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Carboxylic acids and derivatives · ⁨カルボン酸及其び誘導体⁩

A-Level Chemistry · ⁨A-Level 化学⁩ · Topic 18 · ⁨トピック 18⁩

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8:02

カルボン酸及其び誘導体

酢の瓶を開けると、すぐにその香りがわかる。この鋭いにおいはエタン酸であり、酢は水に溶けた希薄な溶液に過ぎない。少しを…に注ぐと

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨英語ナレーション・英語+中文字幕 burning-in⁩

18.1

Carboxylic acids · ⁨カルボン酸⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English
  1. recall the reactions by which carboxylic acids can be produced: (a) oxidation of primary alcohols and aldehydes with acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ or acidified $\text{KMnO}_4$ and refluxing (b) hydrolysis of nitriles with dilute acid or dilute alkali followed by acidification (c) hydrolysis of esters with dilute acid or dilute alkali and heat followed by acidification
  2. describe: (a) the redox reaction with reactive metals to produce a salt and $\text{H}_2(\text{g})$ (b) the neutralisation reaction with alkalis to produce a salt and $\text{H}_2\text{O}(\text{l})$ (c) the acid–base reaction with carbonates to produce a salt and $\text{H}_2\text{O}(\text{l})$ and $\text{CO}_2(\text{g})$ (d) esterification with alcohols with concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ as catalyst (e) reduction by $\text{LiAlH}_4$ to form a primary alcohol
日本語
  1. カルボン酸の生成反応を思い出す:(a) 第一級アルコールおよびアルデヒドの酸性$\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ または酸性$\text{KMnO}_4$ による酸化と還流 (b) シアノ化合物の希酸または希塩基による加水分解後、酸化处理 (c) エステルの希酸または希塩基による加水分解と加熱後、酸化处理
  2. 以下を説明する:(a) 活性金属との酸化還元反応により塩と$\text{H}_2(\text{g})$ を生成する (b) 塩基との中和反応により塩と$\text{H}_2\text{O}(\text{l})$ を生成する (c) 炭酸塩との酸塩基反応により塩と$\text{H}_2\text{O}(\text{l})$ および$\text{CO}_2(\text{g})$ を生成する (d) エタノールなどのアルコールとのエステル化反応で、濃$\text{H}_2\text{SO}_4$ を触媒とする (e) $\text{LiAlH}_4$ による還元で第一級アルコールを生成する

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English

A carboxylic acid 羧酸 has the $\text{–COOH}$ (carboxyl) functional group. It is a weak acid.

Making carboxylic acids

  • oxidation 氧化 of a primary alcohol 醇 or an aldehyde 醛 with acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ or $\text{KMnO}_4$, with reflux 回流 (so it is fully oxidised).
  • hydrolysis 水解 of a nitrile 腈 with dilute acid or alkali, then acidifying.
  • hydrolysis of an ester 酯 with dilute acid or alkali and heat, then acidifying.

Reactions of carboxylic acids

These reactions all show that carboxylic acids are acids:

  • with a reactive metal (a redox 氧化还原 reaction): gives a salt 盐 and hydrogen.
$$2\text{CH}_3\text{COOH} + \text{Mg} \rightarrow (\text{CH}_3\text{COO})_2\text{Mg} + \text{H}_2$$
  • with an alkali (a neutralisation 中和): gives a salt and water.
$$\text{CH}_3\text{COOH} + \text{NaOH} \rightarrow \text{CH}_3\text{COONa} + \text{H}_2\text{O}$$
  • with a carbonate 碳酸盐: gives a salt, water and carbon dioxide. The fizzing of $\text{CO}_2$ is a test for a carboxylic acid.
$$2\text{CH}_3\text{COOH} + \text{Na}_2\text{CO}_3 \rightarrow 2\text{CH}_3\text{COONa} + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2$$

Two reactions change the functional group:

  • esterification 酯化 with an alcohol (concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ catalyst) gives an ester.
  • reduction 还原 by $\text{LiAlH}_4$ gives a primary alcohol.
日本語

カルボン酸は$\text{–COOH}$(カルボキシル)官能基を持つ。弱酸である。

棚に並ぶ食酢のボトル
食酢はエタノール酸というカルボン酸の希薄溶液である

カルボン酸の合成

  • 酸性化された$\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$または$\text{KMnO}_4$を用いて、第一アルコールまたはアルデヒドを酸化する(還流によって完全に酸化される)。
  • ニトリルの希酸またはアルカリによる加水分解後、酸処理を行う。
  • エステルの希酸またはアルカリおよび加熱による加水分解後、酸処理を行う。

カルボン酸の反応

これらの反応はすべてカルボン酸が酸であることを示している:

  • 活性金属との反応(酸化還元反応):塩と水素を生じる。
$$2\text{CH}_3\text{COOH} + \text{Mg} \rightarrow (\text{CH}_3\text{COO})_2\text{Mg} + \text{H}_2$$
  • アルカリとの反応(中和反応):塩と水を生じる。
$$\text{CH}_3\text{COOH} + \text{NaOH} \rightarrow \text{CH}_3\text{COONa} + \text{H}_2\text{O}$$
  • 炭酸塩との反応:塩、水、二酸化炭素を生じる。$\text{CO}_2$の泡立ちがカルボン酸の試験となる。
$$2\text{CH}_3\text{COOH} + \text{Na}_2\text{CO}_3 \rightarrow 2\text{CH}_3\text{COONa} + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2$$
カルボン酸が活性金属、アルカリ、炭酸塩と反応して指定された生成物を生じる枝分かれ図
カルボン酸は酸として振る舞う:金属と反応して塩(+ $_2$H)、アルカリと反応して塩(+ 水)、または炭酸塩と反応して塩(+ 水 + $_2$CO₂ — 泡立ちは検出試験となる)

2つの反応が官能基を変化させる:

  • アルコールとのエステル化(濃$\text{H}_2\text{SO}_4$触媒)によりエステルが生じる。
  • $\text{LiAlH}_4$による還元により第一アルコールが生じる。
Explore · ⁨探索⁩

Carboxylic acid reaction map · ⁨カルボン酸反応マップ⁩

Follow carboxylic acids through neutralisation, esterification and reduction. · ⁨中和、エステル化、還元の経路をカルボン酸を通じて追跡せよ。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
carboxylic acid/ˌkɑːbəkˈsɪlɪk ˈæsɪd/ カルボン酸
oxidation/ˌɒksɪˈdeɪʃn/ 酸化反応
alcohol/ˈælkəhɒl/ アルコール
aldehyde/ˈældɪhaɪd/ アルデヒドが得られる
reflux/ˈriːflʌks/ 還流
18.2

Esters · ⁨エステル⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English
  1. recall the reaction (reagents and conditions) by which esters can be produced: (a) the condensation reaction between an alcohol and a carboxylic acid with concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ as catalyst
  2. describe the hydrolysis of esters by dilute acid and by dilute alkali and heat
日本語
  1. エステルの生成反応(試薬および条件)を思い出す:(a) アルコールとカルボン酸の濃$\text{H}_2\text{SO}_4$ を触媒とする縮合反応
  2. 加水分解を希酸および希アルカリと加熱を用いて記述する

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English

An ester has the $\text{–COO–}$ group. It often smells sweet or fruity.

Making esters

An ester forms in a condensation 缩合 reaction between an alcohol and a carboxylic acid, with concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ as catalyst. A water molecule is lost, and the reaction is reversible:

$$\text{CH}_3\text{COOH} + \text{C}_2\text{H}_5\text{OH} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COOC}_2\text{H}_5 + \text{H}_2\text{O}$$

Hydrolysis of esters

Hydrolysis splits the ester back apart. The conditions change the products:

  • dilute acid and heat: reversible. Gives back the carboxylic acid and the alcohol.
  • dilute alkali and heat: not reversible. Gives the alcohol and the salt of the carboxylic acid (the carboxylate ion).

Worked example. Name the ester made from ethanol and propanoic acid, and say which part comes from which. In an ester name the alcohol gives the first word (the alkyl part) and the acid gives the second (the -oate part). Ethanol supplies $\text{C}_2\text{H}_5-$ and propanoic acid supplies $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{COO}-$, so the ester is ethyl propanoate, $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{COOC}_2\text{H}_5$. It is made by refluxing the two with a concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ catalyst, and the reaction is reversible, so the yield is never complete. The trap is naming it backwards: propyl ethanoate is a completely different ester (made from propan-1-ol and ethanoic acid). Alcohol first, acid second.

日本語

エステルは$\text{–COO–}$基を持つ。甘いまたは果実のような匂いがすることが多い。

装飾的なカットグラスの香水ボトル
エステルは多くの果実や香りの甘い匂いの原因となる

エステルの合成

エステルはアルコールとカルボン酸との縮合反応によって形成され、濃$\text{H}_2\text{SO}_4$を触媒とする。水分子が脱離し、反応は可逆的である:

$$\text{CH}_3\text{COOH} + \text{C}_2\text{H}_5\text{OH} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COOC}_2\text{H}_5 + \text{H}_2\text{O}$$
エステル化反応式:酸由来のOHとアルコール由来のHが水として脱離する原子として強調され、新たに形成されるエステル酸素結合が強調されている
エステル化は縮合反応である:酸由来の–OHとアルコール由来の–Hが水として脱離し、C–O–Cエステル結合を形成する

エステルの加水分解

加水分解によりエステルが再び分解される。条件によって生成物が異なる:

  • 希酸および加熱:可逆的。カルボン酸とアルコールが再生される。
  • 希アルカリおよび加熱:不可逆的。アルコールとカルボン酸の塩(カルボキシレートイオン)が生じる。
枝分かれ図:エステルが希酸によって加水分解されるとカルボン酸とアルコールが、希アルカリによって加水分解されるとカルボキシレート塩とアルコールが生じる
エステルの加水分解:希酸(可逆)はカルボン酸とアルコールを、希アルカリ(不可逆)はカルボキシレート塩とアルコールを生じる

** worked example.** エタノールとプロパノ酸から作られるエステル名を述べ、それぞれの由来となる部分を示せ。エステル名の付け方として、アルコールが最初の単語(アルキル基部分)、酸が2番目の単語(-oate部分)となる。エタノールは$\text{C}_2\text{H}_5-$を、プロパノ酸は$\text{CH}_3\text{CH}_2\text{COO}-$を提供するため、エステル名はプロピルプロパノエート、$\text{CH}_3\text{CH}_2\text{COOC}_2\text{H}_5$となる。これは濃$\text{H}_2\text{SO}_4$触媒を用いて還流して合成され、反応は可逆であるため収率は完全ではない。よくある間違いは逆顺で命名することである:エチルプロピルエートは全く異なるエステル(プロパン-1-オールと酢酸から作る)である。アルコールを先、酸を後にする。

Explore · ⁨探索⁩

Ester route lab · ⁨エステル合成実験室⁩

Follow ester formation and hydrolysis as reversible paths. · ⁨可逆反応としてのエステル形成および加水分解を追跡せよ。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
hydrolysis/haɪˈdrɒləsɪs/ 加水分解反応
nitrile/ˈnaɪtraɪl/ ニトリル
ester/ˈestə/ エステル
redox/rɪˈdɒks/ 酸化還元
salt/sɒlt/ 塩
neutralisation/ˌnjuːtrəlaɪˈzeɪʃn/ 中和反応
carbonate/ˈkɑːbəneɪt/ 炭酸塩
esterification/ˌestəˌrɪfɪˈkeɪʃn/ エステル化
reduction/rɪˈdʌkʃn/ 還元
condensation/kɒndenˈseɪʃn/ 縮合
18.2

Exam tips · ⁨試験対策⁩

English
  • Carboxylic acids react with carbonates to give $\text{CO}_2$ (fizzing) — this distinguishes them from phenols.
  • Explain acid strength via the delocalised carboxylate ion; electron-withdrawing groups (e.g. Cl) increase strength.
  • Esterification (with concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$) is reversible; name esters as alkyl alkanoate.
  • Know the products of acid vs alkaline hydrolysis of an ester (they differ).
日本語
  • カルボン酸は炭酸塩と反応して**$\text{CO}_2$**(泡立ち)を生じる——これがフェノールとの区別方法となる。
  • 非局在化したカルボキシレートイオンにより酸の強さを説明する。電子吸引基(例:Cl)则有强酸性。
  • エステル化(濃$\text{H}_2\text{SO}_4$を用いる)は可逆的であり、エステル名はアルキルアルカノエートと称する。
  • エステルの酸性加水分解とアルカリ性加水分解の生成物を知っておく(両者は異なる)。

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