化學人教版選修5學案3-3羧酸酯

第三節(jié)羧酸酯一、羧酸1．概念：由烴基與羧基相連構成的化合物。注意：(1)羧基(或—COOH)是羧酸的官能團。(2)甲酸()是分子組成和結構最簡單的羧酸。甲酸的分子組成有特殊性，即甲酸分子里沒有烴基，但有醛基。2．通式：一元羧酸的通式為R—COOH，飽和一元脂肪酸的通式為CnH2nO2。3．分類(1)按分子中烴基的結構分①脂肪酸eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(低級脂肪酸：如乙酸：CH3COOH,高級脂肪酸\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(硬脂酸：C17H35COOH,軟脂酸：C15H31COOH,油酸：C17H33COOH))))②芳香酸如苯甲酸：C6H5COOH，俗名安息香酸。(2)按分子中羧基的數目分①一元酸：如甲酸：HCOOH，俗名蟻酸。②二元酸：如乙二酸：HOOC—COOH，俗名草酸。③多元酸：如檸檬酸：。4．通性：羧酸分子中都含有羧基官能團，因此都有酸性，都能發(fā)生酯化反應。二、乙酸的結構與性質1．結構特點2.物理性質3.化學性質(1)酸性：CH3COOHCH3COO－＋H＋，乙酸是一種弱酸，比碳酸酸性強，具有酸的通性。如：2CH3COOH＋Na2CO3→2CH3COONa＋CO2↑＋H2O。(2)酯化反應如CH3COOH和CH3CHeq\o\al(18,2)OHeq\o(,\s\up15(濃硫酸),\s\do15())CH3CO18OC2H5＋H2O。三、酯1．組成、結構和命名(1)定義：羧酸分子羧基中的—OH被—OR′取代后的產物。(2)官能團：酯基，符號是—COO—或。(3)通式：RCOOR′，R是任意的烴基或氫原子，而R′是碳原子數大于或等于1的任意烴基。(4)命名：根據生成酯的酸和醇的名稱來命名，稱為某酸某酯，如CH3COOC2H5稱為乙酸乙酯。2．性質(1)物理性質①氣味：低級酯具有芳香氣味。②狀態(tài)：低級酯通常為液體。③密度和溶解性：密度一般比水小；難溶于水，易溶于乙醇和乙醚等有機溶劑。(2)化學性質——水解反應。酯的水解反應是酯的重要化學性質之一，水解生成相應的酸和醇，屬于取代反應。①在無機酸催化下，水解反應為可逆反應。如乙酸乙酯在酸性環(huán)境中水解反應的方程式：CH3COOC2H5＋H2Oeq\o(,\s\up15(稀硫酸),\s\do15(△))CH3COOH＋C2H5OH。②當用堿作催化劑時，堿與酯水解生成的乙酸發(fā)生中和反應，可使水解趨于完全，因此，堿性條件下的水解是不可逆反應。如乙酸乙酯與NaOH溶液共熱的反應方程式：CH3COOC2H5＋NaOHeq\o(→,\s\up15(△))CH3COONa＋C2H5OH。探究點一酯化反應和酯的水解一、酯化反應1．酯化反應的規(guī)律(1)酸與醇反應生成酯時，一般情況下，酸脫去羥基，醇脫去氫。eq\o(,\s\up15(濃硫酸),\s\do15(△))CH3COOCH2CH3＋H2O(2)此反應為酯化反應，也屬于取代反應。(3)醇也可與無機酸反應生成酯，如HNO3＋HOCH2CH3→CH3CH2ONO2＋H2O2．酯化反應的類型(1)一元羧酸與一元醇之間的酯化反應CH3COOH＋C2H5OHeq\o(,\s\up15(濃硫酸),\s\do15(△))CH3COOC2H5＋H2O(4)二元羧酸與二元醇之間的酯化反應此時反應有三種情形，可得普通酯、環(huán)酯和高聚酯。如：(5)羥基酸自身的酯化反應此時反應有三種情形，可得到普通酯、環(huán)狀交酯和高聚酯。如①所有的酯化反應，條件均為濃硫酸存在下加熱。②利用自身酯化或酯化生成環(huán)酯的結構特點可以確定有機物中羥基位置。③在形成環(huán)酯時，酯基中，只有一個O參與成環(huán)。二、酯的水解反應(1)反應原理：CH3COOC2H5＋H2Oeq\o(,\s\up15(無機酸),\s\do15(△))CH3COOH＋CH3CH2OH(2)反應機理：在水解反應中，乙酸乙酯分子里斷裂的化學鍵是中的鍵，即形成的是哪個鍵，斷開的就是哪個鍵。(3)水解反應屬于取代反應。(4)乙酸乙酯酸性條件下的水解反應是可逆反應，反應在一定條件下達到化學平衡狀態(tài)。堿性條件下的水解生成羧酸鹽和醇，不是可逆反應。三、酯化反應與酯的水解反應的比較四、關于酯化反應與酯的水解反應的理解酯化反應及酯的水解反應規(guī)律。①當一元醇和一元酸完全酯化時，酸、醇、酯三者之間的關系為：質量：m(酯)＝m(酸)＋m(醇)－m(水)碳原子數：NC(酯)＝NC(酸)＋NC(醇)氫原子數：NH(酯)＝NH(酸)＋NH(醇)－2②醇被氧化得醛，再被氧化得到酸，當此酸與酯水解得到的酸相同時，可知：a.酸和醇的碳原子數相同；b.二者的結構相似；c.官能團在端點。③酯水解產物可發(fā)生銀鏡反應時，則酯為甲酸某酯。1．酯化反應屬于有機反應，為什么在化學方程式中用“”而不用“→”？提示：酯化反應是可逆反應，且反應速率很小。羧酸與醇在一定條件下反應生成酯的同時，生成的酯部分會發(fā)生水解反應，又生成相應的羧酸和醇，因此酯化反應雖然屬于有機反應，但是常用“”表示。2．在常見的有機反應中，濃硫酸的作用有何不同？提示：(1)在苯的硝化反應和實驗室制取乙酸乙酯的反應中，濃硫酸均起催化劑和吸水劑的作用。(2)在實驗室制取乙烯的反應中，濃硫酸起催化劑和脫水劑的作用。【例1】A、B、C、D、E均為有機物，它們具有下圖所示的轉化關系：已知：C能與NaHCO3發(fā)生反應，C、D相對分子質量相等，E能發(fā)生銀鏡反應，相對分子質量為74。請回答下列問題：(1)寫出C的名稱：________。E中含有的官能團(寫結構簡式)：________、________。寫出有機物B可能發(fā)生的兩種反應類型：________________________。(2)寫出反應②的化學方程式：___________________________________________________________________________________；該反應加熱的目的是_________________________________。(3)A的結構簡式為________________。【解析】C能與NaHCO3發(fā)生反應，說明C中含有羧基，E能發(fā)生銀鏡反應，說明E中含有醛基。再結合圖中轉化關系及反應條件可推知，反應②為酯化反應，E為甲酸酯，且相對分子質量為74，C、D的相對分子質量相等，均為(74＋18)/2＝46，則C為HCOOH，D為CH3CH2OH，E為HCOOCH2CH3。由框圖轉化關系及B的結構簡式可推知，A的結構簡式為。有機物B中含有羧基、羥基、苯環(huán)，羧基、羥基可以發(fā)生酯化反應，即取代反應，醇羥基可以發(fā)生消去反應生成碳碳雙鍵，還可以被氧化生成醛或酮，苯環(huán)可以與H2在一定條件下加成。【答案】(1)甲酸—CHO—COO—酯化反應、催化氧化反應、加成反應、消去反應(寫出兩種即可)(2)HCOOH＋C2H5OHeq\o(,\s\up15(濃硫酸),\s\do15(△))HCOOC2H5＋H2O加快反應速率，蒸出產物使平衡右移，提高酯的產量(3)下列表示一種有機物的結構，關于它的性質的敘述中不正確的是(C)A．它有酸性，能與純堿溶液反應B．可以水解，水解產物只有一種C．1mol該有機物最多能和7molNaOH反應D．該有機物能與溴水發(fā)生取代反應解析：該物質的苯環(huán)上直接連有羧基，因此具有酸性，且酸性大于碳酸(酚羥基結構也能與COeq\o\al(2－,3)反應生成HCOeq\o\al(－,3))，故能與純堿溶液反應，選項A正確；該物質中含有酯基，因此可以水解，且水解產物只有一種(3,4,5-三羥基苯甲酸)，因此選項B正確；能和NaOH反應的有苯環(huán)支鏈的酚羥基、酯基、羧基，其中酯基水解后生成1mol羧基和1mol酚羥基，所以1mol該有機物最多能和8molNaOH反應，故C選項不正確；酚羥基的鄰位和對位上的氫原子易被溴取代，故該有機物能與溴水發(fā)生取代反應，選項D正確。探究點二乙酸乙酯的制備1．反應原料：乙醇、乙酸、濃硫酸、飽和Na2CO3溶液。2．實驗原理CH3COOH＋C2H5OHeq\o(,\s\up15(濃硫酸),\s\do15(△))CH3COOC2H5＋H2O3．實驗裝置如圖所示4．實驗過程在1支試管中加入3mL乙醇，繼而再邊搖動試管邊慢慢加入2mL濃硫酸和2mL乙酸。然后按如圖裝置連接好。用酒精燈小心均勻地加熱試管3min～5min，產生的蒸氣經導管通到飽和Na2CO3溶液的液面上。在液面上可以看到有透明的油狀液體產生且聞到香味后，取下試管并停止加熱。5．注意事項(1)加熱前應先在反應混合物中加入碎瓷片，以防加熱過程中發(fā)生暴沸現象。(2)配制乙醇、濃硫酸、乙酸的混合液時，各試劑加入試管的順序依次是：乙醇、濃硫酸、乙酸。將濃硫酸加入乙醇中，邊加邊振蕩是為了防止混合時產生大量的熱會導致液體飛濺，待乙醇與濃硫酸的混合液冷卻后再與乙酸混合。(3)實驗中使用過量乙醇是由于該反應是可逆反應，增大廉價原料乙醇的用量可提高相對較貴原料乙酸的利用率。(4)裝置中導管a起冷凝作用，以使產物乙酸乙酯蒸氣冷凝成液體流入盛有飽和Na2CO3溶液的試管中。(5)加熱過程分為兩個階段：先用小火微熱一段時間，再用大火加熱將生成的乙酸乙酯蒸出。小火微熱是為了防止未反應的乙醇和乙酸被蒸出，后用大火是為了使乙酸乙酯脫離反應體系，有利于平衡向生成酯的方向移動。(6)試管b中盛有飽和Na2CO3溶液的作用：其一，Na2CO3可與混入乙酸乙酯中的乙酸反應而將其除去，同時還可溶解混入的乙醇；其二，使乙酸乙酯的溶解度減小，而易分層析出。(7)導管末端不能插入Na2CO3溶液中是為了防止倒吸現象的發(fā)生。為了防止倒吸并且使生成的乙酸乙酯充分吸收，也可將導管改為球形干燥管。(8)濃硫酸在反應中所起的作用是：催化作用和吸水作用。1．能否用NaOH溶液代替飽和Na2CO3溶液？提示：不能。因為乙酸乙酯在NaOH存在時易發(fā)生水解反應。2．如何提高乙酸乙酯的產率？提示：由于乙酸乙酯沸點比乙酸、乙醇低，因此從反應物中不斷蒸出乙酸乙酯，可提高其產率；使用過量的乙醇，可提高乙酸轉化為乙酸乙酯的產率；使用濃硫酸作吸水劑，可提高乙醇、乙酸的轉化率從而提高了乙酸乙酯的產率?！纠?】已知下列數據(下表)：物質熔點/℃沸點/℃密度/g·cm－3乙醇－14478.50.789乙酸16.61181.05乙酸乙酯－83.677.10.900濃硫酸(98%)——3381.84圖為實驗制取乙酸乙酯的裝置圖。(1)如果使用的乙醇中的O用18O標記，則制取乙酸乙酯的化學方程式為：________。(2)當飽和碳酸鈉溶液上方收集到較多液體時，停止加熱，取下小試管B，充分振蕩，靜置。振蕩后的實驗現象________(填字母)。A．上層液體變薄 B．下層液體紅色變淺或變?yōu)闊o色C．有氣泡產生 D．有果香味(3)從飽和Na2CO3溶液中分離出乙酸乙酯的操作方法為________，用到的儀器為________?！窘馕觥?1)乙酸與乙醇發(fā)生酯化反應時，CH3CH2OH脫去羥基上的H原子，故乙醇中的18O轉移到乙酸乙酯中去：CH3COOH＋H18OCH2CH3eq\o(,\s\up15(濃H2SO4),\s\do15(△))＋H2O。(2)飽和Na2CO3溶液上方收集的液體中含有乙酸乙酯、乙醇和乙酸，充分振蕩后，乙醇溶于水，乙酸與Na2CO3溶液發(fā)生反應，溶液堿性減弱，紅色變淺，故答案應為ABCD。(3)乙酸乙酯不溶于水，可采用分液漏斗分液的方法進行分離?！敬鸢浮?1)CH3COOH＋H18OCH2CH3eq\o(,\s\up15(濃H2SO4),\s\do15(△))(2)ABCD(3)分液分液漏斗可用圖示裝置制取少量乙酸乙酯(酒精燈等在圖中均已略去)。請?zhí)羁眨?1)試管a中需要加入濃硫酸、冰醋酸和乙醇各2mL，正確的加入順序及操作是先加入乙醇，然后邊搖動試管邊慢慢加入濃硫酸，再加入冰醋酸。(2)為防止a中的液體在實驗時發(fā)生暴沸，在加熱前應采取的措施是在試管中加入幾片沸石(或碎瓷片)。(3)實驗中加熱試管a的目的是①提高反應速率。②提高乙酸乙酯的產率。(4)試管b中加有飽和Na2CO3溶液，其作用是乙酸乙酯在飽和Na2CO3溶液中的溶解度很小，蒸出的乙酸與飽和Na2CO3反應，且乙醇在其中的溶解度很大，因此便于分離出乙酸乙酯。。(5)反應結束后，振蕩試管b，靜置，觀察到的現象是試管內液體分層，上層為油狀液體。解析：(1)濃硫酸溶于水會放出大量熱，因此應先加入乙醇，然后邊搖動試管邊慢慢加入濃硫酸，最后再加入冰醋酸。(2)為了防止反應時發(fā)生暴沸，在加熱前應加入幾片沸石(或碎瓷片)。(3)加熱試管可提高反應速率，同時可將乙酸乙酯及時蒸出，有利于提高乙酸乙酯的產率。(4)乙酸乙酯在飽和Na2CO3溶液中的溶解度很小，蒸出的乙酸與飽和Na2CO3反應，且乙醇在其中的溶解度很大，因此便于分離出乙酸乙酯。(5)試管內液體分層，上層為油狀液體。探究點三典型物質中羥基活潑性的比較如何從分子內基團間相互作用來解釋苯酚的酸性比乙醇的強？提示：苯酚分子中，由于受苯環(huán)的影響，羥基中O—H鍵的極性進一步增強，苯酚分子中羥基上的氫原子能發(fā)生電離，苯酚溶液表現出弱酸性；乙醇分子中，由于受乙基的影響，羥基中O—H鍵的極性比水分子中羥基的極性弱，乙醇分子中羥基上的氫原子不能電離。故苯酚的酸性比乙醇的強?！纠?】某有機物A的結構簡式為，若取等質量的A分別與足量的Na、NaOH、新制的Cu(OH)2懸濁液充分反應，理論上消耗這三種物質的物質的量之比為()A．3∶2∶1 B．3∶2∶2C．6∶4∶6 D．3∶2∶3【解析】能與Na反應的有醇羥基、酚羥基和羧基；能與NaOH反應的有酚羥基和羧基；能與新制Cu(OH)2反應的有醛基和羧基。為便于比較，可設A為1mol，則反應需消耗Na3mol，需消耗NaOH2mol；當A與新制Cu(OH)2反應時，1mol—CHO與2molCu(OH)2完全反應生成1mol—COOH，而原有機物含有1mol—COOH，這2mol—COOH需消耗1molCu(OH)2，故共需消耗3molCu(OH)2，即物質的量之比為3∶2∶3?！敬鸢浮緿(2)當和NaOH或Na2CO3反應時，可轉化為(3)當和Na反應時，可轉化為。解析：首先觀察判斷出該有機物含有哪些官能團：羧基(—COOH)、酚羥基(—OH)和醇羥基(—OH)，再判斷各官能團活性：—COOH>酚羥基>醇羥基，然后利用官能團性質解答。本題考查了不同羥基的酸性問題。由于酸性—COOH>H2CO3>>HCOeq\o\al(－,3)，所以①中應加入NaHCO3，只與—COOH反應；②中加入NaOH或Na2CO3，與酚羥基和—COOH反應；③中加入Na，與三種都反應。探究點四羧酸和酯的同分異構體一、一元羧酸的同分異構體(1)飽和一元羧酸(RCOOH)的同分異構體，根據烴基(—R)的種類書寫，如C4H9COOH共有4種，因為—C4H9有4種。(2)復雜一元羧酸，可將—COOH作為取代基，找剩余烴基對應烴的一元取代物，如含有苯環(huán)和羧基與互為同分異構體，即找甲苯的取代物(如圖)，共4種。二、酯的同分異構體的書寫1．分碳法酯的結構為，其中R1可以是烴基也可以是H，R2是烴基。書寫酯的同分異構體時，方法為：R1中的碳原子數由0、1、2、3……逐漸增加，R2中的碳原子數由最大值減小至1。同時要注意R1、R2中的碳鏈異構。2．插入法飽和一元酯的通式為CnH2nO2，去掉—COO—的結構，剩余部分為烷烴的組成，故先寫出這部分烷烴的所有結構，然后在每種結構中不同位置的碳氫鍵和碳碳鍵之間插入酯基。例如：C4H8O2的酯類的同分異構體的寫法：去掉—COO—，余下部分為C3H8，寫出C3H8的結構：CH3CH2CH3先在兩種不同位置的碳氫鍵中插入酯基：HCOOCH2CH2CH3、。再在碳碳鍵之間插入酯基得：CH3COOCH2CH3CH3OOCCH2CH3三、羧酸和酯的同分異構體符合CnH2nO2的有機物常見的有羧酸和酯，有時涉及羥基醛及羥基酮。因此分子式相同的羧酸、酯、羥基醛及羥基酮互為同分異構體。分析時按有序性思考原則逐步寫出。例如，分子式為C4H8O2的可能結構簡式為1．羧酸類(2種)2．酯類(4種)3．羥醛類(5種)4．羥酮類(3種)【例4】鄰甲基苯甲酸()有多種同分異構體，其中屬于酯，但分子結構中含有甲基和苯環(huán)的同分異構體有()A．2種 B．3種C．4種 D．5種【思路分析】解答本題的關鍵：(1)所求有機物屬于酯；(2)所求有機物中含有甲基和苯環(huán)?！窘馕觥克笸之悩嬻w中必須含有苯環(huán)和甲基，它們分別為【答案】C乙酸苯甲酯對花香和果香的香韻具有提升作用，故常用于化妝品工業(yè)和食品工業(yè)。乙酸苯甲酯可以用下面的設計方案合成。解析：(1)首先要從最終產物乙酸苯甲酯入手推出中間產物C。乙酸苯甲酯可由乙酸和苯甲醇經酯化反應制得，所以C是苯甲醇。B分子為鹵代烴。對比B與C的轉化條件及C的結構簡式可推知，B中Cl原子經取代反應轉化為羥基，所以B是氯甲基苯。①的反應條件表明，A是烴類化合物甲苯。1．某有機物M的結構簡式如圖所示，下列說法正確的是(D)A．1molM最多能與10molH2發(fā)生加成反應B．1molM最多能與2molNaHCO3反應C．1molM最多能與5molNaOH反應D．1molM最多能與2molNa反應解析：M的結構簡式中，酯基、羧基中的碳氧雙鍵均不能與氫氣發(fā)生加成反應，只有苯環(huán)和醛基能與氫氣發(fā)生加成反應，故1molM最多能與7molH2發(fā)生加成反應，A項錯誤；只有羧基能與NaHCO3反應，故1molM最多能與1molNaHCO3反應，B項錯誤；能與NaOH反應的官能團有溴原子、酯基、羧基、酚羥基，1molM分子中含有1mol溴原子、2mol酯基(因M中的酯基為酚酯基，1mol酚酯基消耗2molNaOH)、1mol酚羥基、1mol羧基，故1molM最多消耗7molNaOH，C項錯誤；只有酚羥基與羧基能與鈉反應，D項正確。2．為了證明甲酸溶液中混有甲醛，正確的實驗操作是(C)A．加入硝酸銀溶液，在水浴中加熱B．加入2～3滴紫色石蕊試液C．加入足量的NaOH溶液后蒸餾，用餾出液進行銀鏡反應實驗D．先蒸餾，然后對餾出液進行銀鏡反應實驗解析：甲酸()與甲醛()都含有醛基()，因此二者均可發(fā)生銀鏡反應，均能與新制的Cu(OH)2共熱反應，產生紅色沉淀。因此A、D兩項操作均不正確。與紫色石蕊試液變色的是甲酸，只能檢測出含有甲酸，不能證明是否含有甲醛，B項錯誤?？上燃尤隢aOH溶液，使甲酸轉化為高沸點的鈉鹽，再進行檢驗。3．乙酸橙花酯是一種食用香料，其結構簡式如下圖所示，關于該有機物的敘述中正確的是(A)①屬于芳香族化合物②不能發(fā)生銀鏡反應③分子式為C12H20O2④它的同分異構體中可能有酚類⑤1mol該有機物水解時只消耗1molNaOHA．②③⑤B．②③④C．①②③D．①④⑤解析：由結構簡式可知其不含苯環(huán)結構、不含醛基，只有酯基，因此不屬于芳香族化合物，不能發(fā)生銀鏡反應，1mol該有機物水解時只能消耗1molNaOH。其分子式為C12H20O2，不飽和度為3，因此它的同分異構體中不可能有酚類。4．分子式為C5H10O2的有機物在酸性條件下可水解為酸和醇，若不考慮立體異構，這些醇和酸重新組合可形成的酯共有(D)A．15種B．28種C．32種D．40種解析：分子式為C5H10O2的酯可能是HCOOC4H9、CH3COOC3H7、C2H5COOC2H5、C3H7COOCH3，其水解得到的醇分別為C4H9OH(有4種)、C3H7OH(有2種)、C2H5OH、CH3OH，水解得到的酸分別是HCOOH、CH3COOH、CH3CH2COOH、C3H7COOH(有2種)。C4H9OH與上述酸形成的酯有4＋4＋4＋4×2＝20種，C3H7OH與上述酸形成的酯有2＋2＋2＋2×2＝10種，C2H5OH和CH3OH與上述酸形成的酯都有1＋1＋1＋1×2＝5種，共有40種。5．中草藥秦皮中含有七葉樹內酯，其結構簡式為，具有抗菌作用。若1mol七葉樹內酯分別與濃溴水和NaOH溶液完全反應，則消耗Br2和NaOH的物質的量分別為(D)A．3mol、2molB．3mol、3molC．2mol、2molD．3mol、4mol解析：從七葉樹內酯的結構簡式可以看出，其分子中右側的環(huán)不是苯環(huán)，1mol七葉樹內酯分子中含有2mol酚羥基，可以和2molNaOH發(fā)生中和反應，1mol酯基水解后產生1mol酚羥基和1mol羧基，消耗2molNaOH；含酚羥基的苯環(huán)上可發(fā)生溴的取代反應，消耗2molBr2，而右側環(huán)上的碳碳雙鍵，可以和溴發(fā)生加成反應，消耗1molBr2。因此1mol七葉樹內酯分別消耗3molBr2、4molNaOH。6．某種酯的結構簡式可表示為CmH2m＋1—COO—CnH2n＋1，其中m＋nA．丙酸乙酯B．乙酸丙酯C．丙酸丙酯D．丁酸乙酯7．A、B、C、D、E均為有機化合物，它們之間的關系如下所示(提示：RCH=CHR′在KMnO4酸性溶液中反應生成RCOOH和R′COOH，其中R和R′為烷基)回答下列問題：(1)直鏈化合物A的相對分子質量小于90，A分子中碳、氫元素的總質量分數為0.814，其余為氧