鲁科版 (2019)选择性必修3第2章 官能团与有机化学反应 烃的衍生物第4节 羧酸 氨基酸和蛋白质学案设计
展开一、羧酸概述
1.羧酸的概念与结构
分子由烃基(或氢原子)和羧基相连构成的有机化合物。羧酸的官能团是或—COOH。饱和一元脂肪酸的通式为CnH2nO2(n≥1)或CnH2n+1COOH(n≥0)。
2.羧酸的分类
3.羧酸的命名
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迅速减小。
(2)熔、沸点:比相同碳原子数的醇的沸点高,原因是羧酸分子之间更容易形成氢键。
5.常见的羧酸
判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)乙酸分子中有4个氢原子,所以乙酸是4元酸。 (×)
(2)羧酸常温常压下均为液体。 (×)
(3)所有的羧酸都易溶于水。 (×)
二、羧酸的化学性质
1.预测丙酸的化学性质
丙酸分子的结构式如下,联系前面所学醇、醛、酮等知识,请推测其可能发生的反应类型。
2.羧酸的化学性质
(1)羧基中的羟基发生取代反应(C—O断裂)
①与乙醇的酯化: 。
②与NH3反应(加热条件下生成酰胺,羟基被—NH2取代):
(2)羧基中羟基受羰基的影响,其中的氢原子更容易以离子形式电离出来,所以羧酸有酸性,其酸性通常强于碳酸。
(3)αH(与官能团相邻的C—H)的取代反应(在催化剂存在下与Cl2反应αH被取代):
(4)羧基的还原反应
一般情况下,羧基很难被还原,但强还原剂如氢化铝锂(LiAlH4)可将羧酸还原为相应的醇。转化关系为RCOOHeq \(―――→,\s\up8(LiAlH4))RCH2OH。
判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)乙醇、乙酸均能与Na反应放出H2,二者分子中官能团相同。
(×)
(2)能与碳酸盐、碳酸氢盐反应产生二氧化碳的有机物一定含有羧基。(√)
(3)苯酚、乙酸与Na2CO3反应都能生成CO2气体。(×)
苹果酸是一种常见的有机酸,其结构简式为。
(1)苹果酸分子所含官能团的名称是_______、_______________。
(2)苹果酸可能发生的反应有________(填序号)。
①酯化反应 ②加聚反应 ③氧化反应 ④消去反应 ⑤取代反应
[答案] (1)羟基 羧基 (2)①③④⑤
小华同学由于平时学习紧张,没有时间锻炼,周末时在家长的督促下与同学一起去运动场好好运动了一番,谁知第二天就腰酸背痛。他从网上查阅资料得知这是不经常运动的人剧烈运动后的正常反应。原来运动时由于机体新陈代谢加快,体内氧气缺乏,会进行无氧代谢产生大量乳酸。如果运动过于剧烈或持久,体内的乳酸来不及被处理,会造成乳酸堆积,出现肌肉酸痛等症状。
[问题1] 1 ml乳酸()消耗NaOH的物质的量是多少?
提示:醇羟基不能与氢氧化钠反应,羧基能和氢氧化钠反应,所以1 ml乳酸消耗NaOH的物质的量是1 ml。
提示:NaHCO3,NaHCO3与酚羟基不反应,与羧基反应。
[问题3] 醇、酚、羧酸中羟基氢原子的活泼性顺序是怎样的?
提示:在题述三类物质中,羟基氢原子的活泼性由强到弱的顺序是羧基>酚羟基>醇羟基。
1.一定质量的某有机物和足量Na反应可得到气体VAL,同质量的该有机物与足量碳酸氢钠反应,可得到相同条件下气体VBL,若VA<VB,则该有机物可能是( )
C [有机物可与足量钠反应,说明该有机物中可能含有—OH或—COOH;可与足量碳酸氢钠反应,说明该有机物中含有—COOH。再根椐数量关系2—OH~H2、2—COOH~H2、—COOH~CO2进行判断。A项,—OH与—COOH的数目相等,生成气体体积相等,错误;B项,—OH与—COOH的数目比为2∶1,生成气体VA>VB,错误;C项,含2个—COOH,生成气体VA<VB,正确;D项,含1个酚羟基和1个羧基,酚羟基与碳酸氢钠不反应,所以该物质与足量钠和碳酸氢钠反应放出的气体体积相等,错误。]
2.已知某有机物的结构简式为。请回答下列问题:
(1)当和________________反应时,可转化为。
(2)当和________________反应时,可转化为。
(3)当和________________反应时,可转化为。
[解析] 首先判断出该有机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 \\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
[问题1] 用什么方法证明乙酸发生酯化反应时断裂C—O键?
提示:使用同位素示踪法探究乙酸酯化反应中可能的脱水方式。
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”。
[问题2] 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。
1.反应机理
羧酸与醇发生酯化反应时,一般是羧酸分子中的羟基与醇分子中羟基上的氢原子结合生成水,其余部分结合生成酯,用示踪原子法可以证明。
2.基本类型
(1)一元醇与一元羧酸之间的酯化反应。
CH3COOH+C2H5OHCH3COOC2H5+H2O
(2)二元羧酸与一元醇之间的酯化反应。
HOOC—COOH+2C2H5OH
C2H5OOC—COOC2H5+2H2O
(3)一元羧酸与二元醇之间的酯化反应。
2CH3COOH+HOCH2CH2OHCH3COOCH2CH2OOCCH3+2H2O
(4)二元羧酸与二元醇之间的酯化反应。此时反应有两种情况:
HOOC—COOH+HOCH2—CH2OH
(5)羟基酸的自身酯化反应。
此时反应有两种情况[以乳酸()为例]:
1.C2Heq \\al(18,5)OH和CH3COOH发生反应CH3COOH+C2H5OH
CH3COOC2H5+H2O,则达到平衡后含有18O的物质有( )
A.1种 B.2种 C.3种 D.4种
B [根据酯化反应中酸脱羟基醇脱氢的原则,乙酸乙酯和乙醇中均含有18O,水中不含有18O;根据酯基的水解原则,乙酸中也不含18O,故只有2种物质含有18O。]
2.化合物A最早发现于酸牛奶中,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的钙盐是人们喜爱的补钙剂之一。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可发生如图所示的反应。
请回答下列问题:
(1)化合物A、B、D的结构简式:
A___________________________________________________、
B__________________________________________________、
D__________________________________________________。
(2)化学方程式:
A―→E_____________________________________________,
A―→F______________________________________________。
(3)反应类型:A―→E________,A―→F________________。
[解析] A在浓硫酸存在下既能和乙醇反应,又能和乙酸反应,说明A中既有羧基又有羟基,A催化氧化的产物不能产生银镜反应,说明羟基不在碳链的端点,根据A的分子式,可推知A的结构简式为,根据反应条件可知B为、D为、E为CH2===CHCOOH、F为。
1.下列说法正确的是( )
A.只有链烃基与羧基直接相连的化合物才叫羧酸
B.饱和一元脂肪酸组成符合CnH2n-2O2
C.羧酸是一类酸,它们在常温下都呈液态
D.羧酸在水中的溶解度随碳原子数增加而减小
D [苯环直接与—COOH相连的化合物也是羧酸,不是只有链烃基与羧基直接相连的化合物才叫羧酸,A错误;饱和一元脂肪酸的通式应为CnH2nO2(n≥1),B错误;羧酸是一类酸,常温下,有的呈液态,有的呈固态,C错误;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,D正确。]
2.下列关于乙酸的说法正确的是( )
A.酸性比碳酸弱
B.可以使紫色石蕊试液变红
C.难溶于水
D.能被氧化为乙醛
B [乙酸为弱酸,但酸性比碳酸强,A错误;乙酸可以使紫色石蕊试液变红,B正确;乙酸是易溶于水的液体,C错误;乙酸不能被氧化生成乙醛,D错误。]
3.某有机物的结构简式为。
Na、NaOH、NaHCO3分别与等物质的量的该物质恰好反应时,消耗Na、NaOH、NaHCO3的物质的量之比为( )
A.3∶3∶2 B.3∶2∶1
C.1∶1∶1 D.3∶2∶2
B [羧基、醇羟基、酚羟基均与Na反应;羧基和酚羟基与NaOH反应;羧基与NaHCO3反应。]
4.涤纶广泛应用于衣料和装饰材料。合成涤纶的反应如下:
下列说法正确的是( )
A.合成涤纶的反应为加聚反应
B.对苯二甲酸和苯甲酸互为同系物
C.1 ml涤纶与NaOH溶液反应,理论上最多可消耗2n ml NaOH
D.涤纶的结构简式为
C [合成涤纶的反应为缩聚反应,A项错误;结构相似、分子组成相差若干个CH2原子团的有机化合物互为同系物,但对苯二甲酸()和苯甲酸()的分子组成相差一个CO2原子团,不可能互为同系物,B项错误;1 ml涤纶水解会产生2n ml羧基,则与NaOH溶液反应,理论上最多可消耗2n ml NaOH,C项正确;根据酸脱羟基醇脱氢,题给结构简式中的端基原子和端基原子团错误,涤纶的结构,D项错误。]
5.由乙烯和其他无机原料合成环状化合物E,其合成过程如下(水及其他无机产物均已省略):
回答下列问题:
(1)写出C的结构简式:_____________________________。
(2)物质X与A互为同分异构体,则X的结构简式为__________。
(3)写出上图变化过程中①的反应类型:__________________。
(4)D物质中官能团的名称为_____________________________。
(5)写出B和D生成E的化学方程式(注明反应条件):
_______________________________________________________
_______________________________________________________
____________________________________________________。
[解析] 由框图关系结合所给信息可推出:A是BrCH2CH2Br,B是HOCH2CH2OH,C是OHCCHO,D是HOOCCOOH。
学 习 任 务
1.通过认知羧酸的分类、结构特点及主要化学性质,培养宏观辨识与微观探析的化学核心素养。
2.通过比较羧基、羰基与羟基的性质差异,体会基团间的相互影响,培养科学探究与创新意识的化学核心素养。
甲酸
苯甲酸
乙二酸
俗名
蚁酸
安息香酸
草酸
结构简式
HCOOH
色、态、味
无色液体、刺激性气味
白色针状晶体、易升华
无色透明晶体
溶解性
易溶于水、有机溶剂
微溶于水、易溶于有机溶剂
能溶于水或乙醇
用途
工业还原剂、医疗消毒剂
食品防腐剂
化工原料
比较羧酸、水、醇、酚中羟基氢原子的活泼性
羧酸
水
醇
酚
遇石蕊溶液
变红
不变红
不变红
不变红
与Na
反应
反应
反应
反应
与NaOH
反应
不反应
不反应
反应
与Na2CO3
反应
水解
不反应
反应
与NaHCO3
反应
水解
不反应
不反应
羟基氢原子的活泼性强弱
羧酸>酚>水>醇
探究酯化反应的原理及类型
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
酸脱氢,醇脱羟基,产物:CH3COOC2H5、Heq \\al(18,2)O
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