1、第4节羧酸氨基酸和蛋白质第1课时羧酸必备知识素养奠基一、羧酸的概述1.羧酸的含义分子由烃基(或氢原子)和羧基相连而组成的有机化合物。羧酸的官能团是或COOH。饱和一元脂肪酸的通式为CnO2(n1)或CnH2n+1COOH(n0)。2.羧酸的分类依据类别举例烃基种类脂肪酸乙酸:CH3COOH芳香酸苯甲酸:羧基数目一元羧酸甲酸:HCOOH二元羧酸乙二酸:HOOCCOOH多元羧酸烃基是否饱和饱和羧酸丙酸:CH3CH2COOH不饱和羧酸丙烯酸:CH2CHCOOH3.羧酸的命名系统命名法(1)选取含有羧基的最长碳链作为主链,按主链碳原子数称为“某酸”。(2)从羧基开始给主链碳原子编号。(3)在“某酸”名
2、称之前加上取代基的位次号和名称。如: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,直至与相对分子质量相近的烷烃的溶解度相近。(2)沸点:比相对分子质量相近的醇的沸点高。5.三种常见的羧酸羧酸结构简式俗名性质甲酸HCOOH蚁酸最简单的羧酸,有刺激性气味、无色液体,与水、乙醇等溶剂互溶,有腐蚀性。有羧酸和醛的化学性质苯甲酸安息香酸最简单的芳香酸,白色针状晶体,易升华;微溶于水,易溶于乙醇、乙醚等有机溶剂,有羧酸的性质乙二酸HOOCCOOH草酸最简单的二元羧酸,无色透明晶体,能溶于水或乙醇,有羧
3、酸的性质【巧判断】(1)乙酸分子中有4个氢原子,所以乙酸是4元酸。()提示:。乙酸中只有羧基中的一个氢原子能电离,所以乙酸是一元酸。(2)羧酸常温常压下均为液体。()提示:。常温常压下碳原子数比较多的羧酸为固态。(3)所有的羧酸都易溶于水。()提示:。常温常压下碳原子数比较多的羧酸不易溶于水。二、羧酸的化学性质1.取代反应(1)酯化反应(2)生成酰胺 (3)-H的取代RCH2COOH+Cl2+HCl2.具有酸的通性(强于碳酸)RCOOH+NaHCO3RCOONa+CO2+H2O3.还原反应RCOOHRCH2OH【情境思考】醋是谁发明的,又为什么叫“醋”呢?传说在古代的中兴国,即今山西省运城有个
4、叫杜康的人发明了酒。他儿子黑塔也跟杜康学会了酿酒技术。后来,黑塔率族移居现江苏省镇江的地方。在那里,他们酿酒后觉得酒糟扔掉可惜,就存放起来,在缸里浸泡。到了二十一日的酉时,一开缸,一股从来没有闻过的香气扑鼻而来。在浓郁的香味诱惑下,黑塔尝了一口,酸甜兼备,味道很美,便储藏着作为“调味浆”。这种调味浆叫什么名字呢?黑塔就把二十一日加“酉”字来命名这种酸水叫 “醋”。乙醇是如何变为乙酸的?发生的反应属于什么类型?提示:乙醇被氧气氧化为乙酸,发生了氧化反应。三、羧酸的衍生物1.羧酸衍生物:羧酸分子中羧基上的羟基被其他原子或原子团取代后的产物。羧酸分子中的羧基去掉羟基后剩余的基团称为酰基,常见的羧酸衍
5、生物有酰卤、酸酐、酯、酰胺等。2.酯(1)概念:酰基(RCO)和烃氧基(RO)相连后的产物。(2)官能团的名称:酯基,结构简式:。(3)命名:依据水解生成的酸和醇的名称命名,称为“某酸某酯”,如HCOOC2H5命名为:甲酸乙酯。【微思考】 分子式符合CnO2的物质一定是酯吗?提示:不一定。如羧酸等。(4)物理性质酯类密度一般比水小,难溶于水,易溶于乙醇、乙醚等有机溶剂。低级酯是有香味的液体,易挥发。(5)化学性质水解反应酸性条件:RCOOR+H2ORCOOH+ROH;碱性条件:RCOOR+NaOHRCOONa+ROH;(6)皂化反应:油脂在碱性条件下的水解反应。+3NaOH3RCOONa+3.
6、乙酸乙酯的制备实验实验装置实验步骤在试管中加入3 mL乙醇和2 mL乙酸的混合物,然后边振荡试管边慢慢加入2 mL浓硫酸,加入23块碎瓷片,连接实验装置;用酒精灯小心均匀地加热试管35 min。将产生的气体经导管通到饱和Na2CO3溶液的液面上实验现象饱和Na2CO3溶液的液面上有透明的不溶于水的油状液体产生,并可闻到香味实验结论在浓硫酸存在的条件下加热,乙醇和乙酸发生反应,生成无色、透明、不溶于水、有香味的油状液体乙酸乙酯化学方程式CH3COOH+CH3CH2OHCH3COOCH2CH3+H2O【微思考】(1)乙酸与乙醇的酯化反应的化学方程式为何用可逆号连接?提示:酯化反应是可逆反应,不能进
7、行到底,故用可逆号。(2)乙酸与乙醇的酯化反应实验装置中,导管末端为何不伸入饱和Na2CO3溶液液面以下?提示:防止倒吸而炸裂试管。4.乙酸乙酯水解实验实验操作现象及结论反应方程式现象:几乎无变化结论:中性条件下乙酸乙酯几乎不水解现象:有一点酯的气味结论:酸性条件下乙酸乙酯发生部分水解反应CH3COOC2H5+H2OCH3COOH+CH3CH2OH现象:酯的气味消失结论:碱性条件下乙酸乙酯发生水解且趋于完全CH3COOC2H5+NaOHCH3COONa+CH3CH2OH【巧判断】(1)在酯化反应和酯的水解反应中所用硫酸的浓度相同。()提示:。酯化反应中使用的是浓硫酸,酯的水解中使用的是稀硫酸。
8、(2)NaOH在酯的水解反应中只起催化剂的作用。()提示:。NaOH在酯的水解反应中除了作催化剂之外,还可以与酸反应,使平衡正向移动。(3)酯和油脂含有相同的官能团。()提示:。酯和油脂中均存在相同的官能团酯基。(4)油脂的水解反应叫做皂化反应。()提示:。油脂在碱性条件下的水解反应被称为皂化反应。(5)酯水解原理为RCO18OH+ROH。()提示:。酯的水解与酯化反应的原理相反。5.酰胺(1)概念:分子中由酰基(RCO)和氨基(NH2)相连构成的羧酸衍生物。(2)官能团:酰胺基(CONH)。(3)物理性质:除甲酰胺(HCONH2)是液体外,其他多为无色晶体。低级的酰胺可溶于水,随着相对分子质
9、量的增大,酰胺的溶解度逐渐减小。(4)化学性质水解反应(以乙酰胺为例)强酸性条件下:CH3CONH2+H2OCH3COOH+N强碱性条件下:CH3CONH2+H2OCH3COONa+NH3【微思考】酯的性质和酰胺的性质为什么相似?二者都有什么化学性质?提示:因为二者均为羧酸的衍生物,二者均可以发生水解反应。关键能力素养形成知识点一含羟基物质性质的比较含羟基物质性质的比较含羟基的物质比较项目醇水酚羧酸羟基上氢原子活泼性在水溶液中电离程度极难电离难电离微弱电离部分电离酸碱性中性中性很弱的酸性弱酸性与Na反应反应放出H2与NaOH反应不反应不反应反应反应与NaHCO3反应不反应不反应不反应反应放出C
10、O2能否由酯水解生成能不能能能【易错提醒】羟基与酸性强弱的关系(1)醇、酚、羧酸的结构中均有OH,可分别称之为“醇羟基”“酚羟基”和“羧羟基”。由于这些OH相连的基团不同,OH受相连基团的影响就不同。故羟基上的氢原子活性也就不同,表现在性质上也相差较大,一般来说,羟基上的氢原子活性“羧羟基”“酚羟基”“醇羟基”。(2)羧酸都是弱酸,不同的羧酸酸性不同,但低级羧酸都比碳酸的酸性强。几种简单的羧酸的酸性关系为甲酸苯甲酸乙酸丙酸。乙酸与H2SO3、H2CO3、HF等几种弱酸的酸性关系为H2SO3HFCH3COOHH2CO3。(3)低级羧酸才会使紫色石蕊试液变红,醇、酚、高级脂肪酸不会使紫色石蕊试液变
11、红。 【思考讨论】1.如何通过实验证明乙酸、碳酸、苯酚的酸性强弱? 提示:实验装置如图所示。乙酸与Na2CO3反应,放出CO2气体,说明乙酸的酸性比碳酸强;将产生的CO2气体通入苯酚钠溶液中,生成苯酚,溶液变浑浊,说明碳酸的酸性比苯酚强。反应的化学方程式如下:2CH3COOH+Na2CO32CH3COONa+CO2+H2OCO2+H2O+C6H5ONaC6H5OH+NaHCO32.某有机物的结构简式如图:(1)此有机物与哪种物质反应时,可转化为?提示:NaHCO3。由于酸性COOHH2CO3HC,所以向该有机物中应加入NaHCO3,只与COOH反应。(2) 此有机物与哪种物质反应时,可转化为。
12、提示:NaOH或Na2CO3。加入NaOH或Na2CO3,与酚羟基和COOH反应。(3) 此有机物与哪种物质反应时,可转化为。 提示:Na。加入Na,与三种官能团都反应。【典例】分枝酸可用于生化研究,其结构简式如图。下列关于分枝酸的叙述不正确的是()分枝酸A.分子中含有3种含氧官能团B.可发生取代、加成、消去、加聚等反应C.该物质的分子式为C10H10O6D.1 mol 分枝酸最多可与3 mol NaOH发生中和反应【解题指南】解答本题注意以下两点:(1)注意分析分枝酸中含有的官能团类型;(2)注意掌握分枝酸中各种官能团的性质。【解析】选D。A项,该物质中含氧官能团是羧基、醇羟基、醚键三种,正
13、确;B项,该物质中含有碳碳双键、羧基、醇羟基、醚键,能发生取代反应、加成反应、加聚反应、氧化反应、中和反应、消去反应、酯化反应等,正确;C项,根据结构简式可确定分子式为C10H10O6,正确;D项,因为分子中只有2个羧基,所以1 mol分枝酸最多可与2 mol NaOH发生中和反应,错误。【母题追问】(1)分枝酸中与环相连的羟基是酚羟基吗?为什么?提示:不是。因为分枝酸中的六元环不是苯环。(2)1 mol分枝酸若与1 mol碳酸钠反应会生成多少mol二氧化碳?提示:根据分枝酸中的官能团类别可知,1 mol分枝酸中含有2 mol羧基,会与1 mol碳酸钠反应生成1 mol二氧化碳。【迁移应用】1
14、.(双选)咖啡酸具有止血、镇咳、祛痰等疗效,其结构简式为,下列有关咖啡酸的说法中,不正确的是()A.咖啡酸可以发生还原、取代、加聚等反应B.咖啡酸与FeCl3溶液可以发生显色反应C.1 mol咖啡酸可以与3 mol H2发生加成反应D.1 mol咖啡酸与足量NaHCO3溶液反应,最多能消耗3 mol NaHCO3【解析】选C、D。咖啡酸含有碳碳双键,可发生还原、加聚反应,含有羧基和苯环,可发生取代反应;咖啡酸中含有酚羟基,可与FeCl3溶液发生显色反应;咖啡酸含1个苯环和1个碳碳双键,1 mol咖啡酸最多可与4 mol H2发生加成反应;官能团中能与NaHCO3反应的只有羧基,故1 mol咖啡
15、酸最多可与1 mol NaHCO3发生反应。2.(2020郴州高二检测) 莽草酸可用于合成药物达菲,其结构简式如图,下列关于莽草酸的说法正确的是()A.分子式为C7H6O5B.分子中含有2种官能团C.可发生加成和取代反应D.在水溶液中羧基和羟基均能电离出H+【解析】选C。A项,根据莽草酸的分子结构及C、H、O原子的成键特点可知,其分子式为C7H10O5。B项,分子中含有羧基、羟基和碳碳双键三种官能团。C项,分子中含有碳碳双键,可发生加成反应;含有羟基和羧基,可发生酯化反应(即取代反应)。D项,在水溶液中,羧基可电离出H+,但羟基不能发生电离。【补偿训练】(2020南宁高二检测) 某有机物的结构
16、简式如图,若等物质的量的该有机物分别与Na、NaOH、NaHCO3恰好反应时,则消耗Na、NaOH、NaHCO3的物质的量之比是()A.332B.643C.111D.321【解析】选D。分析该有机物的结构,可以发现分子中含有1个醛基、1个醇羟基、1个酚羟基、1个羧基,醇羟基、酚羟基和羧基均能与钠反应生成氢气,所以1 mol该有机物可以与3 mol Na反应;能与NaOH溶液发生反应的是酚羟基和羧基,所以1 mol该有机物可以与2 mol NaOH反应;只有羧基可以与NaHCO3反应,1 mol 羧基可与1 mol NaHCO3反应;所以等物质的量的该有机物消耗Na、NaOH、NaHCO3的物质
17、的量之比是321。医药阿司匹林常用于消炎、清热和解毒,对于治疗心脑血管疾病也有一定的疗效。已知阿司匹林的结构简式如下图所示。(1)试分析1 mol阿司匹林能和多少摩尔氢氧化钠反应?提示:3 mol。羧基需要1 mol,酯基水解后需要2 mol。(2)1 mol阿司匹林和足量的碳酸钠反应能生成多少摩尔二氧化碳?提示:0 mol。若Na2CO3足量则阿司匹林中只有羧基和碳酸钠反应生成NaHCO3。(3)如何检验阿司匹林酸性水解后含有苯环的有机物是酚类?提示:向水解后的溶液中滴加三氯化铁溶液,如果溶液变紫则证明是酚类。知识点二酯化反应与酯的水解的对比及酯化反应的机理和类型1.酯的水解反应与酸和醇的酯
18、化反应比较酯化反应水解反应反应关系CH3COOH+CH3CH2OHCH3COOCH2CH3+H2O催化剂浓硫酸稀硫酸或NaOH溶液断键机理酸中醇中酯中催化剂的其他作用吸水,提高乙酸和乙醇的转化率氢氧化钠中和酯水解产生的乙酸,提高酯的水解率最佳加热方式加热热水浴加热反应类型酯化反应,取代反应水解反应,取代反应2.酯化反应的原理酯化反应的原理是“酸脱羟基醇脱氢”,机理如下:+HOR+HOH3.酯化反应的类型(1)一元羧酸和一元醇的酯化反应。RCOOH+RCH2OH。(2)一元羧酸与二元醇的酯化反应。(3)二元酸与二元醇的酯化反应。反应生成普通酯:+HOOCCOOCH2CH2OH+H2O。反应生成环
19、酯:+2H2O。反应生成聚酯:n+n+2nH2O。(4)无机含氧酸的酯化反应。+3HONO2+3H2O。(5)高级脂肪酸与甘油的酯化反应。3C17H35COOH+3H2O。【规律总结】酯化反应的特点(1)所有的酯化反应,条件均为浓硫酸、加热。酯化反应为可逆反应,书写方程式时用“”。(2)利用自身酯化或相互酯化生成环酯的结构特点以确定有机物中羟基位置。(3)在形成环酯时,酯基()中只有一个O参与成环。(4)酸与醇发生反应时,产物不一定生成酯。若是羧酸或者无机含氧酸与醇反应,产物是酯;若是无氧酸如氢卤酸与醇反应则生成卤代烃。【思考讨论】(1)乙酸乙酯在酸性条件下和在碱性条件下的水解产物相同吗?提示
20、:不相同。在酸性条件下生成乙酸和乙醇,而在碱性条件下生成乙酸盐和乙醇。(2)用什么方法证明乙酸发生酯化反应时断裂CO 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。乙酸(CH3COOH)乙醇(CH3CH218OH)方式a酸脱羟基,醇脱氢,产物:CH3CO18OC2H5,H2O方式b酸脱H,醇脱OH,产物:CH3COOC2H5、H2 18O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”。(3)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,
21、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。提示: ; (乳酸)(链状酯);(环酯)+nH2O。(聚酯)【典例】乳酸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可发生如下所示的反应:(1)试推断出化合物A、B、C的结构简式。提示:。A与CH3COOH、C2H5OH均发生酯化反应,分别生成C、B,故A中含有COOH和OH。结合A的分子式为C3H6O3,可知A中只含一个COOH和一个OH,则A有两种可能的结构简式:、。再根据两分子A形成的F为六原
22、子环状化合物,知A的结构简式为,其他物质即可依次推出。(2)试写出反应AE、AC的反应类型。提示:消去反应、取代反应。(3)试写出AE、AF反应的化学方程式。提示:CH3CHOHCOOHCH2CHCOOH+H2O2CH3CHOHCOOH【迁移应用】1.某分子式为C10H20O2的酯,在一定条件下可发生如图的转化过程:则符合上述条件的酯的结构有()A.2种B.4种C.6种D.8种【解析】选B。因C在一定条件下可氧化成E,则C为C4H9CH2OH,B为C4H9COOH,而C4H9有四种结构,所以有机物共有同分异构体4种。2.(2020三明高二检测)中国女科学家屠呦呦获诺贝尔医学奖。屠呦呦从中医古籍
23、里得到启发,用乙醚从青蒿中提取出可以高效抑制疟原虫的成分青蒿素(结构简式如图),这一发现在全球范围内挽救了数以百万人的生命。下列说法中不正确的是()A.青蒿素的分子式为C15H22O5B.青蒿素能与NaOH溶液反应C.青蒿素易溶于水、乙醇、苯等溶剂D.用乙醚从青蒿中提取青蒿素,用到了萃取的原理【解析】选C。A项,根据有机物的结构简式可知分子式为C15H22O5,正确;B项,含有酯基,可与氢氧化钠溶液反应,主要发生水解反应,正确;C项,该有机物含有较多疏水基,难溶于水,错误;D项,青蒿素易溶于乙醚,符合萃取的分离操作,正确。【补偿训练】某吸水性高分子化合物(Z)的一种合成路线如下: XYZ下列说
24、法正确的是()A.Y可发生酯化反应而X不能B.过量酸性KMnO4溶液可将X氧化为YC.Y转化为Z的反应类型是加聚反应D.Z与足量H2发生加成反应,消耗Z与H2的分子数之比为13n【解析】选D。X分子中有两个醇羟基, Y分子中有两个醇羟基和一个羧基,均可以发生酯化反应,故A错误;羟基和醛基均能被酸性高锰酸钾溶液氧化,过量酸性KMnO4溶液可将X氧化为,故B错误;加聚反应的过程没有小分子化合物产生,故Y转化为Z的反应类型不是加聚反应,故C错误; Z中含有n个苯环,与足量H2发生加成反应,消耗Z与H2的分子数之比为13n,故D正确。【课堂回眸】课堂检测素养达标1.下列说法中正确的是()A.分子中含有
25、苯环的羧酸叫做芳香酸B.分子中羧基的数目决定了羧酸的元数C.羧酸分子中都含有极性官能团COOH,因此都易溶于水D.乙酸的沸点比乙醇的沸点高,主要是因为乙酸的相对分子质量更大一些【解析】选B。芳香酸是指羧基直接连在苯环上的羧酸,分子中含有苯环的羧酸不一定是芳香酸,A项错;羧酸的元数是根据分子中含有羧基的数目来确定的,B项正确;羧酸分子中虽含有亲水基团羧基,但也含有疏水基团烃基,烃基越大,该羧酸在水中的溶解度就越小,高级脂肪酸都难溶于水的原因就在于此,C项错;乙酸的沸点比乙醇的沸点高的主要原因是乙酸分子间更易形成氢键,D项错。2.(2020枣庄高二检测) 分子式为C4H8O2的有机物与硫酸溶液共热
26、可得有机物A和B。将A氧化最终可得C,且B和C互为同系物。若C可发生银镜反应,则原有机物的结构简式为()A.HCOOCH2CH2CH3B.CH3COOCH2CH3C.CH3CH2COOCH3D.HCOOCH(CH3)2【解析】选C。分子式为C4H8O2的有机物与硫酸溶液共热可得有机物A和B,将A氧化最终可得C,且B和C互为同系物,说明C4H8O2为酯,酯水解生成羧酸和醇,A为醇,B和C为羧酸,C可发生银镜反应,则C为HCOOH,则A应为CH3OH,B为CH3CH2COOH,对应的酯的结构简式为CH3CH2COOCH3,故C正确。3.(2020忻州高二检测)下列有关常见羧酸的说法中正确的是()A
27、.甲酸是一种无色有刺激性气味的气体,易溶于水B.乙酸的沸点低于丙醇,高于乙醇C.苯甲酸的酸性比碳酸弱,不能和碳酸氢钠反应制取CO2D.乙二酸具有还原性,可以使酸性KMnO4溶液褪色【解析】选D。常温下甲酸是液体,A不正确;乙酸的沸点高于丙醇的沸点,B不正确;苯甲酸的酸性比碳酸强,可以和NaHCO3反应制取CO2,C不正确。4.1 mol与足量的NaOH溶液充分反应,消耗的NaOH的物质的量为()A.5 molB.4 molC.3 molD.2 mol【解析】选A。1 mol该酯水解后,产生2 mol羧基和3 mol酚羟基,它们都会与NaOH反应,共需5 mol NaOH。5.(2020东莞高二
28、检测) 生活中常见的荧光棒的发光原理可用下式表示:+H2O22+2CO2上述反应产生的能量传递给荧光染料分子后,使染料分子释放出荧光。下列说法正确的是()A.上述反应是酯的水解反应B.荧光棒发光过程涉及化学能到光能的转化C.二苯基草酸酯苯环上的一氯代物有4种D.二苯基草酸酯与草酸()互为同系物【解析】选B。A项,二苯基草酸酯水解应该生成和草酸,错误;B项,荧光棒发光过程涉及化学能到光能的转化,正确;C项,二苯基草酸酯苯环上的一氯代物共有3种(),错误;D项,二苯基草酸酯与草酸()的结构不相似,不是同系物关系,错误。6.(2020西安高二检测)已知葡萄糖在乳酸菌作用下可转化为乳酸(C3H6O3)
29、。(1)取9 g 乳酸与足量的金属Na反应,可生成2.24 L H2(标准状况),另取等量乳酸与足量的乙醇反应,生成0.1 mol乳酸乙酯和1.8 g水,由此可推断乳酸分子中含有的官能团名称为_。(2)乳酸在Cu作催化剂时可被氧化成丙酮酸(),由以上事实推知乳酸的结构简式为_。(3)两个乳酸分子在一定条件下脱水生成环酯(C6H8O4),则此环酯的结构简式是_。(4)乳酸在浓H2SO4作用下,三分子相互反应,生成链状结构的物质,写出其生成物的结构简式: _。【解析】根据乳酸的分子式,可求出其相对分子质量为90,9 g乳酸为0.1 mol,1.8 g H2O为0.1 mol。0.1 mol乳酸与0.1 mol乙醇反应生成0.1 mol乳酸乙酯,可知1 mol乳酸分子中含有1 mol羧基;又因为0.1 mol乳酸与足量金属钠反应生成0.1 mol H2,所以1 mol乳酸分子中还含有1 mol醇羟基。根据乳酸在Cu催化条件下被氧化成可知,醇羟基的位置在碳链中间。据此可推导出乳酸的结构简式为。答案:(1)羧基、醇羟基(2)(3)(4)