的一元羧酸的酸性强弱顺序为：‎ ‎ ‎ ‎ ②酯化反应。‎ ‎ ‎ ‎ 注意：可以用同位素示踪法证实酯化反应过程是羧酸分子中羧基中的羟基与醇分子中羟基的氢原子结合成水，其余部分相互结合成酯。‎ ‎ 无机含氧酸与醇作用也能生成酯，如：‎ ‎ C2H5OH+HONO2—→C2H5—O—NO2+H2O ‎ （硝酸乙酯）‎ 8‎ ‎ ③-H被取代的反应。‎ ‎ ‎ ‎ 通过羧酸-H的取代反应，可以合成卤代羧酸，进而制得氨基酸、羟基酸等。‎ ‎ ④还原反应。‎ ‎ 由于羟基的影响，羧基中的羰基比醛、酮分子中的羰基较难发生加成反应，但在特殊试剂（如LiAlH4）的作用下，可将羧基还原为醇羟基。‎ ‎ RCOOHRCH2OH ‎ 有机化学上可用此反应实现羧酸向醇的转化。‎ ‎ 4．羧酸的命名。‎ ‎ （1）选含羧基的最长的碳链作为主链，按主链碳原子数称某酸；‎ ‎ （2）从羧基开始给主链碳原子编号；‎ ‎（3）在“某酸”名称之前加入取代基的位次号和名称。‎ 如：‎ ‎ 5．重要的羧酸简介。‎ ‎ （1）甲酸（）俗称蚁酸，是有刺激性气味的无色液体，有腐蚀性，能与水、乙醇、乙醚、甘油等互溶。‎ ‎ 甲酸分子中既含有羧基又含有醛基（见右图），因而能表现出羧酸和醛两类物质的性质。如显酸性、能酯化（表现出—COOH的性质）、能发生银镜反应和被新制的Cu(OH)2氧化（表现出—CHO的性质）。‎ ‎ 甲酸在工业上可用作还原剂，在医疗上可用作消毒剂。‎ ‎ （2）苯甲酸俗称安息香酸，是白色针状晶体，易升华，微溶于水，易溶于乙醇、乙醚。苯甲酸及其钠盐或钾盐常用作食品防窝剂。‎ ‎ （3）乙二酸（）俗称草酸，是无色透明晶体，能溶于水或乙醇。通常以结晶水合物形式存在。草酸钙（CaC2O4）难溶于水，是人体膀胱结石和肾结石的主要成分。‎ ‎ （4）高级脂肪酸指的是分子中含碳原子数较多的脂肪酸，它们的酸性很弱，在水中的溶解度不大甚至难溶于水。硬脂酸（C17H35COOH）、软脂酸（C15H31COOH）、油酸（C17H33COOH）、亚油酸（C17H31COOH）都是常见的高级脂肪酸。‎ 要点二、酯的组成、结构和性质 ‎【高清课堂：羧酸和酯#酯类、油脂的结构特征，酯类的通式】‎ ‎ 1．酯的组成和结构。‎ ‎ 酯是羧酸分子中羧基上的羟基（—OH）被烃氧基（—OR＇）取代后的产物。酯是一种羧酸衍生物，其分子由酰基（）和烃氧基（—OR＇）相连构成。‎ ‎ 2．酯的分子通式。‎ 8‎ ‎ 酯的分子通式为，饱和一元脂肪羧酸酯的分子通式为CnH2nO2。分子式相同的羧酸、羧酸酯、羟基醛、羟基酮互为同分异构体。‎ ‎ 3．酯的物理性质。‎ ‎ 酯类都难溶于水，易溶于乙醇和乙醚等有机溶剂，密度一般比水小。低级酯是具有芳香气味的液体。‎ ‎ 4．酯的化学性质。‎ ‎【高清课堂：羧酸和酯#酯类性质】‎ ‎ （1）酯的水解。‎ ‎ 在有酸或碱存在的条件下，酯能发生水解反应，生成相应的酸和醇。‎ ‎ ‎ ‎ 在酸存在下酯的水解是可逆的；在碱存在下酯的水解趋于完全，是不可逆反应。‎ ‎ （2）酯的醇解。‎ ‎ 在酸或醇的催化下，酯还可以发生醇解反应。‎ ‎ ‎ ‎ 酯的醇解又称酯交换反应，在有机合成中有重要用途。‎ ‎ 5．酯的制取。‎ ‎ 下面简单介绍乙酸乙酯的实验室制法。‎ ‎ （1）反应原料：乙醇、乙酸、浓硫酸、饱和Na2CO3溶液。‎ ‎ （2）反应原理：CH3COOH+C2H5OHCH3COOC2H5+H2O ‎ （3）反应装置：试管、酒精灯。‎ ‎ （4）实验方法：在一支试管里先加入3 mL乙醇，然后一边摇动，一边慢慢地加入‎2 ‎mL浓硫酸和2 mL冰醋酸，按右下图连接好装置。用酒精灯小心均匀地加热试管3～5 min，产生的蒸气经导管通到饱和Na2CO3溶液的液面上，此时可以观察到有透明的油状液体浮在液面上。取下盛有饱和Na2CO3溶液的试管，并停止加热，振荡盛有饱和Na2CO3溶液的试管后静置，待溶液分层后，可观察到上层的透明油状液体乙酸乙酯，并可闻到果香气味。‎ ‎ （5）注意事项：‎ ‎ ①实验中浓硫酸起催化剂和脱水剂作用。‎ ‎ ②盛反应混合液的试管要向上倾斜约45°，主要目的是增大反应混合液的受热面积。‎ ‎ ③导管应较长，除导气外还兼起冷凝作用。导管末端只能接近饱和Na2CO3溶液的液面而不能伸入液面以下，目的是防止受热不均发生倒吸。‎ ‎ ④实验中小心均匀加热使液体保持微沸，这样有利于产物的生成和蒸出，以提高乙酸乙酯的产率。‎ ‎ ⑤饱和Na2CO3溶液的作用是吸收乙酸，溶解乙醇，冷凝酯蒸气且减小酯在水中的溶解度，以利于分层。‎ ‎ ⑥不能用。NaOH溶液代替饱和Na2CO3溶液，因乙酸乙酯在NaOH存在时易水解，而几乎得不到乙酸乙酯。‎ ‎ 6．酯的用途。‎ ‎ 酯常用作有机溶剂，也可用作制备饮料和糖果的香料。‎ 要点三、重要的有机物之间的相互转化 8‎ ‎ ‎ ‎【典型例题】‎ 类型一：羧酸的结构和性质 ‎ 例1 （1）具有支链的化合物A的分子式为C4H6O2，A可以使Br2的四氯化碳溶液褪色。1 mol A和1 mol NaHCO3能完全反应，则A的结构简式是________。写出与A具有相同官能团的A的所有同分异构体的结构简式________。‎ ‎ （2）化合物B含有C、H、O三种元素，相对分子质量为60，其中碳的质量分数为60％，氢的质量分数为13.3％。B在催化剂Cu的作用下被氧气氧化成C，C能发生银镜反应，则B的结构简式是________。‎ ‎ （3）D在NaOH水溶液中加热反应，可生成A的钠盐和B，相关反应的化学方程式是________。‎ ‎【思路点拨】解答此类题目时，注意根据反应物或者条件的不同所对应的官能团差别；在书写有机化学方程式时需要特别注意反应条件以及小分子无机物不能遗漏。‎ ‎【答案】（1） CH2＝CH—CH2—COOH、CH3—CH＝CH—COOH ‎（2）CH3CH2CH2OH ‎（3）‎ ‎ 【解析】（1）由A可使Br2的CCl4溶液褪色，则A分子中含有碳碳双键或三键，由1 mol A可与1 mol的NaHCO3完全反应，则A分子中含有1个—COOH，结合A的分子式为C4H6O2，可知A分子中含碳碳双键不含三键，又知A分子中具有支链，所以A的结构简式为。与A具有相同官能团的物质的结构简式，可在—COOH不变的情况下，改变C＝C键和另一个碳原子的相对位置得到，即有CH3—CH＝CH—COOH或CH2＝CH—CH2—COOH两种结构。‎ ‎ （2）B分子中C、H、O的原子个数比为：=3∶8∶1。最简式为C3H8O，其相对分子质量为60，故B的分子式为C3H8O。由于B+O‎2‎C，C可发生银镜反应，C中应含—CHO，则B分子中含有—CH2OH结构，从而B的结构简式为CH3CH2CH2OH。‎ ‎ （3）由于从而推出D的结构简式为。‎ ‎【总结升华】能与NaHCO3反应的物质只有羧酸，能与NaOH反应的物质有卤代烃、酚、羧酸、酯，能与Na2CO3反应的物质有酚、羧酸，能与钠反应的有机物：醇、酚、羧酸。‎ 举一反三：‎ ‎【变式1】近年来流行喝苹果醋。苹果醋是一种由苹果发酵而成的具有解毒、降脂、减肥和止泻等明显药效的健康食品。苹果酸（-羟基丁二酸）是这种饮料的主要酸性物质，苹果酸的结构如下图所示，下列相关说法不正确的是（ ）。‎ ‎ ‎ 8‎ ‎ A．苹果酸在一定条件下能发生酯化反应 ‎ B．苹果酸在一定条件下能发生催化氧化反应 ‎ C．苹果酸在一定条件下能发生消去反应 ‎ D．1 mol苹果酸与Na2CO3溶液反应必须消耗2 mol Na2CO3‎ ‎　　【答案】D ‎【变式2】咖啡酸（下式中的A）是某种抗氧化剂的成分之一，A与FeCl3溶液反应显紫色。‎ ‎ D A B C（C9H5O4Na3） ‎ ‎ （1）咖啡酸中含氧官能团的名称为________。‎ ‎ （2）咖啡酸可以发生的反应是________（填写序号）。‎ ‎ ①氧化反应 ②加成反应 ③酯化反应 ④加聚反应 ⑤消去反应 ‎ （3）咖啡酸可看做1,3,4-三取代苯，其中两个相同的官能团位于邻位，取代基中不含支链。则咖啡酸的结构简式为________。‎ ‎ （4）‎3.6 ‎g咖啡酸与足量碳酸氢钠反应生成气体（标准状况）为________mL。‎ ‎（5）蜂胶的主要活性成分为CPAE，分子式为C17H16O4，该物质在一定条件下可水解生成咖啡酸和一种醇，该醇为芳香醇，且分子结构中无甲基，则咖啡酸跟该芳香醇在一定条件下反应生成CPAE的化学方程式为________。‎ ‎　　【答案】（1）羧基、酚羟基 （2）①②③④‎ ‎ （3） （4）448‎ ‎ ‎ ‎ 例2 咖啡鞣酸具有广泛的抗菌作用，其结构简式如下所示：‎ ‎ ‎ 关于咖啡鞣酸的下列叙述不正确的是（ ）。‎ ‎ A．分子式为C16H18O9‎ ‎ B．与苯环直接相连的原子都在同一平面上 ‎ C．1 mol咖啡鞣酸水解时可消耗8 mol NaOH ‎ D．与浓溴水既能发生取代反应又能发生加成反应 ‎【思路点拨】解答本题时，分子式的书写需要注意环烷和苯的区别；分析其与NaOH反应时，注意醇酯和酚酯消耗NaOH的区别；该物质既含有碳碳双键又含有酚羟基，所以需要考虑两类反应。‎ ‎【答案】C ‎ 【解析】本题主要考查有机物的组成、结构和性质。由题目所给的结构简式易知其分子式为C16H18O9，选项A正确；由苯分子中所有原子都处于同一平面的结构可知，与苯环直接相连的所有原子共面，选项B正确；1 mol咖啡鞣酸水解产生1 mol 除—COOH可消耗NaOH外，酚羟基也可消耗NaOH，故1 mol咖啡鞣酸水解，可消耗4 mol NaOH，选项C不正确；所给物质的分子中含酚的结构及—‎ 8‎ CH＝CH—结构，故选项D正确。‎ ‎【总结升华】能与氢氧化钠反应的有机物：卤代烃、酚、羧酸、酯，其中醇酯与NaOH1：1反应、酚酯与NaOH按1：2反应（因为酚酯水解生成的羧酸和酚都可与NaOH反应）‎ 类型二：酯的结构与性质 ‎ 例‎3 A、B、C、D、E、F和G都是有机化合物，它们的关系如下图所示：‎ ‎ ‎ ‎ （1）化合物C的分子式是C7H8O，C遇FeCl3溶液显紫色，C与溴水反应生成的一溴代物只有两种，则C的结构简式为________；‎ ‎ （2）D为一直链化合物，其相对分子质量比化合物C的小20，它能跟NaHCO3反应放出CO2，则D的分子式为________，D具有的官能团是________；‎ ‎ （3）反应①的化学方程式是________；‎ ‎ （4）芳香化合物B是与A具有相同官能团的A的同分异构体，通过反应②化合物B能生成E和F，F可能的结构简式是________；‎ ‎（5）E可能的结构简式是________。‎ ‎ 【思路点拨】注意一些官能团的特征反应，比如本题中“遇FeCl3溶液显紫色”的物质种类；在分析酯的水解与酯化反应时，注意物质相对分子质量的变化。‎ ‎ 【答案】（1）‎ ‎（2）C4H8O2 羧基 ‎（4）CH3CH2CH2OH、‎ ‎ 【解析】（1）化合物C的分子式为C7H8O，遇FeCl3溶液显紫色，说明C中含有酚羟基，根据与溴水反应生成的一溴代物有两种，可推出苯环上取代基位置为对位，其结构简式为。‎ ‎ （2）D为直链化合物，可与NaHCO3反应，可知其结构中有—COOH，C的相对分子质量为108，D的相对分子质量为88，去掉羧基剩余部分为88－45=43，由商余法43÷14=3余1可知D为C3H7—COOH，分子式为C4H8O2，官能团名称为羧基。‎ ‎（3）由（1）（2）可推出反应①为 8‎ ‎ （4）根据D+F—→G（C7H14O2），可知F中含有3个碳原子，F为CH3CH2CH2OH或者。‎ ‎（5）F为醇，则E为羧酸，且含有苯环，根据B是A的同分异构体可推知E可能的结构为 ‎。‎ ‎ 【总结升华】同分异构体的书写时，注意思考的顺序：1、碳链异构；2、官能团异构；3、位置异构；4、顺反异构（存在于碳碳双键时）。‎ ‎ ‎ 举一反三：‎ ‎【变式1】菠萝酯是一种具有菠萝香气的食用香料，是化合物甲与苯氧乙酸发生酯化反应的产物。‎ ‎ （1）甲一定含有的官能团的名称是________。‎ ‎ （2）‎5.8 ‎g甲完全燃烧可产生0.3 mol CO2和0.3 mol H2O，甲蒸气对氢气的梧对密度是29，甲分子中不含甲基，且为链状结构，其结构简式是________。‎ ‎ （3）苯氧乙酸有多种酯类的同分异构体。其中能与FeCl3溶液发生显色反应，且有2种一硝基取代物的同分异构体是（写出任意两种的结构简式）________。‎ ‎（4）已知：‎ 菠萝酯的合成路线如下：‎ ‎ ①试剂X不可选用的是________（填字母）。‎ ‎ a．CH3COONa溶液 b．NaOH溶液 c．NaHCO3溶液 d．Na ‎ ②丙的结构简式是________，反应Ⅱ的反应类型是________。‎ ‎ ③反应Ⅳ的化学方程式是________。‎ ‎　　【答案】（1）羟基 （2）CH2＝CH—CH2—OH ‎ （3）（答对其中任意两种即可）‎ 8‎ ‎ （4）①a、c ②ClCH2COOH 取代反应 ‎ ‎ ‎【变式2】右图是实验室制取乙酸乙酯的装置。‎ ‎ （1）在大试管中配制一定比例的乙醇、乙酸和浓硫酸的混合液的方法是：将________，然后轻轻振荡试管，使之混合均匀。‎ ‎ （2）装置中通蒸气的导管要插在饱和Na2CO3溶液的液面上，不能插入溶液中，目的是防止Na2CO3溶液的倒吸，造成倒吸的原因是________。‎ ‎ （3）浓硫酸的作用是：①________；②________。‎ ‎ （4）饱和Na2CO3溶液的作用是________。‎ ‎ （5）实验中生成的乙酸乙酯，其密度比水________（填“大”或“小”），有________气味。‎ ‎ （6）若实验中温度过高，使反应温度达到‎140℃‎左右时，副反应的主要有机产物有________（填物质名称）。‎ ‎　　【答案】（1）浓硫酸和乙酸的混合溶液慢慢倒入乙醇中 （2）加热不均匀 ‎ （3）①催化剂 ②吸水剂（或吸收生成的水），以利于平衡向酯化反应方向移动 ‎ （4）降低酯在水中的溶解度，除去酯中混有的乙酸和乙醇，以利于分层 ‎ （5）小 果香 （6）乙醚 8‎