$I$. Công thức tổng quát
- Este được tạo bởi axit cacboxylic no, đơn chức mạch hở và ancol no, đơn chức, mạch hở (este no, đơn chức, mạch hở): $C_mH_{2m+1}COOC_{m’}H_{2m’+1}$ hay $C_nH_{2n}O_2$ ($m$ ≥ $0$; $m’$ ≥ $1$; $n$ ≥ $2$ ).
- Este đa chức được tạo bởi axit cacboxylic đa chức và ancol đơn chức: $R(COOR’)_n$
- Este đa chức được tạo bởi axit cacboxylic đơn chức và ancol đa chức: $(RCOO)_nR’$
- Este đa chức được tạo bởi axit cacboxylic đa chức và ancol đa chức (cùng có $n$ nhóm chức): $R(COO)_nR’$
- Tóm lại, có thể đặt CTTQ của este : $C_xH_yO_z$ ($x, z$ ≥ $2$; $y$ là số chẵn, $2x$ ≥ $y$)
$II$.Các dạng bài tập về phản ứng thuỷ phân este
$1$. Thuỷ phân một este đơn chức
- Trong môi trường axit: Phản ứng xảy ra thuận nghịch
$RCOOR’ + HOH$ $\rightleftharpoons$ $RCOOH + R’OH$
- Trong môi trường kiềm (phản ứng xà phòng hoá): Phản ứng một chiều, cần đun nóng
$RCOOR’ + NaOH$ $\rightleftharpoons$ $RCOOH + R’OH$
Chú ý:
- Nếu $n_{NaOH( PƯ)}$ = $n_{Este}$ => Este đơn chức.
- Nếu $RCOOR’$ (este đơn chức), trong đó $R’$ là $C_6H_5^-$ hoặc vòng benzen có nhóm thế
=> $n_{NaOH}$phản ứng = $2n_{Este}$ và sản phẩm cho $2$ muối, trong đó có phenolat:
VD: $RCOOC_6H_5 + 2NaOH$ $\rightarrow$ $RCOONa + C_6H_5ONa + H_2O$
- Nếu $n_{NaOH(PƯ)}$ = $a$.$n_{este}$ ($a$ > $1$ và $R’$ không phải $C_6H_5^-$ hoặc vòng benzen có nhóm thế) => Este đa chức.
- Nếu phản ứng thuỷ phân este cho $1$ anđehit (hoặc xeton), ta coi như ancol (đồng phân với andehit) có nhóm $OH^-$ gắn trực tiếp vào liên kết $C=C$ vẫn tồn tai để giải và từ đó => CTCT của este.
- Nếu sau khi thủy phân thu được muối (hoặc khi cô cạn thu được chất rắn khan) mà $m_{muối}$ = $m_{este}$ + $m_{NaOH}$ thì este phải có cấu tạo mạch vòng (lacton):
- Nếu ở gốc hidrocacbon của $R’$, một nguyên tử $C$ gắn với nhiều gốc este hoặc có chứa nguyên tử halogen thì khi thủy phân có thể chuyên hóa thành andehit hoặc xeton hoặc axit cacboxylic
VD: $C_2H_5COOCHClCH_3 + NaOH$ $\rightarrow$ $C_2H_5COONa + CH_3CHO$
- Bài toán về hỗn hợp các este thì nên sử dụng phương pháp trung bình.
Ví dụ $1$: Thực hiện phản ứng xà phòng hoá chất hữu cơ $X$ đơn chức với dung dịch $NaOH$ thu được một muối $Y$ và ancol $Z$. Đốt cháy hoàn toàn $2,07$ gam $Z$ cần $3,024$ lít $O_2$ (đktc) thu được lượng $CO_2$ nhiều hơn khối lượng nước là $1,53$ gam. Nung $Y$ với vôi tôi xút thu được khí $T$ có tỉ khối so với không khí bằng $1,03$. CTCT của $X$ là:
A.$C_2H_5COOCH_3$ B.$CH_3COOC_2H_5$ C.$C_2H_5COOC_3H_7$ D.$C_2H_5COOC_2H_5$
Giải :
- Theo đề bài: $X$ đơn chức, tác dụng với $NaOH$ sinh ra muối và ancol => $X$ là este đơn chức: $RCOOR’$.
Mặt khác: $m_{X}$ + $m_{O_2}$ = $m_{CO_2}$ + $m_{H_2O}$ = $44.n_{CO_2}$ + $18.n_{H_2O}$ = $2,07 + (3,024/22,4).32 = 6,39$ gam
Và $44.n_{CO_2} - 18.n_{H_2O} = 1,53$ gam $n_{CO_2}$ = $0,09$ mol ;$n_{H_2O}$ = $0,135$ mol
$n_{H_2O}$ > $n_CO_2$ => $Z$ là ancol no, đơn chức, mạch hở có công thức: $C_nH_{2n+1}OH$ ($n$ ≥ $1$)
Từ phản ứng đốt cháy $Z$ => $\frac{nCO_2}{nH_2O}$ = $\frac{n}{n+1}$ = $\frac{0,09}{0,135}$ => $n = 2$.
$Y$ có dạng: $C_xH_yCOONa$ => $T$: $C_xH_{y+1}$ => $M_T$ = $12x + y + 1 = 1,03.29$
=> $\left\{ \begin{array}{l} x = 2\\ y = 6 \end{array} \right.$ => $C_2H_5COOC_2H_5$ => đáp án $D$
Ví dụ $2$: Đun $20,4$ gam một chất hữu cơ $A$ đơn chức với $300$ ml dung dịch $NaOH$ $1$M thu được muối $B$ và hợp chất hữu cơ $C$. Cho $C$ phản ứng với $Na$ dư thu được $2,24$ lit $H_2$ (đktc). Nung $B$ với $NaOH$ rắn thu được khí $D$ có tỉ khối đối với $O_2$ bằng $0,5$. Khi oxi hóa $C$ bằng $CuO$ được chất hữu cơ $E$ không phản ứng với $AgNO_3/NH_3$. Xác định CTCT của $A$?
A.$CH_3COOCH_2CH_2CH_3$ B. $CH_3COO-CH(CH_3)_2$
C.$C_2H_5COOCH_2CH_2CH_3$ D. $C_2H_5COOCH(CH_3)_2$
Giải:
Chất $C$ tác dụng với $Na$ sinh ra khí $H_2$ => $C$ là ancol. Oxi hóa $C$ ra $E$ không phản ứng với $AgNO_3$ => $C$ không là ancol bậc $1$. Các đáp án cho $A$ là Este đơn chức. Vậy $B$ là muối của $Na$.
Nung $B$ với $NaOH$ rắn tạo ra $D$ có $M_D$ = $32.0,5 = 16$. Vậy $D$ là $CH_4$ => Gốc $R$ trong $D$ là $CH_3^-$.
Đặt công thức của $A$ là $RCOOR’$
$CH_3COOR’ + NaOH => CH_3COONa + R’OH$
$R’OH + Na => R’ONa + H_2$
Ta có: $n_{H_2}$ = $0,1$ mol => $n_{Ancol}$ = $2.0,1 = 0,2$ mol
$n_{NaOH}$ = $0,3$ mol > $n_{Ancol}$ => $NaOH$ dư, este phản ứng hết.
=> $n_{Este}$ = $n_{Ancol}$ = $0,2$ mol => $M_{este}$ = $20,4/0,2 = 102$
=> $R’$ = $102 – 59 = 43$ => gốc $R’$ là $C_3H_7^-$ và ancol bậc $2$ => đáp án $B$
$2$. Thuỷ phân hỗn hợp các este
Ví dụ $3$: Một hỗn hợp $A$ gồm $2$ este đơn chức $X, Y$ ($M_X < M_Y$). Đun nóng $12,5$ gam hỗn hợp $A$ với một lượng dung dịch $NaOH$ vừa đủ thu được $7,6$ gam hỗn hợp ancol no $B$, đơn chức có khối lượng phân tử hơn kém nhau $14$ đvC và hỗn hợp hai muối $Z$. Đốt cháy $7,6$ gam $B$ thu được $7,84$ lít khí $CO_2$ (đktc) và $9$ gam $H_2O$. Phần trăm khối lượng của $X$, $Y$ trong hỗn hợp $A$ lần lượt là:
A.$59,2$%; $40,8$% B.$50$%; $50$% C.$40,8$%; $59,2$% D.$66,67$%; $33,33$%
Giải :
Từ đề bài => $A$ chứa $2$ este của $2$ ancol đồng đẳng kế tiếp
Đặt công thức chung của ancol là $C_nH_{2n+1}OH$
$n_{CO_2}$ = $7,84/22,4 = 0,35$ mol;$n_{H_2O}$ = $9/18 = 0,5$ mol => $n_B$ = $n_{H_2O}$ - $n_{CO_2}$ = $0,5 – 0,35 = 0,15$ mol
=> n = $\frac{nCO_2}{n_B}$ = 2,33. Vậy $B$ $\left\{ \begin{array}{l} C_2H_5OH ; 0,1mol\\ C_3H_7OH ; 0,05mol \end{array} \right.$
Đặt công thức chung của hai este là $RCOOR^'$ => $n_{este}$ = $n_{NaOH}$ = $n_{muối}$ = $n_Y$ = $0,15$ mol
=> $m_Z$ = $12,5 + 0,15.40 – 7,6 = 10,9$ g => $M_{muối}$ = $M_R$ + 67 = $\frac{10,9}{0,15}$ =72,67 => $M_R$ = $5,67$
Như vậy trong hai muối có một muối là $HCOONa$
Hai este $X$, $Y$ có thể là:
($I$)$\left\{ \begin{array}{l} HCOOC_2H_5\\ C_xH_yCOOC_3H_7 \end{array} \right.$ hoặc ($II$)$\left\{ \begin{array}{l} HCOOC_3H_7\\ C_xH_yCOOC_2H_5 \end{array} \right.$
- trường hợp ($I$) => $\left\{ \begin{array}{l} x = 1\\ y = 3 \end{array} \right.$
- trường hợp (II) => $12x + y = 8$ ( loại)
Vậy $A$ $\left\{ \begin{array}{l} X: HCOOC_2H_5 ; 59,2\\ Y: CH_3COOC_3H_7; 40,8 \end{array} \right.$ => đán án $A$
$3$. Thuỷ phân este đa chức
+ $R(COOR’)_n + nNaOH => R(COONa)_n + nR’OH$ , $n_{ancol}$ = $n$.$n_{muối}$
+ $(RCOO)_nR’ + nNaOH => nRCOONa + R’(OH)_n$ , $n_{muối}$ = $n$.$n_{ancol}$
+ $R(COO)_nR’ + nNaOH => R(COONa)_n + R’(OH)_n$ , $n_{ancol}$ = $n_{muối}$
Ví dụ $4$: Cho $0,01$ mol một este $X$ của axit hữu cơ phản ứng vừa đủ với $100$ ml dung dịch $NaOH$ $0,2$ M, sản phẩm tạo thành chỉ gồm một ancol $Y$ và một muối $Z$ với số mol bằng nhau. Mặt khác, khi xà phòng hoá hoàn toàn $1,29$ gam este đó bằng một lượng vừa đủ là $60$ ml dung dịch $KOH$ $0,25$M, sau khi phản ứng kết thúc đem cô cạn dung dịch được $1,665$ gam muối khan. Công thức của este $X$ là:
A. $C_2H_4(COO)_2C_4H_8$ B. $C_4H_8(COO)_2C_2H_4$ C.$C_2H_4(COOC_4H_9)_2$ D. $C_4H_8(COOC_2H_5)_2$
Giải:
Ta có: $n_Z$ = $n_Y$ => $X$ chỉ chứa chức este
Sỗ nhóm chức este là: $\frac{nNaOH}{n_X}$ = $\frac{0,1*0,2}{0,01}$ = $2$ => CT của $X$ có dạng: $R(COO)_2R’$
Từ phản ứng thủy phân: $n_{axit}$ = $n_{muối}$ = $1/2n_{KOH}$ = $1/2.0,06.0,25 = 0,0075$ mol
=> $M_{muối}$ = $M_R$ + $83.2$ =$\frac{1,665}{0,0075}$ = $222$ => $M_R$ = $56$ => $R$ là: -$C_4H_8$-
$M_{este}$ = $\frac{1,29}{0,0075}$ = $172$ => $R + 2.44 + R’ = 172$ => $R’ = 28$ (-$C_2H_4$-)
Vậy $X$ là: $C_4H_8(COO)_2C_2H_4$ => đáp án $B$
$III$ BÀI TẬP TỰ LUYỆN
Câu $1$: $X$ là một chất hữu cơ đơn chức có $M = 88$. Nếu đem đun $2,2$ gam $X$ với dung dịch $NaOH$ dư, thu được $2,75$ gam muối. Công thức cấu tạo thu gọn của chất nào sau đây phù hợp với $X$:
A.$HCOOCH_2CH_2CH_3$ B.$CH_3CH2CH_2COOH$.
C.$C_2H_5COOCH_3$. D.$HCOOCH(CH_3)_2$
Câu $2$: $X$ là một este no đơn chức, có tỉ khối hơi đối với $CH_4$ là $5,5$. Nếu đem đun $2,2$ gam este $X$ với dung dịch $NaOH$ (dư), thu được $2,05$ gam muối. Công thức cấu tạo thu gọn của $X$ là:
A.$C_2H_5COOCH_3$. B.$HCOOCH_2CH_2CH_3$.
C.$CH_3COOC_2H_5$ D.$HCOOCH(CH_3)_2$
Câu $3$: Cho $20$ gam chất hữu cơ $X$ (chỉ chứa $C, H, O$ và một loại nhóm chức) có tỉ khối hơi so với $O_2$ bằng $3,125$, tác dụng với $0,3$ mol $NaOH$. Cô cạn dung dịch sau phản ứng thu được $23,2$ gam bã rắn. CTCT của $X$ có thể là:
A.$CH_3COOCH=CH-CH_3$. B.$C_2H_5COOCH=CH_2$.
C.$CH_2CH=CHCOOCH_3$ D.$CH_2=CHCOOC_2H_5$.
Câu $4$: Đun nóng $0,1$ mol este no, đơn chức mạch hở $X$ với $30$ ml dung dịch $20$% ($D = 1,2$ g/ml) của một hiđroxit kim loại kiềm $A$. Sau khi kết thúc phản ứng xà phòng hoá, cô cạn dung dịch thì thu được chất rắn $Y$ và $4,6$ gam ancol $Z$, biết rằng $Z$ bị oxi hoá bởi $CuO$ thành sản phẩm có khả năng phản ứng tráng bạc. Đốt cháy chất rắn $Y$ thì thu được $9,54$ gam muối cacbonat, $8,26$ gam hỗn hợp $CO_2$ và hơi nước. Công thức cấu tạo của $X$ là:
A.$CH_3COOCH_3$ B.$CH_3COOC_2H_5$ C.$HCOOCH_3$ D.$C_2H_5COOCH_3$
Câu $5$: Thuỷ phân $11,18$ gam este $X$ đơn chức, mạch hở (có xúc tác axit) đến khi phản ứng hoàn toàn thu được hỗn hợp hai chất hữu cơ $Y$ và $Z$. Cho $Y, Z$ phản ứng với dung dịch $AgNO_3/NH_3$ dư thu được $56,16$ gam $Ag$. Công thức cấu tạo của $X$ là:
A.$HCOOC(CH_3)=CH_2$ B.$CH_3COOCH=CH_2$
C.$HCOOCH=CHCH_3$ D.$HCOOCH_2CH=CH_2$
Câu $6$: Este $X$ no đơn chức để lâu ngày bị thuỷ phân một phần tạo ra $2$ chất hữu cơ $Y$ và $Z$. Muốn trung hoà lượng axit tạo ra từ $13,92$ gam $X$ phải dùng $15$ ml dung dịch $NaOH$ $0,5$M. Để xà phòng hoá lượng este còn lại phải dùng thêm $225$ ml dung dịch $NaOH$ $0,5$M. Nếu oxi hoá $Y$ sẽ được một anđehit có mạch phân nhánh. Khi hoá hơi $0,4$ gam $Z$ được thể tích bằng thể tích của $0,214$ gam $O_2$. Công thức este $X$ là:
A.$CH_3COOCH_2CH_2CH_2CH_3$ B.$CH_3COOCH_2CH(CH_3)_2$
C.$CH_3COOCH(CH_3)CH_2CH_3$ D.$C_2H_5COOCH_2CH(CH_3)_2$
Đáp án :
$1B 2A 3B 4A 5C 6B$