Axit cacboxylic

I. Định nghĩa, phân loại carboxylic acid

1. Định nghĩa

- Carboxylic acid là hợp chất hữu cơ mà phân tử có nhóm –COOH liên kết với gốc hydrocarbon, với H hoặc với nhau.

- Công thức tổng quát của acid:

+ C_xH_yO_z (x, y, z là các số nguyên dương; y chẵn; z chẵn; 2 ≤ y ≤ 2x + 2 – 2z): thường dùng khi viết phản ứng cháy.

+ C_xH_y(COOH)_z hay R(COOH)_z: thường dùng khi viết phản ứng xảy ra ở nhóm COOH.

+ C_nH_2n+2-2k-z(COOH)_z (k = số liên kết pi + số vòng): thường dùng khi viết phản ứng cộng H₂, cộng Br₂,…

2. Phân loại

- Dựa vào cấu tạo gốc hydrocarbon: acid no, không no, thơm.

- Dựa vào số nhóm –COOH: acid đơn chức, đa chức.

a. Acid no, đơn chức, mạch hở

C_nH_2n+1COOH (n ≥ 0) hoặc C_mH_2mO₂ (m ≥ 1)

b. Acid không no chứa 1 liên kết đôi C=C, đơn chức, mạch hở

C_nH_2n-1COOH (n ≥ 2) hoặc C_mH_2m-2O₂ (m ≥ 3)

c. Acid no, 2 chức, mạch hở

C_nH_2n(COOH)₂ (n ≥ 0) hoặc C_mH_2m-2O₄ (m ≥ 1)

II. Danh pháp của carboxylic acid

1. Tên thay thế

Tên hydrocarbon tương ứng theo mạch chính (mạch chính bắt đầu từ nguyên tử C của nhóm –COOH) + oic + acid

2. Tên thường của một số acid thường gặp

Có nguồn gốc tìm ra chúng, tùy thuộc vào từng acid.

Ví dụ:

Tên gọi một số acid no, đơn chức, mạch hở

III. Tính chất vật lý của carboxylic acid

1. Nhiệt độ sôi

- Ở điều kiện thường, các carboxylic acid đều là những chất lỏng hoặc rắn.

- Acid có nhiệt độ sôi cao hơn alcohol có khối lượng phân tử tương đương vì phân tử acid tạo được 2 liên kết hydrogen và liên kết hydrogen giữa các phân tử acid bền hơn liên kết hydrogen giữa các phân tử alcohol.

2. Tính tan

- Từ C₁ đến C₃ tan vô hạn trong nước do có khả năng tạo liên kết H liên phân tử với nước.

- C₄ đến C₅ ít tan trong nước; từ C₆ trở lên không tan do gốc R cồng kềnh và có tính kị nước.

IV. Phương pháp giải bài tập tính axit của axit cacboxylic

V. Phương pháp giải bài tập phản ứng este hóa

I. PHẢN ỨNG ESTE HÓA

a) Phản ứng của axit axetic với etanol xúc tác axit H₂SO₄ đặc là phản ứng thuận nghịch

- Phương pháp thường dùng để điều chế este của ancol là tiến hành phản ứng este hóa, đun hồi lưu ancol và axit hữu cơ, có H₂SO₄ đặc làm xúc tác.

CH₃COOH + C₂H₅OH $\overset{{{H}_{2}}S{{O}_{4}}\,,{{t}^{o}}}{\leftrightarrows}$ CH₃COOC₂H₅ + H₂O

b) Este sinh ra bởi axit, ancol bất kì:

R(COOH)_n + R^’(OH)_m $\overset{{{H}_{2}}S{{O}_{4}}\,\,,{{t}^{o}}}{\leftrightarrows}$ R_m(COO)_n.mR^’_n + n.m H₂O

Ví dụ: 3CH₂(COOH)₂ + 2C₃H₅(OH)₃ $\overset{{{H}_{2}}S{{O}_{4}}\,\,,{{t}^{o}}}{\leftrightarrows}$ (CH₂)₃(COO)₆(C₃H₅)₂ + 6H₂O

- Phản ứng este hóa là phản ứng thuận nghịch. Chiều thuận là phản ứng este hóa, chiều nghịch là phản ứng thủy phân este.

* Riêng đối với este của phenol:

- Các este chứa gốc phenyl không điều chế được bằng phản ứng của axit cacboxylic với phenol mà phải dùng anhiđrit axit hoặc clorua axit tác dụng với phenol.

(CH₃CO)₂O + C₆H₅OH → CH₃COOC₆H₅ + CH₃COOH

2. TÍNH HẰNG SỐ CÂN BẰNG:

                     RCOOH      +      R^’OH  $\overset{{{H}_{2}}S{{O}_{4}}\,\,,{{t}^{o}}}{\leftrightarrows}$ RCOOR^’   +   H₂O

        Bđ            a mol               b mol

        Pư            x mol               x mol                x mol            x mol

      Sau pư     (a-x) mol           (b-x) mol

K_C = $\frac{[RCOO{{R}^{'}}][{{H}_{2}}O]}{[RCOOH][{{R}^{'}}OH]}=\frac{\frac{x}{V}\times \frac{x}{V}}{\frac{a-x}{V}\times \frac{b-x}{V}}=\frac{{{x}^{2}}}{\left( a-x \right)\left( b-x \right)}$  

3. TÍNH HIỆU SUẤT CỦA PHẢN ỨNG ESTE HÓA:

* Nếu a $\ge $ b   =>  H = ^x∕_b . 100   =>   x = $\frac{H\times b}{100}$  ;  b = $\frac{x\times 100}{H}$

* Nếu a < b  =>   H = ^x∕_a . 100   =>   x = $\frac{H\times a}{100}$        a = $\frac{x\times 100}{H}$

VI. Phương pháp giải bài tập đốt cháy axit cacboxylic

- Phương trình phản ứng tổng quát:

C_xH_yO_z + $(x+\frac{y}{4}\text{-}\frac{z}{2})$ O₂ $\xrightarrow{{{t}^{o}}}$ xCO₂ + $\frac{y}{2}$ H₂O

- Dựa vào đặc điểm của phản ứng đốt cháy có thể kết luận được loại axit tham gia phản ứng.        

Thường gặp nhất là các trường hợp sau:

+ Nếu đốt cháy axit thu được n_CO2 = n_H2O thì axit thuộc loại no, đơn chức, mạch hở:

     C_nH_2n+1COOH → (n + 1)CO₂ + (n + 1)H₂O

     hoặc C_mH_2mO₂ → nCO₂ + nH₂O

+ Nếu đốt cháy axit thu được ${{n}_{C{{O}_{2}}}}~-\text{ }{{n}_{{{H}_{2}}O}}~={{n}_{axit}}~$thì axit thuộc loại no, 2 chức, mạch hở hoặc không no, 1 liên kết đôi C = C, mạch hở, đơn chức:

     C_nH_2n-2O₄ → nCO₂ + (n - 1)H₂O.

     C_nH_2n-2O₂ → nCO₂ + (n - 1)H₂O.

- Khi giải bài toán về phản ứng đốt cháy axit cacboxylic cần phải căn cứ vào các đặc điểm kể trên, kết hợp với các định luật bảo toàn nguyên tố, bảo toàn khối lượng, các công thức tính số nguyên tử C, H... như trong bài toán đốt cháy các chất hữu cơ khác.

VII. Điều chế carboxylic acid

1. Phương pháp điều chế chung

- Oxi hóa không hoàn toàn hydrocarbon, alcohol, aldehyde:

C₆H₅-CH₃ \(\xrightarrow[{{H_2}O,{t^o}}]{{KMn{O_4}}}\) C₆H₅COOK \(\xrightarrow{{{H_3}{O^ + }}}\) C₆H₅-COOH

+ Oxi hóa aldehyde:

R(CHO)_x + \(\frac{x}{2}\) O₂ → R(COOH)_x

- Đi từ dẫn xuất halogen:

R-X \(\xrightarrow{{KCN}}\) R-C≡N \(\xrightarrow{{{H_3}{O^ + },{t^o}}}\) R-COOH

RCCl₃ + 3NaOH → RCOOH + 3NaCl + H₂O

- Thủy phân este trong môi trường acid

CH₃COOC₂H₅ + H₂O \(\overset {} \leftrightarrows \) CH₃COOH + C₂H₅OH

Tổng quát:

R_y(COO)_xyR^’_y + xyH₂O \(\overset {} \leftrightarrows \) yR(COOH)_x + xR^’(OH)_y

2. Điều chế CH₃COOH

- Lên men giấm là phương pháp cổ nhất, ngày nay chỉ còn dùng để sản xuất giấm ăn

CH₃CH₂OH + O₂ \(\xrightarrow[{25 - {{30}^o}C}]{{men\,\,giấm}}\) CH₃COOH + H₂O

- Đi từ buthane:

n-C₄H₁₀ + $\frac{5}{2}$O₂ $\xrightarrow{{M{n^{2 + }},{t^o}}}$ 2CH₃COOH + H₂O

- Oxi hóa acetic aldehyde trước đây là phương pháp chủ yếu sản xuất acetic acid:

CH₃CH=O + $\frac{1}{2}$O₂ $\xrightarrow{{xt,{t^o}}}$ CH₃COOH

- Đi từ methanol và carbon oxide, nhờ xúc tác thích hợp là phương pháp hiện đại sản xuất acetic acid:

CH₃OH + CO $\xrightarrow{{xt,{t^o}}}$ CH₃COOH

VIII. Ứng dụng của carboxylic acid

1. Acetic acid

Acetic acid được dùng để điều chế những chất có ứng dụng quan trọng: tổng hợp chất diệt cỏ, dùng làm chất cầm màu khi nhuộm vải, sợi, cellulose acetate...

2. Các acid khác

- Các acid béo như panmitic acid (C₁₅H₃₁COOH), stearic acid (C₁₇H₃₅COOH),... được dùng để chế xà phòng.

- Benzoic acid được dùng trong tổng hợp phẩm nhuộm, nông dược,... Salixylic acid dùng để chế thuốc cảm, thuốc xoa bóp, giảm đau,...

- Các dicarboxylic acid (như adipic acid, phthalic acid,...) được dùng trong sản xuất polyamide, polyester để chế tơ sợi tổng hợp.