Nội dung

208 Giáo khoa hóa hữu cơ Biên soạn: Võ Hồng Thái XII. AXIT HỮU CƠ (AXIT CACBOXILIC; ACID CARBOXILIC) XII.1. Định nghĩa Axit hữu cơ là một loại hợp chất hữu cơ mà trong phân tử có chứa nhóm –COOH (nhóm cacboxyl, C O H ) O XII.2. Công thức tổng quát Axit hữu cơ: R(COO)n R: Gốc hiđrocabon hóa trị n, có thể là H, có thể là không (zero,0) n: nguyên, ≥ 1 (n = 1: Axit hữu cơ đơn chức n ≥ 2: Axit hữu cơ đa chức) CxHy(COOH)n Axit hữu cơ đơn chức: n≥2 x≥0 ≈ CxHy + n ⇒ y + n ≤ 2x + 2 ⇒ y ≤ 2x + 2 – n R-COOH (R: Gốc hiđrocacbon hóa 1, có thể là H) CxHy-COOH x≥0 ≈ CxHy + 1 ⇒ y + 1 ≤ 2x + 2 ⇒ y ≤ 2x + 1 CnH2n + 2 – 2k – 1COOH ⇒ CnH2n – 1 – 2k COOH (n ≥ 0 ; k = 0, 1, 2, 3, 4,….) CnH2n + 2 – m – 1 COOH ⇒ CnH2n + 1 - mCOOH n≥0 m: 0; 2; 4; 6; 8;… CnH2n – mO2 n≥0 m: 0; 2; 4; 6; 8;… Axit hữu cơ đơn chức no mạch hở: CnH2n + 2 – 1COOH ⇒ CnH2n + 1COOH CnH2nO2 R-COOH (n ≥ 0) (n ≥ 1) (R: Gốc hiđrocacbon hóa trị 1, no mạch hở, có thể là H) 209 Giáo khoa hóa hữu cơ Biên soạn: Võ Hồng Thái Bài tập 99 Viết công thức tổng quát có mang nhóm chức của các chất sau đây: a. Axit hữu cơ đơn chức no mạch hở. b. Axit hữu cơ đơn chức. c. Axit hữu cơ đơn chức, chứa một liên kết đôi C=C trong phân tử, mạch hở. d. Axit hữu cơ chứa hai nhóm chức axit, no, mạch hở. e. Axit hữu cơ đơn chức, chứa một nhân thơm trong phân tử, ngoài nhân thơm các gốc hiđrocacbon còn lại chỉ gồm liên kết đơn mạch hở. f. Axit cacboxilic đa chức (ba nhóm chức axit), không no (một liên kết đôi C=C, một liên kết ba C≡C), chứa một vòng trong phân tử. g. Axit hữu cơ đơn chức no mạch hở có chứa 18 nguyên tử C trong phân tử. Bài tập 99’ Viết công thức tổng quát của: a. Chất hữu cơ đồng đẳng axit acrilic. b. Axit hữu cơ đồng đẳng axit fomic. c. Chất hữu cơ đồng đẳng axit benzoic. d. Axit hữu cơ đồng đẳng axit tereptalic. e. Axit hữu cơ đồng đẳng axit oxalic. f. Chất hữu cơ đồng đẳng với axit xiclohexancacboxilic. g. Axit hữu cơ nhị chức, chứa một liên đôi C=C, mạch hở. XII.3. Các đọc tên (chủ yếu là tên của axit hữu cơ đơn chức no mạch hở) Ankan ⎯ ⎯→ Axit ankanoic (Mạch chính là mạch C chứa nhóm –COOH và dài nhất, C của COOH được đánh số 1) Axit cacboxilic (Hầu hết axit hữu cơ có tên thông thường, nên thuộc lòng tên một số chất thường gặp) Thí dụ: H-COOH Axit metanoic (CH2O2) Axit fomic CH3COOH (C2H4O2) Axit etanoic Axit axetic CH3CH2COOH (C2H5COOH; C3H6O2) CH3CH2CH2COOH (C3H7COOH; C4H8O2) CH3-CH-COOH CH3 (C3H7COOH; C4H8O2) Axit propanoic Axit propionic; Axit metylaxetic Axit butanoic Axit n-butiric; Axit etylaxetic Axit 2- metylpropanoic Axit isobutiric; Axit đimetylaxetic 210 Giáo khoa hóa hữu cơ CH3CH2CH2CH2COOH (C4H9COOH; C5H10O2) Axit pentanoic Axit n-valeric CH3-CH-CH2-COOH CH3 (C4H9COOH; C5H10O2) Axit 3-metylbutanoic Axit isovaleric CH3CH2CH2CH2CH2COOH (C5H11COOH; C6H12O2) Axit hexanoic Axit caproic CH3CH2CH2CH2CH2CH2COOH (C6H13COOH; C7H14COOH) Axit heptanoic Axit enantoic CH3(CH2)6COOH (C7H13COOH; C8H16O2) Biên soạn: Võ Hồng Thái Axit octanoic Axit caprilic CH3(CH2)7COOH (C8H17COOH; C9H18O2) Axit nonanoic Axit pelacgonic CH3(CH2)8COOH (C9H19COOH; C10H20O2) Axit đecanoic Axit capric Một số axit béo (axit béo cao, gặp trong chất béo, chủ yếu ở dạng este với glixerin) thường gặp: C13H27COOH Axit miristic; Axit tetrađecanoic C15H31COOH Axit panmitic; Axit hexađecanoic C17H35COOH Axit stearic; Axit octađecanoic C17H33COOH Axit oleic; Axit cis-9-octađecenonic C17H31COOH Axit linoleic; Axit cis, cis - 9, 12 - octađecađienoic C17H29COOH Axit linolenic; Axit cis, cis, cis – 9, 12, 15 - octađecatrienoic Một số axit hữu cơ đơn chức không no: CH2=CH-COOH Axit propenoic; Axit acrilic CH2=C-COOH CH3 Axit 2- metylpropenoic; Axit metacrilic CH3-CH=CH-COOH Axit 2-butenoic; Axit crotonic (dạng trans) 211 Giáo khoa hóa hữu cơ CH2=CH-CH2-COOH Axit 3-butenoic; Axit vinylaxetic CH2=CH-CH2-CH2-COOH Axit 4-pentenoic; Axit alylaxetic CH3-C≡C-COOH Axit 2-butinoic; Axit tetrolic CH≡C-COOH Axit propinoic; Axit propiolic Biên soạn: Võ Hồng Thái Một số axit đa chức: HOOC-COOH Axit etanđioic; Axit oxalic HOOC-CH2-COOH Axit propanđoic; Axit malonic HOOC-CH2-CH2-COOH Axit butanđioic; Axit sucxinic (Acid succinic) HOOC-(CH2)3-COOH Axit pentanđioic; Axit glutaric HOOC-(CH2)4-COOH Axit hexanđioic; Axit ađipic (Acid adipic) HOOC-(CH2)5-COOH Axit heptanđoic; Axit pimelic HOOC-(CH2)6-COOH Axit octanđioic; Axit suberic H H C Axit maleic; Axit cis-butenñioic C HOOC COOH H COOH C C HOOC Axit fumaric Axit trans-butenñioic H Một số axit thơm: C6H5-COOH COOH COOH COOH COOH ( COOH ) Axit benzoic; Axit benzencacboxilic; Axit phenyl metanoic Axit ptalic; Axit o-ptalic; Axit 1,2-benzenđicacboxilic; 1,2-Đicacboxi benzen Axit isoptalic; Axit 1,3 – benzenđicacboxilic; m-Đicacboxibenzen 212 Giáo khoa hóa hữu cơ Biên soạn: Võ Hồng Thái COOH Axit tereptalic; Axit p – benzenđicacboxilic; 1,4 – Đicacboxibenzen COOH COOH H C Axit xinamic Axit trans-3-phenylpropenoic C H Một số axit tạp chức: Axit lactic; Axit 2-hiđroxipropanoic; Axit α-hiđroxipropionic CH3-CH-COOH OH HOOC-CH2-CH2-CH-COOH Axit glutamic; Axit α-aminoglutaric; NH2 Axit 2-aminopentanđioic CH2-CH-CH-CH-CH-COOH OH OH OH OH OH OH HOOC-CH2-C-CH2-COOH COOH Axit gluconic; Axit 2,3,4,5,6-hexahiđroxihexanoic Axit xitric (Acid citric); Axit limonic; Axit 2-hiđroxi-1,2,3-propantricacboxilic Bài tập 100 Viết CTCT của các chất sau đây: Axit acrilic; Axit axetic; Axit benzoic; Axit fomic; Axit ađipic; Axit oxalic; Axit glutamic; Axit metacrilic; Axit lactic; Axit tereptalic; Axit isovaleric; Axit propionic; Axit panmitic; Axit gluconic; Axit malonic. Bài tập 100’ Hãy cho biết CTCT của các chất sau đây: Axit stearic; Axit n-butiric; Axit picric; Axit butanoic; Axit lactic; Axit xitric; Axit oleic; Axit propenoic; Axit phenic; Axit α- aminoaxetic; Axit enantoic; Axit cloaxetic; Axit limonic (axit xitric, acid citric); Axit metacrilic; Axit 1,3,5 – benzentricacboxilic. XII.4. Tính chất hóa học XII.4.1. Phản ứng cháy CxHy(COOH)n Axit hữu cơ + (x + y+n )O2 4 0 t ⎯⎯→ (x+n)CO2 + ( y+n )H2O 2 213 Giáo khoa hóa hữu cơ CxHy-COOH + (x + CnH2n + 1COOH + y +1 )O2 4 Biên soạn: Võ Hồng Thái 0 t ⎯⎯→ (x + 1)CO2 + y +1 )H2O 2 ( Axit hữu cơ đơn chức ( 3n + 1 ) O2 2 0 t ⎯⎯→ (n + 1)CO2 + (n +1)H2O (Cn + 1H2n + 2O2) Axit hữu cơ đơn chức no mạch hở Axit ankanoic Chú ý: Axit hữu cơ đơn chức no mạch hở có CTPT dạng CnH2nO2 (cùng dạng với este đơn chức no mạch hở) nên axit hữu cơ nào mà khi đốt cháy tạo số mol H2O bằng số mol CO2 thì đó là axit hữu cơ đơn chức no mạch hở. Các axit hữu cơ đa chức hay có vòng khi đốt cháy đều tạo số mol H2O < số mol CO2. (Tương tự, este nào khi cháy tạo số mol H2O bằng số mol CO2 thì đó là este đơn chức no mạch hở, các este khác khi cháy đều tạo số mol H2O < số mol CO2) XII.4.2. Axit hữu cơ có đầy đủ các tính chất như một axit vô cơ yếu Nhóm chức axit hữu cơ, −COOH, nhóm cacboxyl, coi như tập hợp gồm hai nhóm: nhóm –OH (nhóm hiđroxyl) và nhóm −CO− (nhóm cacbonyl). Liên kết giữa O và H trong nhóm hiđroxyl tự nó đã bị phân cực. Đôi điện tử góp chung giữa O với H bị kéo về phía O có độ âm điện (3,5) lớn hơn so với H (2,1). Kế bên nhóm hiđroxyl có nhóm cacbonyl (−CO−) rút điện tử nên càng làm tăng thêm sự phân cực của liên kết giữa O với H, càng làm cho đôi điện tử góp chung giữa O với H càng bị kéo về phía O. Điều này làm cho H trong nhóm cacboxyl rất linh động (tức H càng mang nhiều điện tích dương, dễ bị tách ra dưới dạng ion H+). Do đó khi hòa tan axit hữu cơ vào dung môi nước (H2O), với sự hỗ trợ của dung môi nước rất phân cực, sự hiđrat-hóa, thì có sự phân ly một phần tạo ion H+ và ion âm gốc axit hữu cơ trong dung dịch. Tuy nhiên sự phân ly ion này không nhiều, nên axit hữu cơ có đầy đủ các tính chất như một axit vô cơ (phân ly tạo ion H+) và axit hữu cơ là axit yếu (không phân ly hoàn toàn mà chỉ phân ly một phần tạo ion, còn đa số ở dạng phân tử không phân ly). 2, 5 C O O << H 3, 5 2, 1 3, 5 Cụ thể axit hữu cơ có vị chua, dung dịch axit hữu cơ dẫn điện được, axit hữu cơ làm đổi màu quì xanh hóa đỏ, pH dung dịch axit < 7. Nguyên nhân của các tính chất này là do axit hữu cơ có phân ly ion tạo H+ trong dung dịch. Thí dụ: H-COOH Axit fomic dd H-COO− Ion fomiat + H+ Ion hiđro 214 Giáo khoa hóa hữu cơ CH3-COOH CH3-COO− dd Axit axetic • Biên soạn: Võ Hồng Thái + Ion axetat H+ Ion hiđro Axit hữu cơ tác dụng với bazơ tạo muối và nước + OH− Axit hữu cơ Axit cacboxilic Bazơ RCOOH RCOO− ⎯ ⎯→ + H2O Muối của axit hữu cơ Muối cacboxilat Nước Thí dụ: CH3COOH + NaOH Axit axetic 2HCOOH CH3COONa + H2O Xút Natri axetat Ba(HCOO)2 + Ba(OH)2 Axit fomic Bari hiđroxit Bari fomiat CH2=CH-COOH + KOH Axit acrilic • Nước + 2H2O Nước CH2=CH-COOK + H2O Kali hiđroxit Kali acrilat Axit hữu cơ tác dụng oxit bazơ tạo muối và nước 2nR-COOH + Axit hữu cơ M2On 2M(R-COO)n Oxit bazơ + Muối axit hữu cơ của KL M nH2O Thí dụ: 2CH3COOH + Axit axetic Na2O Natri oxit HOOC-COOH + CaO Axit oxalic 2C6H5-COOH Axit benzoic • Canxi oxit + K2O Kali oxit 2CH3COONa + Natri axetat CaC2O4 Canxi oxalat H2O + H2O 2C6H5-COOK Nước + Kali benzoat H2O Axit hữu cơ tác dụng kim loại (đứng trước H trong DĐT kim loại) tạo muối và khí hiđro K Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Ni Sn Pb H Cu Ag Hg Pt Au nR-COOH Axit hữu cơ + ⎯ ⎯→ M Kim loại (đứng trước H) M(R-COO)n + Muối axit hữu cơ của KL M (hóa trị n) Thí dụ: 2CH3COOH + Fe Axit axetic Sắt ⎯ ⎯→ Fe(CH3COO)2 Sắt (II) axetat + H2 Hiđro n H2 2 215 Giáo khoa hóa hữu cơ 3H-COOH + Al Axit fomic Biên soạn: Võ Hồng Thái Al(H-COO)3 Nhôm + Nhôm fomiat 3 H2 2 Hiđro CH3-COOH + Cu CH2=C-COOH + Na CH3 Axit metacrilic CH2=C-COONa + 1/2H2 CH3 Natri Natri metacrilat HOOC-CH2-COOH + 2K Axit malonic KOOC-CH2-COOK + H2 Kali CH3CH2COOH Hiđro Kali malonat Hiđro + Hg Axit propionic Thủy ngân Chú ý: Trong các loại hợp chất hữu cơ, chỉ có axit hữu cơ mới tác dụng được các kim loại (khác kim loại kiềm, và đứng trước H trong dãy thế điện hóa, như Mg, Al, Zn, Fe,…) để tạo khí hiđro thoát ra (và muối). (Rượu, phenol chỉ tác dụng được kim loại kiềm). • Axit hữu cơ tác dụng được muối của axit yếu hơn tạo axit mới, muối mới Axit hữu cơ tuy là một axit yếu, nhưng nó còn mạnh hơn các axit rất yếu khác như axit cacbonic (H2CO3), phenol (C6H5-OH),… Nên axit hữu cơ đẩy được khí cacbonic (CO2) ra khỏi muối cacbonat, đẩy được phenol ra khỏi muối phenolat,… 2R-COOH + Axit hữu cơ 2R-COO− CO32− Muối cacbonat R-COOH + C6H5-O− Axit hữu cơ R-COO− Muối phenolat + Muối cacboxilat + Muối cacboxilat CO2 Khí cacbonic + H2O Nước C6H5-OH Phenol Thí dụ: 2CH3COOH + CaCO3 Axit axetic Axit etanoic Canxi cacbonat Đá vôi H-COOH + C6H5ONa Axit fomic CH3COOH Axit axetic Natri phenolat + NaHCO3 Natri cacbonat axit Natri bicacbonat OH HOOCCH2C-CH2-COOH + 3NaHCO3 COOH Axit xitric; Axit limonic Natri bicacbonat Ca(CH3COO)2 Canxi axetat H-COONa + Natri fomiat CH3COONa + + CO2 + Khí cacbonic H2O Nước C6H5OH Phenol CO2 + H2O OH NaOOCCH2C-CH2COONa +3CO2 +3H2O COONa Natri xitrat (Citrat natrium) 216 Giáo khoa hóa hữu cơ Biên soạn: Võ Hồng Thái Lưu ý - L.1. Chất hữu cơ nào tác dụng được với muối cacbonat tạo khí CO2 thoát ra thì phân tử chất hữu cơ phải có chứa nhóm chức axit hữu cơ (−COOH). - L.2. Người ta thường căn cứ vào tính chất axit hữu cơ tạo bọt khí CO2 khi cho tác dụng với muối cacbonat để nhận biết axit hữu cơ, cũng như tách lấy riêng axit hữu cơ ra khỏi hỗn hợp các chất hữu cơ: Chất hữu cơ nào tạo bọt khí khi nhỏ vào cục đá vôi (CaCO3) (hay các muối cacbonat khác) thì đó là axit hữu cơ; Cho hỗn hợp các chất hữu cơ trong đó có chứa axit hữu cơ tác dụng với bột CaCO3 có dư, thì chỉ có axit hữu cơ phản ứng tạo muối canxi cacboxilat. Đun nóng để đuổi các chất hữu cơ bay đi, chỉ còn lại muối canxi cacboxilat và CaCO3 còn dư. Sau đó cho dung dịch H2SO4 vừa đủ vào các muối này (cho từ từ cho đến hết thoát ra bọt khí CO2), thu được CaSO4 kết tủa và dung dịch axit hữu cơ. Sau đó có thể chưng cất phân đoạn để thu được axit hữu cơ tinh khiết. 2R-COOH + Axit cacboxilic Ca(R-COO)2 Canxi cacboxilat CaCO3 Canxi cacbonat (Đá vôi) + H2SO4 Axit sunfuric Ca(R-COO)2 Canxi cacboxilat + CO2 + H2O Khí cacbonic 2R-COOH + CaSO4 Axit hữu cơ Canxi sunfat Thí dụ: 2CH3COOH + CaCO3 Axit axetic Ca(CH3COO)2 Canxi axetat Canxi cacbonat + H2SO4 Axit axetic Ca(CH3COO)2 Canxi axetat + CO2 2CH3COOH + Axit axetic + H2O Khí cacbonic CaSO4 Canxi sunfat - L.3. Cũng có thể căn cứ tính chất axit hữu cơ làm đổi màu quì xanh (quì tím) hóa đỏ hay axit hữu cơ hòa tan được các kim loại không phải là kim loại kiềm, như Mg, Al, Zn,… tạo khí hiđro thoát ra để nhận biết axit hữu cơ cũng được. Bài tập 101 Cho bốn chất hữu cơ gồm: Rượu etylic, Phenol, Benzen và Axit axetic. a. Viết phương trình phản ứng (nếu có) của mỗi chất trên lần lượt với các chất: Na; NaOH; Na2CO3. b. Từ kết quả các phản ứng trên hãy sắp theo thư tự tăng dần sự linh động của H trong các phân tử chất hữu cơ trên. Bài tập 101’ Cho các chất hữu cơ sau đây: Glixerin, Rượu metylic, Axit fomic và Toluen. Cho mỗi chất trên tác dụng lần lượt với: K, Cu(OH)2, Mg. a. Viết các phản ứng xảy ra (nếu có). b. So sánh độ mạnh tính axit của bốn chất hữu cơ cho trên. Giáo khoa hóa hữu cơ 217 Biên soạn: Võ Hồng Thái Bài tập 102 A là một chất hữu cơ chứa một loại nhóm chức mạch thẳng có công thức nguyên (công thức thực nghiệm) là (C3H5O2)n. Xác định CTCT của A và đọc tên chất này, biết rằng chất này không làm mất màu nước brom và tác dụng được muối cacbonat làm sủi bọt khí. ĐS: Axit ađipic Bài tập 102’ A là một chất hữu cơ chứa một loại nhóm chức có công thức dạng (CHO)n. Xác định các CTCT có thể có của A, biết rằng a mol A tác dụng hết với Mg có dư thì thu được a mol H2. ĐS: 3CTCT axit hữu cơ nhị chức Bài tập 103 Nhận biết các chất hữu cơ sau đây đựng trong các bình không nhãn: Axit axetic; Acrolein; Axetanđehit; Axit fomic; Axit acrilic và n-Propylaxetilen. Bài tập 103’ Nhận biết các chất lỏng sau đây chứa trong các lọ mất nhãn: Etylenglicol; Axit metacrilic; Benzanđehit; Rượu etylic; Axit propionic và phenol. Viết các phản ứng xảy ra. Bài tập 104 Đốt cháy hoàn toàn 7,2 gam chất hữu cơ A cần dùng vừa đủ 33,6 lít không khí (đktc). Sản phẩm cháy gồm hơi nước và 6,16 lít CO2 (27,30C; 1,2 atm). a. Xác định CTPT của A. Biết rằng khối lượng phân tử của A nhỏ hơn khối lượng phân tử của benzen. b. Xác định CTCT của A, đọc tên A. Biết rằng A tác dụng được với muối cacbonat tạo khí CO2. c. Viết phương trình phản ứng của A với: - H2 (Ni xúc tác, t0) - Mg - Vôi sống - Cu(OH)2 - Xôđa - Nước brom - Viết phản ứng trùng hợp A Không khí gồm 20% O2; 80% N2 theo thể tích (C = 12 ; H = 1 ; O = 16) ĐS: Axit acrilic Bài tập 104’ Đốt cháy hoàn toàn 4,3 gam chất hữu cơ X cần dùng 19,8 lít không khí (27,30C; 1,4 atm). Sản phẩm cháy chỉ gồm H2O và 8,8 gam CO2.