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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 33 · ⁨トピック 33⁩

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8:08

カルボン酸及其衍生物(A2)

薬品棚を開けてアスピリンのパックを取ります。この錠剤はエステルです。ASでは小さな官能基の一つ、カルボキシル基に触れました。A2ではこれが3つの新しい…

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33.1

Carboxylic acids · ⁨カルボン酸⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English
  1. recall the reaction by which benzoic acid can be produced: (a) reaction of an alkylbenzene with hot alkaline $\text{KMnO}_4$ and then dilute acid, exemplified by methylbenzene
  2. describe the reaction of carboxylic acids with $\text{PCl}_3$ and heat, $\text{PCl}_5$ or $\text{SOCl}_2$ to form acyl chlorides
  3. recognise that some carboxylic acids can be further oxidised: (a) the oxidation of methanoic acid, $\text{HCOOH}$, with Fehling’s reagent or Tollens’ reagent or acidified $\text{KMnO}_4$ or acidified $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ to carbon dioxide and water (b) the oxidation of ethanedioic acid, $\text{HOOCCOOH}$, with warm acidified $\text{KMnO}_4$ to carbon dioxide
  4. describe and explain the relative acidities of carboxylic acids, phenols and alcohols
  5. describe and explain the relative acidities of chlorine-substituted carboxylic acids
日本語
  1. ベンゾ酸の生成反応を記憶せよ: (a) 熱い塩基性 $\text{KMnO}_4$ とアルキルベンゼンの反応、その後希酸処理(メチルベンゼンを例とする)
  2. カルボン酸が$\text{PCl}_3$および加熱、$\text{PCl}_5$、または$\text{SOCl}_2$と反応してアシルクロリドを形成する反応を説明する
  3. 有機酸の一部がさらに酸化されることを認識する: (a) フォルム酸 $\text{HCOOH}$ のフェーリング試薬、トレンス試薬、または酸性化された $\text{KMnO}_4$ や酸性化された $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ との反応による二酸化炭素と水への酸化 (b) グリコール酸 $\text{HOOCCOOH}$ の温かい酸性化 $\text{KMnO}_4$ との反応による二酸化炭素への酸化
  4. カルボン酸、フェノールおよびアルコールの 相対的な酸性 を説明・解説せよ
  5. クロロ置換カルボン酸の相対的な酸性を説明・解説せよ

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

English

Making and reacting

  • an alkylbenzene 烷基苯 (such as methylbenzene) is oxidised by hot alkaline $\text{KMnO}_4$, then dilute acid, to give benzoic acid 苯甲酸. The whole side-chain becomes a $\text{–COOH}$ group.
  • a carboxylic acid reacts with $\text{PCl}_3$ and heat, $\text{PCl}_5$, or $\text{SOCl}_2$ to form an acyl chloride 酰氯.

Acids that can be oxidised further

Two carboxylic acids 羧酸 are special because they can still be oxidised:

  • methanoic acid ($\text{HCOOH}$) is oxidised by Fehling's or Tollens' reagent, or acidified $\text{KMnO}_4$ / $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$, to carbon dioxide and water.
  • ethanedioic acid ($\text{HOOCCOOH}$) is oxidised by warm acidified $\text{KMnO}_4$ to carbon dioxide.

Relative acidities

The acidity 酸性 order is:

$$\text{alcohol} < \text{phenol} < \text{carboxylic acid}$$

A carboxylic acid is the strongest because, when it loses $\text{H}^+$, the negative charge is spread over two oxygen atoms, making the ion very stable. In a phenol 苯酚 the charge spreads only into the ring, and in an alcohol 醇 (giving $\text{RO}^-$) it is not spread at all.

Chlorine atoms make a carboxylic acid more acidic. Chlorine is electron-withdrawing 吸电子: through the inductive effect 诱导效应 it pulls electron density away, helping to spread the negative charge and stabilise the ion. So more chlorine atoms (closer to the $\text{–COOH}$) give a stronger acid.

日本語

全体および半分に切られたレモン *柑橘類は酸っぱい味这是因为它们含有柠檬酸,一种羧酸

合成と反応

  • アルキルベンゼン(メチルベンゼンなど)は、熱い塩基性の$\text{KMnO}_4$で酸化され、その後希酸を加えることで安息香酸を得る。側鎖全体が$\text{–COOH}$基に変化する。
  • カルボン酸が$\text{PCl}_3$と加熱、または$\text{PCl}_5$、$\text{SOCl}_2$と反応してアシル塩化物を生成する。
KMnO4溶液で加熱すると、環上のメチル側鎖がCOOH基に酸化され、安息香酸が生成される
熱いKMnO4はメチル側鎖をCOOH基へ酸化します

さらに酸化可能な酸

2つの カルボン酸 は、まだ酸化されるという点で特別である:

  • メタノール酸($\text{HCOOH}$)は、フェリング試薬やトレンス試薬、あるいは酸性化された $\text{KMnO}_4$ / $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ によって酸化され、二酸化炭素と水となる。
  • エタンジオール酸($\text{HOOCCOOH}$)は、温めた酸性の $\text{KMnO}_4$ によって酸化され、二酸化炭素となる。

酸度の比較

酸度 の順序は以下の通りである:

$$\text{alcohol} < \text{phenol} < \text{carboxylic acid}$$

カルボン酸が最も強いのは、$\text{H}^+$ を失うと負電荷が 2個 の酸素原子に分散するためイオンが非常に安定するからである。フェノール では電荷が環内にのみ分散し、アルコール($\text{RO}^-$ を形成)では全く分散しない。

下段にアルコール、中段にフェノール、上段にカルボン酸の3段階スケール。各陰イオンが負電荷をどの程度分散させるかを示す
アルコールからフェノール、そしてカルボン酸へと酸度は上昇する:共役塩基上の負電荷が分散すればするほどイオンは安定し、酸は強くなる

塩素原子はカルボン酸の 酸度を高める。塩素は 電子吸引性 であり、誘起効果 を通じて電子密度を引き寄せ、負電荷の分散を助け、イオンを安定させる。したがって、より多くの塩素原子($\text{–COOH}$ に近い位置にあるもの)を持つ方が酸は強くなる。

Explore · ⁨探索⁩

Carboxylic acid A2 map · ⁨カルボン酸A2マップ⁩

Follow carboxylic acids through acyl derivatives and salts. · ⁨カルボン酸からアシル誘導体や塩を通じて進める。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
carboxylic acid/ˌkɑːbəkˈsɪlɪk ˈæsɪd/ カルボン酸
acidity/æˈsɪdɪti/ 酸性度
phenol/ˈfenɒl/ フェノール
alcohol/ˈælkəhɒl/ アルコール
electron-withdrawing/ɪˈlektrɒn wɪθˈdrɔːɪŋ/ 電子吸引性
inductive effect/ɪnˈdʌktɪv ɪˈfekt/ 誘導効果
ester/ˈestə/ エステル
ammonia/æˈməʊnɪə/ アンモニア
amide/əˈmaɪd/ アミド
amine/ˈæmaɪn/ アミン
addition–elimination/əˈdɪʃn ɪˌlɪmɪˈneɪʃn/ 付加-脱離
hydrolysis/haɪˈdrɒləsɪs/ 加水分解反応
33.2

Esters · ⁨エステル⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English
  1. recall the reaction by which esters can be produced: (a) reaction of alcohols with acyl chlorides using the formation of ethyl ethanoate and phenyl benzoate as examples
日本語
  1. エステルの生成反応を記憶せよ: (a) アセチルクロリド(エチルアセテートおよびフェニルベンゾエートの生成を例とする)を用いたアルコールとの反応

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

English

An alcohol (or phenol) reacts with an acyl chloride at room temperature to give an ester 酯 and $\text{HCl}$. Examples are ethyl ethanoate (from ethanol) and phenyl benzoate (from phenol).

日本語

アルコール(またはフェノール)はアシルクロリドと常温で反応して エステル と $\text{HCl}$ を生成する。例として、エタノール由来のエチルエタノ酸エステル、およびフェノール由来のフェニル安息香酸エステルがある。

アスピリン錠のボトル
アスピリンはエステルであり、サリチル酸から合成される
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Ester A2 reaction map · ⁨エステル A2 反応マップ⁩

Compare ester formation, hydrolysis and transesterification routes. · ⁨エステル形成、加水分解、トランスエステル化の経路を比較せよ。⁩

33.3

Acyl chlorides · ⁨アシルクロリド⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English
  1. recall the reactions (reagents and conditions) by which acyl chlorides can be produced: (a) reaction of carboxylic acids with $\text{PCl}_3$ and heat, $\text{PCl}_5$ or $\text{SOCl}_2$
  2. describe the following reactions of acyl chlorides: (a) hydrolysis on addition of water at room temperature to give the carboxylic acid and $\text{HCl}$ (b) reaction with an alcohol at room temperature to produce an ester and $\text{HCl}$ (c) reaction with phenol at room temperature to produce an ester and $\text{HCl}$ (d) reaction with ammonia at room temperature to produce an amide and $\text{HCl}$ (e) reaction with a primary or secondary amine at room temperature to produce an amide and $\text{HCl}$
  3. describe the addition–elimination mechanism of acyl chlorides in reactions in 33.3.2(a)–(e)
  4. explain the relative ease of hydrolysis of acyl chlorides, alkyl chlorides and halogenoarenes (aryl chlorides)
日本語
  1. アシルクロリド の生成反応(試薬および条件)を記憶せよ: (a) カルボン酸の $\text{PCl}_3$ と加熱、または $\text{PCl}_5$ や $\text{SOCl}_2$ との反応
  2. 以下のアシルクロリドの反応を記述せよ: (a) 室温での水添加による加水分解でカルボン酸と $\text{HCl}$ を生成する (b) 室温でのアルコールとの反応でエステルと $\text{HCl}$ を生成する (c) 室温でのフェノールとの反応でエステルと $\text{HCl}$ を生成する (d) 室温でのアンモニアとの反応でアミドと $\text{HCl}$ を生成する (e) 室温での一次または二次アミンとの反応でアミドと $\text{HCl}$ を生成する
  3. 33.3.2(a)–(e)の反応におけるアシルクロリドの 付加-脱離メカニズム を説明せよ
  4. アシルクロリド、アルキルクロリドおよびハロゲン芳香族化合物(アリルクロリド)の加水分解の容易さの違いを説明せよ

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

English

Acyl chlorides are made from carboxylic acids (with $\text{PCl}_3$, $\text{PCl}_5$ or $\text{SOCl}_2$). They are very reactive. At room temperature they react with:

Reactant Product (plus $\text{HCl}$)
water the carboxylic acid
an alcohol an ester
phenol an ester
ammonia 氨 an amide 酰胺
a primary or secondary amine 胺 an amide

The addition–elimination mechanism

All these reactions follow an addition–elimination 加成消去 mechanism: a nucleophile first adds to the slightly positive carbonyl carbon, then $\text{HCl}$ is eliminated.

Ease of hydrolysis

Compare how easily three chlorides react with water (hydrolysis 水解):

$$\text{acyl chloride} \gg \text{alkyl chloride} \gg \text{aryl chloride}$$

An acyl chloride reacts violently with cold water; an alkyl chloride reacts slowly; an aryl chloride (halogenoarene) does not react, because its C–Cl bond is strengthened by the ring.

Worked example. Ethanoyl chloride reacts violently with cold water, while ethyl ethanoate needs prolonged reflux with acid or alkali. Explain the difference. Both are attacked at the carbonyl carbon, so compare how open that carbon is to attack and how good the leaving group is. In ethanoyl chloride the chlorine is strongly electronegative and withdraws electrons, making the carbonyl carbon much more $\delta+$ and so far more open to a nucleophile; and $\text{Cl}^{-}$, the anion of a strong acid, is a good leaving group. In the ester the $\text{–OR}$ oxygen donates a lone pair into the carbonyl, reducing that $\delta+$ charge, and $\text{RO}^{-}$ is a poor leaving group. So the acyl chloride hydrolyses far more easily. Argue from both the $\delta+$ on the carbon and the leaving group: either one alone is usually only half the marks.

日本語

アシルクロリドはカルボン酸($\text{PCl}_3$、$\text{PCl}_5$ または $\text{SOCl}_2$ を用いて)から作られる。非常に反応性が高い。常温で次のものとは反応する:

反応物 生成物(+ $\text{HCl}$ )
水 カルボン酸
アルコール エステル
フェノール エステル
-アンモニア -アミド
primary または secondary アミン アミド
中央にアシルクロリド、その周囲に水、アルコール、フェノール、アンモニア、アミンとの反応生成物を示す矢印
アシルクロリドは非常に反応性が高く、水、アルコール、フェノール、アンモニア、またはアミンと反応すると、指定された生成物 plus HCl が得られる

付加-脱離機構

これらの反応すべては 付加-脱離機構 に従う:求核剤がまずわずかに正電荷をもつカルボニル炭素に 付加 し、その後 $\text{HCl}$ が 脱離 する。

アシルクロリドの反応機構:求核剤がカルボニル炭素に付加して四面体型中間体を形成し、そこから塩化物イオンがHClとして脱離する過程
付加-脱離:求核剤が $\delta+$ カルボニル炭素に付加し、C=Oが再形成され、Cl$^-$ がHClとして脱離する

加水分解の容易さ

3つの塩化物が水と反応する容易さ(加水分解)を比較せよ:

$$\text{acyl chloride} \gg \text{alkyl chloride} \gg \text{aryl chloride}$$

アシルクロリドは冷水と激しく反応するが、アルキルクロリドはゆっくり反応し、アリルクロリド(ハロゲンアレン)は反応しない。これは、環によってC–Cl結合が強固になっているためである。

計算例。 エタノイルクロリドは冷水と激しく反応するが、エチルエタノ酸エステルは酸または塩基による長時間還流が必要である。その理由を説明せよ。両方とも カルボニル炭素 が攻撃されるので、その炭素が攻撃を受けやすいかどうか、および脱離基の性質を比較せよ。エタノイルクロリドでは、塩素が強く 電気陰性 であり電子を引き寄せるため、カルボニル炭素ははるかに $\delta+$ となり、求核剤による攻撃を受けやすくなる;さらに $\text{Cl}^{-}$ は強酸の陰イオンであり、良い脱離基 である。エステルでは、$\text{–OR}$ 酸素が非共有電子対をカルボニルに供与し、その $\delta+$ 電荷を減少させ、$\text{RO}^{-}$ は 悪い脱離基 である。したがってアシルクロリドの方がはるかに容易に加水分解する。炭素上の $\delta+$ と 脱離基の 両方の観点から議論すること:どちらか一方だけでは通常満点の半分しか得られない。

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Acyl chloride reaction map · ⁨アシル塩化物反応マップ⁩

Follow why acyl chlorides are reactive acylating agents. · ⁨アシル塩化物が反応性の高いアシル化剤となる理由を追う。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
alkylbenzene/ˈælkɪlbenziːn/ アルキルベンゼン
benzoic acid/benˈzəʊɪk ˈæsɪd/ ベンゾ酸
acyl chloride/əˈkɪl ˈklɔːraɪd/ アシルクロリド
33.3

Exam tips · ⁨試験対策⁩

English
  • Acyl chlorides are very reactive — learn their products with water (HCl), alcohols (esters), ammonia (amides) and amines.
  • Reactivity order of derivatives: acyl chloride > ester > amide.
  • Acid strength: electron-withdrawing groups (e.g. Cl) increase it — explain via the carboxylate ion.
日本語
  • アシルクロリド は非常に反応性が高い:水(HCl)、アルコール(エステル)、アンモニア(アミド)、アミンとの生成物を暗記すること。
  • 誘導体の反応性の順序:アシルクロリド > エステル > アミド 。
  • 酸の強さ:電子吸引基(例:Cl)は 強める :カルボキシラートイオンを用いて説明せよ。

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