Bài 19: Carboxylic acid
Nội dung lý thuyết
1. Khái niệm – cấu trúc – danh pháp
1.1. Khái niệm cấu trúc của Carboxylic Acid
Carboxylic acid là các hợp chất hữu cơ trong phân tử có nhóm carboxyl (−COOH) liên kết với nguyên tử carbon (trong gốc hydrocarbon hoặc –COOH) hoặc nguyên tử hydrogen.
- Nhóm chức carboxyl (-COOH) gồm nhóm hydroxy (–OH) liên kết với nhóm carbonyl (>C=O).
Carboxylic acid trong phân tử có 1 nhóm -COOH gọi là monocarboxylic acid hay còn gọi là acid hữu cơ đơn chức.
Ví dụ:
Carboxylic acid chứa từ 2 nhóm chức COOH trở lên gọi là acid hữu cơ đa chức.
Ví dụ:
Dãy đồng đẳng carboxylic acid đơn chức, no, mạch hở có công thức chung CnH2n+1COOH (n≥0).
- Carboxylic acid có nhiều trong tự nhiên như trong thành phần của các loại trái cây, chúng gây ra vị chua và một số mùi quen thuộc.
1.2. Đặc điểm cấu tạo, hình dạng phân tử và tính chất của acetics acid
- Nhóm carboxyl gồm có nhóm hydroxyl (–OH) liên kết với nhóm carbonyl (>C=O).
- Acetic acid nguyên chất là chất lỏng, mùi xốc, dễ gây bỏng da.
- Acetic acid nguyên chất đông đặc ở 16oC tạo thành tinh thể giống nước đá được gọi là “Acetic acid băng".
1.3. Viết công thức cấu tạo và gọi tên một số carboxylic acid
Tên theo danh pháp thay thế của carboxylic acid đơn chức, mạch hở:
Số chỉ vị trí nhánh - tên nhánh + tên hydrocarbon (bỏ e) + "oic aicd"
- Mạch chính là mạch carbon dài nhất chứa nhóm -COOH.
- Đánh số nguyên tử carbon của nhóm -COOH là 1.
Ví dụ:
2. Tính chất vật lý
Do cấu tạo của nhóm carboxyl nên carboxylic acid có khả năng tạo thành liên kết hydrogen bền vững hơn liên kết hydrogen giữa các phân tử alcohol, do đó ảnh hưởng lớn đến tính chất vật lí của chúng.
- Nhiệt độ sôi của carboxylic acid cao hơn nhiệt độ sôi của alcohol, aldehyde, ketone tương ứng vì có liên kết hydrogen giữa 2 phân tử hoặc giữa nhiều phân tử.
- Nhờ khả năng tạo liên kết hydrogen với nước, các carboxylic acid đầu dãy tan vô hạn trong nước, độ tan giảm dần theo độ tăng chiều dài mạch carbon.
3. Tính chất hóa học
- Nhóm >C=O hút electron nên liên kết O-H trong carboxylic acid phân cực hơn so với alcohol, phenol.
- Trong dung dịch nước, carboxylic acid phân li theo cân bằng:
RCOOH RCOO- + H+
3.1. Tính acid
Carboxylic acid thể hiện tính acid yếu.
- Làm đổi màu giấy quỳ tím.
- Phản ứng với một số kim loại, oxide base, base, muối…
Ví dụ:
2(CH3)2CHCOOH + Ca → [(CH3)2CHCOO]2Ca + H2↑
HOOC–COOH + 2NaOH → NaOOC–COONa + 2H2O
2HCOOH + Na2CO3 → 2HCOONa + CO2↑ + H2O
2C2H5COOH + CuO → (C2H5COO)2Cu + H2O.
3.2. Phản ứng ester hóa: phản ứng với alcohol tạo ester
Carboxylic acid tác dụng với alcohol tạo sản phẩm là ester và nước. Phản ứng ester hoá là phản ứng thuận nghịch, xảy ra chậm ở điều kiện thường.
Ví dụ:
CH3COOH + C2H5OH \(\overset{H_2SO_4đ,t^o}{⇌}\) CH3COOC2H5 + H2O.
4. Ứng dụng của một số carboxylic acid thông dụng
- Carboxylic acid có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như: thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm, y tế, phẩm nhuộm, tổng hợp hữu cơ,…
- Formic acid được dùng làm chất cầm màu trong công nghiệp nhuộm, da, cao su, mạ điện, sáp và dung môi.
- Acetic acid được dùng để sản xuất các hợp chất vinyl acetate, acetic anhydride và acetate ester.
- Benzoic acid được dùng trong tổng hợp phẩm nhuộm, trong y học và công nghiệp dược phẩm.
- Acrylic acid và methacrylic acid dùng để tổng hợp polymer.
5. Điều chế
5.1. Phương pháp lên men giấm
- Sử dụng men giấm để oxi hóa ethanol bằng oxygen không khí thành acetic acid.
CH3CH2OH + O2 \(\underrightarrow{mengiấm,20-30^{oC}}\) CH3COOH + H2O
5.2. Phương pháp oxi hóa alkane
- Oxi hóa không hoàn toàn các alkane tạo thành các carboxylic acid.
2R-CH2-CH2-R' + 5O2 \(\underrightarrow{xt,t^o}\) 2RCOOH + 2R'COOH + 2H2O
Ví dụ: Acetic acid được sản xuất từ butane (C4H10) có xúc tác ở nhiệt độ cao.
2C4H10 + 5O2 \(\underrightarrow{xt,180^oC,50bar}\) 4CH3COOH + 2H2O