**Bài Giảng Về Axit Carboxylic**

**Nội dung bài học:**

1. **Giới thiệu về Carboxylic acid:**
* **Định nghĩa:** Carboxylic acid là hợp chất hữu cơ chứa nhóm chức **carboxyl (-COOH)**.
* **Cấu tạo:** Nhóm carboxyl (-COOH) liên kết trực tiếp với:
* Nguyên tử hydrogen (ví dụ: formic acid - HCOOH).
* Gốc hydrocarbon (alkyl, aryl) (ví dụ: acetic acid - CH₃COOH).
* Nhóm carboxyl khác (ví dụ: oxalic acid - HOOC-COOH).

* **Ví dụ:** Acetic acid (CH₃COOH) - acetic acid, thành phần chính của giấm ăn.

2. **Viết Công Thức Cấu Tạo và Gọi Tên Carboxylic acid:**

* **Công thức phân tử C₅H₁₀O₂:**
* 

* **Xác định loại hợp chất:** Đây là carboxylic acid mạch hở.
* **Xây dựng mạch carbon:** Do nhóm -COOH đã có 1 carbon, nên mạch carbon chính chỉ cần 4 carbon (C₅ - 1C = C₄).
* **Các dạng mạch C₄:**
* Mạch không nhánh (n-butan).
* 

* Mạch có một nhánh (isobutan).
* 

* **Đồng phân vị trí nhóm -COOH:**
* **Mạch không nhánh (butan):**
* 

* Vị trí 1 (đánh số từ nhóm -COOH): butanoic acid
* Vị trí 2: butanoic acid (trùng với vị trí 1 do mạch đối xứng)
* **Mạch có nhánh (isobutan):**
* 

* Vị trí 1 (đánh số từ nhóm -COOH): 2-methylpropanoic acid
* Vị trí 2: 2-methylpropanoic acid (trùng với vị trí 1 do mạch đối xứng)

* **Tên gọi:**
* **Tên thay thế (IUPAC):**
* **Nguyên tắc:**
* Chọn mạch carbon dài nhất chứa nhóm -COOH làm mạch chính.
* Đánh số mạch carbon từ carbon của nhóm -COOH.
* Tên = "acid" + [vị trí nhánh (nếu có)-tên nhánh] + alkan + "oic".
* **Ví dụ:**
* CH₃CH₂CH₂CH₂***C***OOH: pentanoic acid
* 

* CH₃CH(CH₃)CH₂***C***OOH: 2-methylbutanoic acid
* 

* CH₃CH₂CH(CH₃)***C***OOH: 3-methylbutanoic acid
* 

* (CH₃)₃C***C***OOH: 2,2-dimethylpropanoic acid
* 

* **Tên thông thường (tên thường gọi, tên thông dụng):**
* Thường dựa vào nguồn gốc tự nhiên của axit.
* **Ví dụ:**
* pentanoic acid: valeric acid (từ cây Valeriana)
* 2-methylbutanoic acid: isovaleric acid
* 2,2-dimethylpropanoic acid: pivalic acid (dùng nhiều trong tổng hợp hữu cơ)

* **Công thức phân tử C4H8O2:**
* Mạch carbon chính C₃ (C₄ - 1C = C₃).
* Mạch C₃ chỉ có một dạng mạch không nhánh (propan).
* **Đồng phân vị trí nhóm -COOH:**
* butanoic acid (tên thường: butyric acid - từ bơ, có trong quả bồ kết).
* 2-methylpropanoic acid (tên thường: isobutyric acid - từ rễ cây hoa).

* **Các carboxylic acid từ 1 đến 3 carbon:**
* Không có đồng phân cấu tạo.
* **Tên gọi:**
* **1 carbon:** methanoic acid (formic acid - từ kiến (Latin: formica)).
* **2 carbon:** ethanoic acid (acetic acid - từ giấm (Latin: acetum)).
* **3 carbon:** propanoic acid (propionic acid).

3. **Một Số Carboxylic acid Thông Dụng:**

* **Axit no, đơn chức:**
* **Palmitic acid (C₁₆H₃₂O₂):** 16 carbon, có trong dầu cọ (palm).
* **Stearic acid (C₁₈H₃₆O₂):** 18 carbon, thành phần chất béo động thực vật.

* **Axit no, hai chức, không nhánh:**
* **Oxalic acid (HOOC-COOH):** 2 carbon, tạo muối oxalate kết tủa (sỏi thận).
* **Adipic acid (HOOC-(CH₂)₄-COOH):** 6 carbon, sản xuất nylon-6,6.

* **Axit không no, axit thơm đơn chức:**
* **Acrylic acid (CH₂=CH-COOH):** trong sơn móng tay, nhiều ứng dụng khác.
* **Methacrylic acid (CH₂=C(CH₃)-COOH):** polymer hóa thành thủy tinh hữu cơ (plexiglass).
* **Benzoic acid (C₆H₅COOH):** trước đây làm chất bảo quản thực phẩm (nay bị cấm).

4. **Tính Chất Vật Lý của Carboxylic acid:**

* **Trạng thái:**
* **Nhiệt độ sôi:** Luôn trên 25°C, *không có axit carboxylic nào là chất khí ở điều kiện thường*.
* **Nhiệt độ nóng chảy:**
* ≤ 25°C: chất lỏng.
* > 25°C: chất rắn.

* **Nhiệt độ sôi:**
* **Xu hướng:** Tăng khi phân tử khối (M) tăng.
* **So sánh với các hợp chất khác có cùng số carbon:**
* Carboxylic acid > Alcohol > Ketone > Aldehyde > Hydrocarbon.
* **Nguyên nhân:**
* Axit và alcohol tạo được **liên kết hydrogen liên phân tử** mạnh.
* **Dimer của acid acetic:** Hai phân tử acid acetic liên kết hydrogen tạo thành dimer (có thể kéo dài như polymer).
* 

* **Tính tan trong nước:**
* **Khả năng tan:** Tan được trong nước do tạo được **liên kết hydrogen với nước**.
* **Mô hình liên kết hydrogen với nước:** (Mô tả hoặc hình ảnh minh họa sự phức tạp của liên kết H giữa -COOH và nước - mỗi oxygen và hydrogen của -COOH đều có thể liên kết H với nước).
* **Đơn giản hóa:** Thay một phân tử acid trong dimer bằng hai phân tử nước để hình dung liên kết H với nước.
* **Nhóm ưa nước và kỵ nước:**
* Nhóm -COOH: **ưa nước** (hydrophilic), tạo liên kết hydrogen với nước.
* Gốc hydrocarbon R: **kỵ nước** (hydrophobic).
* **Ảnh hưởng của gốc R:** Khi số carbon trong R tăng, tính kỵ nước tăng, độ tan giảm.
* **Bảng độ tan:**
* C₁ - C₄: tan vô hạn trong nước.
* C₅: tan nhưng không vô hạn.
* > C₅: độ tan giảm mạnh, coi như không tan.

5. **Tính Chất Hóa Học của Carboxylic acid:**

* **Cấu tạo quyết định tính chất:** Độ âm điện của oxygen hút electron, làm liên kết O-H phân cực mạnh. Nhóm carbonyl (C=O) kế cận cũng hút electron, tăng độ phân cực O-H.

* **Các loại phản ứng chính:**
* **Tính acid:** Phân ly H⁺ (proton) từ nhóm -COOH.
* **Phản ứng thế nhóm OH:** Phản ứng ester hóa (với alcohol, loại nước).
* **Phản ứng của gốc R:** Tùy thuộc vào cấu trúc gốc R.

* **Phản ứng của gốc R:**
* **R = H (formic acid - HCOOH):**
* 

* Nhóm -CHO (aldehyde): có tính chất của aldehyde.
* Phản ứng với thuốc thử Tollens (AgNO₃/NH₃) → Ag↓ (tráng bạc).
* *HCOOH + 2AgNO3 + 4NH3 + H2O → (NH4)2CO3 + 2Ag↓ + 2NH4NO3*

* Phản ứng với Cu(OH)₂ đun nóng → Cu₂O↓ (đỏ gạch).
* HCOOH + Cu(OH)2 → Cu20 + CO2 + H2O

* **R = gốc hydrocarbon no (ví dụ: CH₃ - acetic acid):**
* 

* Phản ứng thế halogen (ví dụ: Cl₂) vào gốc alkyl (vị trí α) khi có xúc tác và điều kiện thích hợp.
* **Lưu ý:** Nhóm CH₃ *gắn trực tiếp vào C=O* không phản ứng Iodoform (khác với methyl ketone).

* **R = gốc hydrocarbon không no (ví dụ: vinyl - CH₂=CH-):**

* Liên kết π trong gốc R.
* Phản ứng cộng (vào liên kết π).
CH₂=CH-COOH + Br₂ → CH₂Br-CHBr-COOH
* Phản ứng oxy hóa (liên kết π).
3CH₂=CH-COOH + 2KMnO₄ + 4H₂O → 3CH₂(OH)CH(OH)-COOH + 2MnO₂↓ + 2KOH
* Phản ứng trùng hợp (liên kết π).
nCH₂=CH-COOH → [-CH₂-CH(COOH)-]n

* **R = gốc hydrocarbon thơm (ví dụ: phenyl - C₆H₅-):**

* Nhóm -COOH hút electron.
* Phản ứng thế electrophin trên vòng thơm định hướng vào vị trí *meta*.

* **Lưu ý:** Phản ứng của gốc R có thể ít được đề cập trong SGK nhưng có thể xuất hiện trong bài tập.

* **Tính acid:**
* **Phân ly proton (H⁺):** R-COOH ⇌ R-COO⁻ + H⁺
* **Hằng số acid (Ka):** Đo độ mạnh acid. Giá trị Ka càng lớn, acid càng mạnh.
* **Giá trị Ka của một số acid:** (Bảng ví dụ - formic acid mạnh nhất, propionic acid yếu nhất trong ví dụ).

* **pH dung dịch 1M:** (Ví dụ: formic acid ~ 3.75, acid yếu nhất ~ 4.x).
* **Chỉ thị màu:** Làm quỳ tím hóa đỏ.

* **So sánh độ mạnh acid với carbonic acid (H₂CO₃):**
* Ka₁ (H₂CO₃) ≈ 5 x 10⁻⁷.
* Ka (carboxylic acid) ≈ 10⁻⁵ - 10⁻⁴.
* Carboxylic acid mạnh hơn carbonic acid.
* **Phản ứng với muối carbonate:** Axit carboxylic đẩy được carbonic acid ra khỏi muối carbonate, giải phóng CO₂. Ví dụ:
2RCOOH + Na₂CO₃ → 2RCOONa + H₂O + CO₂↑

* **Phản ứng với kim loại hoạt động:**
* Kim loại đứng trước H trong dãy hoạt động hóa học (K, Na, Ca, Mg, Al, Zn, Fe, ...).
* Ví dụ: 2RCOOH + Mg → (RCOO)₂Mg + H₂↑

* **Phản ứng với base:**
* Ví dụ: RCOOH + NaOH → RCOONa + H₂O

* **Phản ứng với oxide base:**
* Ví dụ: 2RCOOH + CuO → (RCOO)₂Cu + H₂O
* **Ứng dụng:** Làm sạch đồ đồng bị oxy hóa (CuO) bằng giấm (acetic acid) hoặc chanh (citric acid).

* **Phản ứng với muối carbonate (ứng dụng thực tế):**
* Loại bỏ cặn calcium carbonate (CaCO₃) trong ấm đun nước bằng acetic acid (giấm).
* CaCO₃ + 2CH₃COOH → (CH₃COO)₂Ca + H₂O + CO₂↑
* Cặn CaCO₃ hình thành do phân hủy muối bicarbonate trong nước cứng khi đun nóng.

* **Bài tập ví dụ:**
* Isobutyric acid + Calcium → (isobutyrate calcium)₂Ca + H₂↑ (cân bằng PT).
* Oxalic acid + NaOH (base) → Na₂oxalate + H₂O (cân bằng PT).
* Formic acid + Sodium carbonate → Sodium formate + H₂O + CO₂↑ (cân bằng PT).
* Propionic acid + Copper(II) oxide → Copper(II) propionate + H₂O (cân bằng PT).

* **Áp dụng nhận biết:**
* **Quỳ tím:** Axit làm quỳ tím hóa đỏ. Alcohol và aldehyde không đổi màu.
* **Nước bromine (Br₂/H₂O):**
* Aldehyde: phản ứng, làm mất màu nước bromine.
* Axit không no (acrylic acid): phản ứng, làm mất màu nước bromine.
* Axit no, alcohol: không phản ứng.
* **Phân biệt 4 chất (alcohol, aldehyde, axit no, axit không no) bằng quỳ tím và nước bromine.**

* **Phản ứng Ester hóa:**
* **Phản ứng loại nước giữa carboxylic acid và alcohol:**
RCOOH + R'OH ⇌ RCOOR' + H₂O (xúc tác H₂SO₄ đặc, nhiệt độ)
* **Cơ chế:** Axit mất -OH, alcohol mất -H.
* **Phản ứng thuận nghịch.**
* **Biện pháp tăng hiệu suất:**
* **Nguyên lý dịch chuyển cân bằng:**
* Tăng nồng độ chất phản ứng (dùng dư acid hoặc alcohol).
* Giảm nồng độ sản phẩm (loại nước ra khỏi hệ).
* **Xúc tác H₂SO₄ đặc:**
* Tăng tốc độ phản ứng.
* Hút nước, dịch chuyển cân bằng theo chiều thuận.

* **Ví dụ:** Acetic acid + Ethanol → Ethyl acetate + H₂O
* **Tên gọi ester:** RCOOR' - Tên gốc alkyl R' + tên gốc acyl RCOO⁻ (từ tên acid).
* Ví dụ: CH₃COOCH₂CH₃: ethyl acetate.

6. **Ứng Dụng của Carboxylic acid (Ví dụ: Acetic acid):**

* **Tổng quan:** Ứng dụng của acetic acid là tổng hợp nhiều hợp chất hữu cơ quan trọng.

* **Phản ứng cộng với acetylene:**
CH₃COOH + HC≡CH → CH₃COOCH=CH₂ (vinyl acetate)
* **Polymer hóa vinyl acetate:** (-CH₂-CH(OCOCH₃)-)n (polyvinyl acetate - PVAC - keo dán, sơn).

* **Phản ứng với cellulose:** Cellulose acetate (tơ acetate, phim ảnh).

* **Phản ứng với aluminum hydroxide [Al(OH)₃]:** Dihydroxyaluminum acetate (chất cầm màu trong nhuộm vải).

* **Phản ứng với ammonia (NH₃):**
CH₃COOH + NH₃ → CH₃COONH₄ (ammonium acetate)
CH₃COONH₄ -t°→ CH₃CONH₂ (acetamide) + H₂O

* **Phản ứng thế halogen (vào gốc CH₃):** Dẫn xuất halogen của acetic acid (ví dụ: chloroacetic acid, dichloroacetic acid, trichloroacetic acid).
* 

* Điều chế thuốc diệt cỏ 2,4-D và 2,4,5-T.

* **Dung dịch loãng (giấm ăn):** Điều chế bằng lên men giấm.

* **Điều chế ester:** Dung môi, hương liệu (chất tạo mùi thơm).

* **Loại nước 2 phân tử acetic acid (P₂O₅ xúc tác):** Acetic anhydride [(CH₃CO)₂O].

* **Phản ứng với salicylic acid:**
* Aspirin (acetylsalicylic acid) - thuốc giảm đau, hạ sốt.

* **Phản ứng của salicylic acid với methanol (CH₃OH):** Methyl salicylate (dầu gió, salonpas).
* 

* **Bảng tóm tắt ứng dụng acetic acid.** (Nên có bảng tổng hợp các ứng dụng chính).
* 

7. **Điều Chế Carboxylic acid:**

* **Oxy hóa alkane:** (phản ứng cracking oxy hóa)
* 

* Khó kiểm soát, hiệu suất thấp (~50% tối đa), tạo hỗn hợp acid. Chỉ thích hợp sản xuất hỗn hợp axit.

* **Lên men giấm:** (vi khuẩn *Acetobacter aceti*)
* 

* Vi khuẩn *Acetobacter aceti* hiếu khí (cần oxygen), nhiệt độ 25-30°C (tối ưu cho vi khuẩn), pH 4-6 (môi trường hơi acid).
* Dung dịch acetic acid thu được ~ 20% trở lại.

* **Carbonyl hóa methanol:** (phương pháp công nghiệp quan trọng nhất)

* Phương pháp duy nhất có ý nghĩa trong sản xuất công nghiệp.

* **Bảng so sánh các phương pháp điều chế.** (Nên có bảng so sánh ưu nhược điểm các phương pháp).

8. **Luyện Tập:**

* **Câu hỏi 1:**

* **Câu hỏi 2:**

* **Câu hỏi 3:**

* **Câu hỏi 4:**

* **Câu hỏi 5:**