14-4 羧酸、酯

14-4 羧酸、酯

一、羧酸與其衍生物 二、羧酸
三、常見的羧酸 四、酯
五、油脂  

一、羧酸與其衍生物 [return]

1.    有機分子中含有羧基()者,稱為羧酸

(1)     直鏈羧酸:羧基接於烴基上
通式:,R為烴基
如:
        乙酸         丙酸

 

(2)     芳香族羧酸:羧基接於芳香基上
通式:,Ar為芳香基
如:
      苯甲酸          柳酸

 

2.    存在與應用

(1)     自然界中有很多種有機酸以單獨方式或與其他有機化合物結合存在於香料、水果蔬菜以及動植物油脂裡

(2)     多種羧酸在新陳代謝中扮演重要的角色

 

3.    羧酸的衍生物:羧酸的羥基被被他種基取代所生成之化合物稱為酸的衍生物,包括酐、醯氯、酯、醯胺、羧酸鹽
酸的衍生物之活性順序

  醯氯                      醯胺

<Note>酯為羧酸衍生物之一種

 

二、羧酸 [return]

1.    脂肪酸之通式與命名

(1)     脂肪酸;具有一個羧基直鏈羧酸常稱為脂肪酸,因為這些羧酸常與甘油結合成脂肪而取名
脂肪經水解可得碳數6~18之偶數碳直鏈羧酸
通式:

(2)     若為直鏈飽和羧酸,其分子式為CnH2nO2

(3)     酸的命名:碳的編號由羧酸開始

俗名:

IUPAC命名:碳的編號由羧基開始
            

 

2.    酸的製備

(1)     1o醇或醛類氧化而得

(2)     由酯類水解而得酸類
CH3COOC2H5 + H2O → CH3COOH + C2H5OH

(3)     由醯鹵水解而得酸類

3.    酸的性質

(1)     具弱酸性,可與活性大的金屬(如:Na)作用產生氫氣

(2)     羧酸可與水形成氫鍵,故甲酸至丁酸能與水完全互溶;高級酸(C10以上者)為固體,大多難溶於水(低級醇、醛、酮、酸可溶於水)

(3)     有機酸均具有分子電偶極,純液體間有氫鍵(分子間氫鍵),常成雙分子偶合,故沸點較同級醇或醛為高(b.p.:酸>醇>醛或酮>醚>烴)

(4)     脂肪酸不易被氧化,但甲酸、草酸均具還原性。因甲酸含有醛基,草酸含有C2O42-

(5)     與醇類進行酯化反應
RCOOH+R'OH→RCOOR'+H2O

 

4.    羧酸酸度與分子結構

(1)     RCOOH中R愈大(烷基),釋放電子能力愈大,酸度愈小;R上支鏈愈多,釋放電子能力愈大,酸度愈小(R為推電子基)
酸性:HCOOH > CH3COOH > C2H5COOH > CH3CH2CH2CH2COOH > >

(2)     羧酸RCOOH;若R上有一個推電子的原子或原子團,會使酸性減弱。若R上有一拉(或吸)電子的原子或原子團,將使酸性增強;且這些原子或原子團愈多或愈接近羧基(-COOH)的碳其酸性愈強

電負度大小(拉電子能力):如F>Cl>Br>I
FCH2COOH>ClCH2COOH>BrCH2COOH>ICH2COOH>CH3COOH

拉電子基愈接近羧酸基的碳,其酸性愈強

ƒCl3←CCOOH>Cl2←CHCOOH>Cl←CH2COOH>CH3¾COOH

 


三、常見的羧酸 [return]

1.    甲酸HCOOH,因在螞蟻和蜜蜂的分泌中含有羧甲酸,故甲酸俗稱蟻酸

(1)     結構

 

 

 

<Note>甲酸分子結構中,含有羧基外也有醛基,故具還原性能使多侖試液產生銀鏡反應

(2)     製備

甲醇在過錳酸鉀的酸性溶液中氧化可得甲酸

 

 

 

工業上甲酸由一氧化碳與氫氧化鈉來製造,生成物為甲酸鈉,將甲酸鈉以硫酸處理即可得甲酸

 

(3)     性質

甲酸為無色具有刺激性臭味的液體(b.p.=100.8℃),會腐蝕皮膚

甲酸的分子結構含有羧基外也有醛基,故具有還原性,能使多侖試液產生銀鏡反應、斐林試液產生紅色沈澱

ƒ甲酸與濃硫酸共熱,則脫水產生一氧化碳

易溶於水而呈弱酸性

(4)     用途:甲酸在工業上可作為橡膠乳汁的凝固劑

 

 


2.    乙酸CH3COOH,俗稱醋酸,為食醋的主要成份(約含5﹪)
葡萄酒在空氣中放久時就呈酸味,這是因為葡萄酒中的乙醇在細菌作用氧化呈醋酸下

(1)     製備

將乙醇在過錳酸鉀的酸性溶液中氧化可得乙酸

 

 

工業上,通常以乙炔或乙醇為起始物質,經氧化製成乙酸


 

(2)     性質

乙酸為具有強烈刺激性氣味的液體(b.p.=118℃)

市售的醋酸係約為36﹪的水溶液
醋酸含水量在1﹪以下者在冬季容易凍結(凝固點(17℃)成冰狀固體稱為冰醋酸(市售的冰醋酸含醋酸99.5﹪,17.4 M)

ƒ易溶於水而呈酸性。乙酸為一種弱酸,在水溶液中部份游離成H+
CH3COOH(aq)
ÛCH3COO-(aq)+H+(aq)    Ka=1.8×10-5

(3)     用途

供作調味品

二分子乙酸脫水生成的乙酐是重要的化工原料

ƒ乙酸和乙酐常用為醫藥品或合成纖維的原料

 

3.    芳香族羧酸:苯環結合羧基的化合物稱為芳香族羧酸,這些酸呈酸性,亦能生成酯

(1)     苯甲酸,俗稱安息香酸或卞酸

苯甲酸為白色晶體,能昇華,有防腐作用

苯甲酸鈉溶於水,常用為食物防腐劑,可作為醬油的添加物

(2)     柳酸(學名:鄰-羥基苯甲酸,俗名:水揚酸)

柳酸在苯環上結合羥基和羧基,為無色針狀晶體,可用於醫藥品,為止痛,解熱劑

<製備>酚、NaOH、CO2加壓共熱可得柳酸鈉,接著以稀酸作用成柳酸

ƒ柳酸可形成分子內氫鍵

反應

 

(3)     乙醯柳酸,即為阿斯匹靈

製備

Œ醫藥上常用為解熱鎮痛劑的阿斯匹靈係由酚合成

酚、氫氧化鈉和二氧化碳加壓共熱,可得柳酸鈉,接著以稀酸作用即成柳酸

Ž最後乙將柳酸乙醯化即得阿斯匹靈

性質

Œ微溶於水的白色粉末或晶體,易水解成柳酸和醋酸

於胃酸(鹽酸)下易不水解,而至腸內被水解,產生刺激作用

Ž為常用鎮痛解熱劑,但缺點為引起過敏或刺激胃部

 

 

四、 [return]

1.    通式與命名

(1)     將酸中之-OH轉變-OR所得之衍生物稱為酯類
通式:

(2)     若為鏈狀飽和酯,其分子式為CnH2nO2,為酸的同分異構物

(3)     酯的命名
酯的命名法係由其反應物的酸及醇之名稱演繹而成:?酸?酯
          

 

2.    酯的製備
酯化反應:羧酸與醇類在催化劑(H2SO4或HCl)之催化下作用而產生酯和水
Þ+醇→酯+水

例:

 

3.    酯的性質

(1)     酯為重要的有機物,低分子量的酸與醇所形成的酯,具有水果香味且揮發性大,常用作香料及人造調味品,並且為優良溶劑

(2)     酯分子間不形成氫鍵故沸點、熔點都較同分子式的酸低,沸點與分子量大約相等的醛、酮相近

(3)     酯類難於水,比重小於水,為中性物質

 

4.    酯類的反應

(1)     酯的水解
酯在催化劑(H+或OH-)的存在下與水緩慢反應分解為酸和醇,此種反應稱為水解

(2)     酯的氨解
酯與氨反應,可分解得醯胺和醇的反應,稱為氨解

 

5.    無機酸酯:酯除了乙酸等羧酸的酯外亦有硝酸、硫酸等無機酸酯
濃硝酸與甘油(丙三醇)生成之酯稱為硝化甘油,可作為炸藥的原料

                            硝化甘油

 

五、油脂 [return]

1.    定義:屬於天然脂類的脂肪及油,和稱為油脂,是動植物組織的重要成份

 

2.    分類

(1)     油脂(酯)

常溫下為液體:油,如花生油、植物油,屬於植物性的

常溫下為固體:脂肪,如豬脂、牛脂,屬於動物性的

(2)     酯肪酸之碳鏈

飽和者(碳鏈較長者):常溫下為固體,如十八酸丙三酯(硬脂酸甘油酯)

不飽和者(雙鍵愈多者):常溫下為液體

 

3.    油脂的形成:不論動物性的脂肪或植物性的油類,皆為高級脂肪酸與丙三醇所形成之甘油酯
 
 甘油     各種脂肪酸      脂肪或油

 

4.    性質

 

 

5.    油脂的皂化反應
皂化:

   甘油脂                     甘油     脂肪酸鈉鹽(肥皂)

(1)     皂化本身為脂在鹼中的一種水解作用

(2)     皂化後所得之產物,再經鹽析而與甘油分離,最後加工成為市售的肥皂

 

6.    清潔劑

(1)     清潔劑包括肥皂與合成清潔劑

肥皂:普通肥皂為長鏈脂肪酸之ⅠA鹽類混合物
如:C17H35COO-Na+(硬脂酸鈉)、C15H31COO-Na+(軟脂酸鈉)等

合成清潔劑:最常見的合成清潔劑是洗衣粉
長鏈烷苯磺酸鹽類,如烷苯磺酸鈉
長鏈醇轉變之烷基硫酸鹽類
如正十二基硫酸鈉n-C11H23CH2OSO3Na

Œ硬性清潔劑:支鏈烷苯磺酸鈉,簡稱A.B.S.,此種清潔劑不易被河川中微生物分解清除,易造成水污染

軟性清潔劑:直鏈烷苯磺酸鈉,簡稱L.A.S.,此種清潔劑則容易被微生物分解,屬於軟性清潔劑

(2)     清潔劑結構的特性
肥皂與清潔劑的分子結構相似,均由長而非極性的親油基烴鏈(油溶性尾部)和極性的親水性部份(水溶性頭部構成)

(3)     清潔劑的洗滌作用

表面作用
清潔劑溶液的表面張力比水小,因此清潔劑濕潤力較水大,容易滲透入衣料纖維或油垢,使污物容易成微粒分散洗出

乳化作用

Œ衣類油污在清潔劑溶液中,經過摩擦、攪拌、分解成小油滴而被清潔劑乳化懸浮在水中

清潔劑分子的非極性烴鏈(親油性尾部)溶解於油滴,留下極性基(親水性頭部)伸入水層。由於陰電性酸根之存在,每一油滴皆被離子性環境(H2O極性)所包圍,同電性間之相斥力作用,使各油滴不能聚集,生成穩定乳液

<圖示>

 

 

 

清潔劑

成份

清潔效果

清潔原理

清潔過程

肥皂

RCOO-Na+

硬水中生成鈣肥皂或鎂皂

(1) 表面作用和乳化作用

(2) R為親油端,COO-Na+為親水端

(1) 親油基聚在油污表面

(2) 包圍油污

(3) 脫離纖維

(4) 分散乳化

 

合成清潔劑

(1)R-O-SO3-Na+

(2)R-Ar-SO3-Na+

有支鏈之硬性清潔劑不被微生物分解

(4)     肥皂的缺點

肥皂的水溶液呈弱鹼性,能溶解動物纖維,故不適合洗滌絲、毛織品

肥皂在酸性溶液中會生之脂肪酸沈澱,消耗肥皂

ƒ肥皂在硬水中會生成脂肪酸鈣或脂肪酸鎂的沈澱,而失去洗滌去垢的功效

(5)     合成清潔劑的優點

合成清潔劑的去污作用與肥皂類似,但無肥皂的缺點

在硬水或鹽水中,不產生沈澱,而保有去污的作用。且泡沫多,去垢功較肥皂強

ƒ不效損害纖維,最適於洗滌毛織品、絲織品及合成纖維