Bài 24. Carboxylic acid

Nhiều carboxylic acid tồn tại trong tự nhiên. Hãy nhận xét đặc điểm chung về cấu tạo của các carboxylic acid dưới đây:

Công thức của các carboxylic acid đơn chức thường được viết ở dạng thu gọn là $\mathrm{R}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}$.
Ví dụ: $\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_3\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}$, $\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_2=\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}$, $\mathrm{C}{\phantom{X}}_6\mathrm{H}{\phantom{X}}_5\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}$.

Tên theo danh pháp thay thế của carboxylic acid đơn chức:

\begin{array}{|l|l|l|}
\hline
\text{Tên hydrocarbon tương ứng (tính cả nhóm } \ce{-COOH}) & \text{oic acid} \\
\text{(bỏ e ở cuối)} & \\
\hline
\end{array}

Ví dụ:
$\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}$ methanoic acid
$\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_3\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_2\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_2\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}$ butanoic acid
$\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_2=\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}$ propenoic acid

Tên thông thường của carboxylic acid thường xuất phát từ nguồn gốc tìm ra chúng trong tự nhiên.

\begin{array}{|l|l|l|l|}
\hline
\text{Công thức} & \text{Tên theo danh pháp} & \text{Tên} & \text{Nguồn gốc} \\
\text{cấu tạo} & \text{thay thế} & \text{thông thường} & \\
\hline
\ce{HCOOH} & \text{methanoic acid} & \text{formic acid} & \text{formica (La-tinh): con kiến} \\
\hline
\ce{CH3COOH} & \text{ethanoic acid} & \text{acetic acid} & \text{acetum (La-tinh): giấm ăn} \\
\hline
\ce{CH3CH2COOH} & \text{propanoic acid} & \text{propionic acid} & \text{propion (Hy lạp):} \\
& & & \text{chất béo đầu tiên} \\
\hline
\ce{CH3[CH2]14COOH} & \text{hexadecanoic acid} & \text{palmitic acid} & \text{palma (La-tinh): cây cọ} \\
\hline
\ce{CH3[CH2]16COOH} & \text{octadecanoic acid} & \text{stearic acid} & \text{stear (Hy Lạp):} \\
& & & \text{chất béo dạng rắn} \\
\hline
\ce{C6H5COOH} & \text{phenylmethanoic} & \text{benzoic acid} & \text{benzoin: tên một loại} \\
& \text{acid} & & \text{nhựa cây} \\
\hline
\ce{HOOC-COOH} & \text{ethanedioic acid} & \text{oxalic acid} & \text{oxalis: tên một chi của} \\
& & & \text{thực vật} \\
\hline
\end{array}

Nhóm carboxyl gồm có nhóm hydroxy ($-\mathrm{O}-\mathrm{H}$) liên kết với nhóm carbonyl ($>\mathrm{C}=\mathrm{O}$). Nhóm $>\mathrm{C}=\mathrm{O}$ là nhóm hút electron nên liên kết $\mathrm{O}-\mathrm{H}$ trong carboxylic acid phân cực hơn so với alcohol, phenol. Nhóm $-\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}$ có thể phân li ra $\mathrm{H}{\phantom{X}}^{+}$ nên tính chất hoá học đặc trưng của carboxylic acid là tính acid.

\begin{array}{|l|l|l|l|l|}
\hline
\text{Loại hợp chất} & \text{alkane} & \text{aldehyde} & \text{alcohol} & \text{carboxylic acid} \\
\hline
\text{Công thức} & \ce{CH3CH2CH2CH3} & \ce{CH3CH2CHO} & \ce{CH3CH2CH2OH} & \ce{CH3COOH} \\
\text{cấu tạo} & & & & \\
\hline
\text{M} & 58 & 58 & 60 & 60 \\
\hline
\text{ts (}^{\circ}\text{C)}^{(1)} & -0,5 & 49 & 97,2 & 118 \\
\hline
\end{array}

Phân tử carboxylic acid chứa nhóm carboxyl phân cực. Các phân tử carboxylic acid liên kết hydrogen với nhau tạo thành dạng dimer hoặc dạng liên phân tử.

Do vậy, carboxylic acid có nhiệt độ sôi cao hơn so với hydrocarbon, alcohol, hợp chất carbonyl có phân tử khối tương đương.

Carboxylic acid mạch ngắn là chất lỏng ở nhiệt độ phòng, carboxylic acid mạch dài là chất rắn dạng sáp. Carboxylic acid thường có mùi chua nồng.

Carboxylic acid mạch ngắn tan tốt trong nước. Khi tăng số nguyên tử carbon trong gốc hydrocarbon thì độ tan của các carboxylic acid giảm.

\begin{array}{|l|l|l|l|l|}
\hline
\text{Công thức} & \text{Tên gọi} & \text{Nhiệt độ} & \text{Nhiệt độ} & \text{Độ tan trong nước} \\
& & \text{nóng chảy (}^{\circ}\text{C)} & \text{sôi (}^{\circ}\text{C)} & \text{ở } 25^{\circ}\text{C (g/100 g)} \\
\hline
\ce{HCOOH} & \text{methanoic acid} & 8 & 101 & \text{tan vô hạn} \\
\hline
\ce{CH3COOH} & \text{ethanoic acid} & 17 & 118 & \text{tan vô hạn} \\
\hline
\ce{CH3CH2COOH} & \text{propanoic acid} & -22 & 141 & \text{tan vô hạn} \\
\hline
\ce{CH3[CH2]2COOH} & \text{butanoic acid} & -8 & 164 & \text{tan vô hạn} \\
\hline
\ce{CH3[CH2]3COOH} & \text{pentanoic acid} & -34 & 186 & 4,97 \\
\hline
\ce{CH3[CH2]4COOH} & \text{hexanoic acid} & -1,5 & 205 & 1,0 \\
\hline
\ce{CH3[CH2]8COOH} & \text{decanoic acid} & 31 & 270 & 0,01 \\
\hline
\end{array}

Trong dung dịch nước, carboxylic acid phân li không hoàn toàn theo cân bằng:

Hằng số cân bằng của phương trình phân li một số carboxylic acid được cho trong Bảng 24.3.

\begin{array}{|l|l|l|}
\hline
\text{Carboxylic acid} & \text{Hằng số cân bằng của phương} & \text{Phần trăm phân li} \\
& \text{trình phân li carboxylic acid} & \text{(dung dịch 0,1 M) (\%)} \\
\hline
\ce{HCOOH} & 1,8 \cdot 10^{-4} & 4,2 \\
\hline
\ce{CH3COOH} & 1,8 \cdot 10^{-5} & 1,3 \\
\hline
\ce{CH3CH2COOH} & 1,3 \cdot 10^{-5} & 1,2 \\
\hline
\ce{CH3CH2CH2COOH} & 1,5 \cdot 10^{-5} & 1,2 \\
\hline
\end{array}

Trong dung dịch nước, chỉ một phần nhỏ carboxylic acid phân li thành ion, vì vậy carboxylic acid là những acid yếu. Chúng thể hiện đầy đủ tính chất của acid.

$2\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_3\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}+\mathrm{Z}\mathrm{n}⟶(\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_3\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}){\phantom{X}}_2\mathrm{Z}\mathrm{n}+\mathrm{H}{\phantom{X}}_2$
$2\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_3\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}+\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{X}}_3⟶(\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_3\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}){\phantom{X}}_2\mathrm{C}\mathrm{a}+\mathrm{H}{\phantom{X}}_2\mathrm{O}+\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{X}}_2$
$2\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_3\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}+\mathrm{C}\mathrm{a}(\mathrm{O}\mathrm{H}){\phantom{X}}_2⟶(\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_3\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}){\phantom{X}}_2\mathrm{C}\mathrm{a}+2\mathrm{H}{\phantom{X}}_2\mathrm{O}$
$2\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_3\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}+\mathrm{C}\mathrm{u}\mathrm{O}⟶(\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_3\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}){\phantom{X}}_2\mathrm{C}\mathrm{u}+\mathrm{H}{\phantom{X}}_2\mathrm{O}$

Carboxylic acid phản ứng với alcohol tạo thành ester và nước theo phản ứng:

Phản ứng giữa carboxylic acid và alcohol được gọi là phản ứng ester hoá. Phản ứng có đặc điểm thuận nghịch và thường dùng sulfuric acid đặc làm xúc tác.

$\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_3\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}+\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_3\mathrm{O}\mathrm{H}\stackrel{H2SO4\text{đặ}c,t}{\to }\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_3\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_3+\mathrm{H}{\phantom{X}}_2\mathrm{O}$
acetic acid \quad methanol \quad methyl acetate

Phương pháp lên men được sử dụng từ thời xa xưa để làm giấm. Nguyên liệu thường là các loại rượu như rượu gạo, rượu táo, rượu vang.... Quá trình lên men nhờ vi khuẩn acetobacter (men giấm) chuyển hoá ethanol thành acetic acid bởi oxygen không khí.

Trong công nghiệp, người ta cung cấp thêm oxygen để tăng tốc độ phản ứng lên men.

Các alkane bị oxi hoá cắt mạch tạo thành các acid:

$2\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_3\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_2\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_2\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_3+5\mathrm{O}{\phantom{X}}_2\stackrel{x\acute{u}ct\acute{a}c,t,\acute{a}psu\acute{\widehat{a}}t}{\to }4\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{X}}_3\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}+2\mathrm{H}{\phantom{X}}_2\mathrm{O}$

• Carboxylic acid là các hợp chất hữu cơ trong phân tử có nhóm $-\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}$ liên kết với nguyên tử carbon (trong gốc hydrocarbon hoặc $-\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}$) hoặc nguyên tử hydrogen.

Có thể biểu diễn công thức của carboxylic acid đơn chức dưới dạng $\mathrm{R}\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}$.

• Danh pháp thay thế của carboxylic acid đơn chức:

\begin{array}{|l|l|}
\hline
\text{Tên hydrocarbon mạch chính (tính cả nhóm } \ce{-COOH}) & \text{oic acid} \\
\text{(bỏ e ở cuối)} & \\
\hline
\end{array}

• Nhóm $-\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}$ có liên kết $\mathrm{O}-\mathrm{H}$ phân cực: $\mathrm{R}-\mathrm{C}(\mathrm{O})-\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{X}}^{\delta -}$

Nhóm $-\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}\mathrm{H}$ có thể phân li thành $\mathrm{H}{\phantom{X}}^{+}$ nên tính chất hoá học đặc trưng của carboxylic acid là tính acid.

• Carboxylic acid mạch ngắn là chất lỏng, tan tốt trong nước. Carboxylic acid mạch dài là chất rắn và ít tan trong nước.

• Phản ứng ester hoá:

• Điều chế:

• Ứng dụng: vật liệu sản xuất polymer, dược phẩm, dung môi, hương liệu, phụ gia thực phẩm, chất tẩy rửa,...

• Biết cách làm giấm bằng phương pháp lên men để sử dụng trong gia đình.

• Vận dụng các tính chất của carboxylic acid để giải thích các ứng dụng của chúng trong đời sống: tẩy cặn ở đáy ấm, loại bỏ các lớp gỉ bám trên bề mặt kim loại,...