Карбоновые кислоты - органические вещества, молекулы которых содержат одну или несколько карбоксильных групп.

Карбоксильная группа (сокращенно —COOH) - функциональная группа карбоновых кислот - состоит из карбонильной группы и связанной с ней гидроксильной группы.

По числу карбоксильных групп карбоновые кислоты делятся на одноосновные, двухосновные и т.д.

Общая формула одноосновных карбоновых кислот R—COOH. Пример двухосновной кислоты - щавелевая кислота HOOC—COOH.

По типу радикала карбоновые кислоты делятся на предельные (например, уксусная кислота CH 3 COOH), непредельные [например, акриловая кислота CH 2 =CH—COOH , олеиновая CH 3 —(CH 2) 7 —CH=CH—(CH 2) 7 —COOH] и ароматические (например, бензойная C 6 H 5 —COOH).

Изомеры и гомологи

Одноосновные предельные карбоновые кислоты R—COOH являются изомерами сложных эфиров (сокращенно R"—COOR"") с тем же числом атомов углерода. Общая формула и тех, и других C n H 2n O 2 .

г	HCOOH метановая (муравьиная)
	CH 3 COOH этановая (уксусная)		HCOOCH 3 метиловый эфир муравьиной кислоты
	CH 3 CH 2 COOH пропановая (пропионовая)		HCOOCH 2 CH 3 этиловый эфир муравьиной кислоты	CH 3 COOCH 3 метиловый эфир уксусной кислоты
	CH 3 (CH 2) 2 COOH бутановая (масляная)	2-метилпропановая	HCOOCH 2 CH 2 CH 3 пропиловый эфир муравьиной кислоты	CH 3 COOCH 2 CH 3 этиловый эфир уксусной кислоты	CH 3 CH 2 COOCH 3 метиловый эфир пропионовой кислоты
	и з о м е р ы

Алгоритм составления названий карбоновых кислот

1. Найдите главную углеродную цепь - это самая длинная цепь атомов углерода, включающая атом углерода карбоксильной группы.
2. Пронумеруйте атомы углерода в главной цепи, начиная с атома углерода карбоксильной группы.
3. Назовите соединение по алгоритму для углеводородов.
4. В конце названия допишите суффикс "-ов", окончание "-ая" и слово "кислота".

В молекулах карбоновых кислот p -электроны атомов кислорода гидроксильной группы взаимодействуют с электронами -связи карбонильной группы, в результате чего возрастает полярность связи O—H, упрочняется -связь в карбонильной группе, уменьшается частичный заряд (+) на атоме углерода и увеличивается частичный заряд (+) на атоме водорода.

Последнее способствует образованию прочных водородных связей между молекулами карбоновых кислот.

Физические свойства предельных одноосновных карбоновых кислот в значительной степени обусловлены наличием между молекулами прочных водородных связей (более прочных, чем между молекулами спиртов). Поэтому температуры кипения и растворимость в воде у кислот больше, чем у соответствующих спиртов.

Химические свойства кислот

Упрочнение -связи в карбонильной группе приводит к тому, что реакции присоединения для карбоновых кислот нехарактерны.

1. Горение:
   

   CH 3 COOH + 2O 2 2CO 2 + 2H 2 O

2. Кислотные свойства.
   Из-за высокой полярности связи O-H карбоновые кислоты в водном растворе заметно диссоциируют (точнее, обратимо с ней реагируют):

   HCOOH HCOO - + H + (точнее HCOOH + H 2 O HCOO - + H 3 O +)

   
   Все карбоновые кислоты - слабые электролиты. С увеличением числа атомов углерода сила кислот убывает (из-за снижения полярности связи O-H); напротив, введение атомов галогена в углеводородный радикал приводит к возрастанию силы кислоты. Так, в ряду

   HCOOH CH 3 COOH C 2 H 5 COOH

   
   сила кислот снижается, а в ряду

   Возрастает.

   Карбоновые кислоты проявляют все свойства, присущие слабым кислотам:

   Mg + 2CH 3 COOH (CH 3 COO) 2 Mg + H 2
   CaO + 2CH 3 COOH (CH 3 COO) 2 Ca + H 2 O
   NaOH + CH 3 COOH CH 3 COONa + H 2 O
   K 2 CO 3 + 2CH 3 COOH 2CH 3 COOK + H 2 O + CO 2

3. Этерификация (реакция карбоновых кислот со спиртами, приводящая к образованию сложного эфира):
   
   В реакцию этерификации могут вступать и многоатомные спирты, например, глицерин. Сложные эфиры, образованные глицерином и высшими карбоновыми кислотами (жирными кислотами) - это жиры.

   Жиры представляют собой смеси триглицеридов. Предельные жирные кислоты (пальмитиновая C 15 H 31 COOH, стеариновая C 17 H 35 COOH) образуют твердые жиры животного происхождения, а непредельные (олеиновая C 17 H 33 COOH, линолевая C 17 H 31 COOH и др.) - жидкие жиры (масла) растительного происхождения.

4. Замещение в углеводородном радикале:
   
   Замещение протекает в -положение.

   Особенность муравьиной кислоты HCOOH состоит в том, что это вещество - двуфункциональное соединение, оно одновременно является и карбоновой кислотой, и альдегидом:
   
   Поэтому муравьиная кислота кроме всего прочего реагирует и с аммиачным раствором оксида серебра (реакция серебряного зеркала; качественная реакция):
   

   HCOOH + Ag 2 O(аммиачный раствор) CO 2 + H 2 O + 2Ag

Получение карбоновых кислот

Карбоновые кислоты сегодня используют во многих отраслях производства. Из них делают различные типы пластика и волокон, лекарства и моющие средства, их используют в качестве консервантов в пищевой и косметической промышленностях. Этот перечень можно продолжать очень долго. Однако и в природе органические кислоты встречаются повсеместно: в растениях, грибах, насекомых, животных, а также в продуктах их жизнедеятельности. Именно поэтому важно понимать, с чем имеешь дело, когда сталкиваешься с названием одной из них.

Карбоновыми кислотами являются органические соединения, в составе которых имеется хотя бы одна группа атомов -СООН, называемая карбоксильной. Номенклатура карбоновых кислот не кажется такой уж сложной, если имеешь представление о многообразии веществ этого класса и понимаешь принципы составления названий любых органических веществ.

Функциональная группа

Особенность карбоксильной группы заключается в том, что ее свойства почти не зависят от особенностей строения углеродного скелета молекулы кислоты, а также от наличия или отсутствия в группе заместителей.

Ее можно рассматривать как сложную группу, состоящую из двух простых: карбонила >С=О и гидроксила -ОН, влияющих друг на друга. Электронная плотность при этом смещается в сторону карбонильного кислорода и вызывает дополнительную поляризацию связи О-Н в гидроксогруппе. Вследствие этого на кислороде карбонила образуется избыточный отрицательный, а на водороде гидроксила - положительный заряды. Это приводит к появлению водородных связей между соседними молекулами кислот, а также возникновению димеров и ассоциатов. Именно этим объясняют их завышенные температуры кипения.

Классификация органических кислот

Прежде чем начинать разбираться в особенностях номенклатуры соединений этого класса, нужно сформировать представление о том, какими они бывают.

По типу углеводородного скелета:

• предельные - атомы С в молекуле кислоты связаны простыми одинарными связями;
• непредельные - в углеводородной цепи имеются С=С или С≡С;
• ароматические - в составе молекулы карбоновой кислоты имеется бензольное кольцо.

По числу групп -СООН:

• одноосновные - содержат одну группу;
• двухосновные - две;
• многоосновные - три и более группы -СООН.

Изомерия

Изомерия и номенклатура карбоновых кислот тесно связаны. Ведь у соединений с одинаковым составом, но имеющим различное строение, и названия будут отличаться. Для большинства карбоновых кислот типична структурная изомерия. Так, составу С 5 Η 10 О 2 соответствуют кислоты:

• пентановая СΗ 3 ―СΗ 2 ― СΗ 2 ―СΗ 2 ―СООΗ;
• 2-метилбутановая СΗ 3 ―СΗ 2 ―СΗ(СΗ 3)―СООΗ.

Если в молекулах имеются С=С или С≡С, то для них возможна изомерия положения. Например, 3-бутеновая и 2-бутеновая кислоты: СΗ 2 =СΗ―СΗ 2 ―СООΗ и СΗ 3 ―СΗ=СΗ―СООΗ.

Межклассовая изомерия также возможна. Карбоновым кислотам изомерны непредельные двухатомные спирты, гидроксикарбонильные соединения и сложные эфиры. Например, пентановой кислоте С 3 Н 9 -СООН соответствует несколько сложных эфиров:

• С 2 Η 5 ―СО―О―С 2 Η 5 ;
• СΗ 3 ―СО―О―С 3 Η 7 .

Кроме того, для молекул органических кислот характерна пространственная изомерия.

Тривиальная номенклатура

Самой первой номенклатурой карбоновых кислот была именно тривиальная. Названия, которые давались соединениям, никак не отображали особенностей строения молекулы, зато давали представление о том, где вещества содержатся или используются:

• муравьиная (НСООН) содержится в муравьях и вызывает жжение при их укусе;
• уксусная (СΗ 3 СООΗ) образуется в процессе превращения вина в уксус;
• масляная (С 3 Η 7 СООΗ) появляется в сливочном масле, когда оно становится прогорклым, и обуславливает его специфический запах;
• капроновая (С 5 Η 11 СООН) содержится в козьем молоке (от латинского caper - коза);
• яблочную (С 4 Н 6 О 5) назвали в соответствии с фруктом, в котором ее обнаружили;
• лимонная (С 6 Н 8 О 7) содержится в большом количестве в лимонах и других цитрусовых;
• винная (С 4 Н 6 О 6) образуется в скисшем соке большинства фруктов;
• салициловая (С 6 Η 4 (ОΗ)СООΗ) впервые получена из коры ивы (от латинского salix - ива).

И сегодня чаще всего употребляются названия, соответствующие именно тривиальной номенклатуре карбоновых кислот. Для молекул с более сложной структурой к тривиальному названию добавляют наименование заместителей.

Если в конце цепи имеется разветвление в виде метильной группы -СН 3 , то к названию кислоты добавляют приставку изо-: изовалериановая, изомасляная и др.

Если разветвления имеются в другой части углеродной цепи, то расположение присоединенной группы обозначают соответствующими прописными буквами греческого алфавита:

θ С― η С― ζ С― ε С― δ С― γ С― β С― α С―СООН

Пример. Назовите соединение СΗ 3 ―СΗ 2 ―СΗ(С 2 Η 5)―СΗ 2 ―СООΗ по тривиальной номенклатуре.

1. Последовательно обозначаются атомы С в главной цепи: δ СΗ 3 ― γ СΗ 2 ― β СΗ(С 2 Η 5)― α СН 2 ―СООН.
2. Записываются названия заместителей и буквами указывается их положение: β-этил.
3. Записывается тривиальное название органической кислоты, соответствующее главной цепи, в данном случае валериановая: β-этилвалериановая кислота.

Номенклатура ИЮПАК

По систематической номенклатуре карбоновые кислоты называют, используя следующие правила:

1. Выбирают главную углеводородную цепь, обязательно включающую карбоксильную группу. Как правило, она бывает самой длинной и включает максимально возможное число заместителей, функциональных групп, С=С и С≡С при их наличии.
2. Атомам С в главной цепочке присваивают последовательно номера, начиная с углерода в группе -СООН: 4 С- 3 С- 2 С- 1 СООН.
3. Название начинают составлять с перечисления заместителей в алфавитном порядке. Для этого цифрой отмечают положение заместителя (с каким атомом С из главной цепи он соединен) и через дефис записывают его название. Если содержится несколько однотипных заместителей, то их расположение указывают цифрами через запятую, а к названию приписывают умножающую приставку ди, три, тетра и т. д. Умножающая приставка на алфавитный порядок не влияет.
4. Длину цепи отражают названием соответствующего углеводорода (бутан, гексан, октан).
5. На присутствие карбоксильной функциональной группы -СООН указывают добавлением в конце записи -овая кислота.

5 СΗ 3 - 4 СΗ 2 - 3 СΗ(С 2 Η 5)- 2 СΗ 2 - 1 СООΗ 3-этилпентановая кислота

4 СН 3 - 3 СН(СН 3)- 2 С(СН 3) 2 - 1 СООН 2,2,3-триметилбутановая кислота

Пример: Назовите по систематической номенклатуре карбоновую кислоту СΗ 3 -СΗ(СΗ 3)―СН(С 2 Η 5)―СН 2 ―СООН.

1. Нумеруются атомы С в главной цепи: 5 СΗ 3 - 4 СΗ(СΗ 3)- 3 СΗ(С 2 Η 5)- 2 СΗ 2 - 1 СООН.
2. Записываются названия заместителей, и цифрами указываются их положения: 4-метил-3-этил.
3. Записывается название отвечающего главной цепи углеводорода. Пять атомов углерода - пентан: 4-метил-3-этилпентан.
4. Указывая на наличие -СООН, записывают -овая кислота: 4-метил-3-этилпентановая кислота.

Рациональная номенклатура

По правилам рациональной номенклатуры названия образуют из радикала, а точнее, соответствующего ему углеводорода, связанного с карбоксильной группой и словосочетания "карбоновая кислота":

• СΗ 3 -СООΗ метанкарбоновая кислота;
• С 3 Η 7 СООΗ пропанкарбоновая кислота;
• С 5 Η 11 СООΗ пентанкарбоновая кислота.

Иногда за основу названия берут уксусную кислоту и указывают присоединенные к ней радикалы:

• СΗ 3 ―СН 2 ―СООН метилуксусная кислота;
• СΗ 3 ―СΗ 2 ―СΗ(СΗ 3)―СООΗ метилэтилуксусная.

Однако называть соединения со сложными разветвленными молекулами бывает проблематично. Поэтому карбоновых кислот применяется редко.

Непредельные и ароматические карбоновые кислоты

За основу номенклатуры непредельных карбоновых кислот берут соответствующий алкен, алкин или диен и добавляют окончание -овая кислота. Нумерацию углерода в главной цепочке начинают с карбоксильной группы, а положение кратной связи записывают соответствующей цифрой:

• СΗ 2 =СΗ―СΗ 2 ―СООΗ 3-бутеновая кислота;
• СН 3 ―С≡С―СООН 2-бутиновая кислота.

Ароматические кислоты чаще всего называют производными бензойной кислоты. Например, м-метилбензойная кислота, п-бромбензойная кислота. Согласно наличие бензольного кольца отражают приставкой "фенил-".

Многоосновные карбоновые кислоты

От номенклатуры одноосновных карбоновых кислот составление с двумя и более группами -СООН отличается незначительно. В основе названия двухосновных кислот также стоит соответствующий углеводород, но перед окончанием -овая кислота записывается умножающая приставка ди. Например,

• СООН―СН 2 ―СН 2 ―СООН бутандиовая кислота;
• СООН―СН(СН 3)―СООН 2-метилпропандиовая кислота.

Если в молекуле содержится больше двух карбоксильных групп, то они уже обозначаются приставкой " карбокси-":

НООС-СН(СООН)-СООН 2-карбоксипропандиовая кислота.

Кислотные остатки и сложные эфиры

Эфиров различных карбоновых кислот в природе очень много. Это и жиры, и воски, и душистые вещества фруктов и цветов. Все они содержат сложноэфирную функциональную группу -СОО-. Существует два подхода к номенклатуре сложных эфиров карбоновых кислот.

В первом случае сначала записывают название радикала, занявшего место водорода в карбоксильной группе, а затем название кислотного остатка:

• СН 3 ―СОО―С 2 Η 5 этилацетат;
• НСОО―СН 3 метилформиат.

Во втором случае к названию радикала добавляют -овый эфир и записывают тривиальное наименование кислоты в родительном падеже:

• С 3 Н 5 ―СОО―СΗ 3 метиловый эфир масляной кислоты;
• СΗ 3 ―СОО―С 2 Η 5 этиловый эфир уксусной кислоты.

Названия карбоновых кислот и их остатков

Для того чтобы назвать любую органическую кислоту по правилам ИЮПАК, нужно знать всего несколько правил. Они уже рассматривались выше. Однако тривиальные названия кислот и наименования их остатков приходится заучивать или пользоваться шпаргалкой.

Подводя итог, можно отметить, что строение, изомерия, номенклатура карбоновых кислот рассмотрены выше довольно подробно. И после внимательного изучения материала не должно остаться вопросов о том, как правильно назвать ту или иную органическую кислоту. И напротив, услышав или прочитав на этикетке научное название вещества, можно сопоставить его с тривиальным и сделать для себя вывод о его вредности или безопасности.

Карбоновыми кислотами называют производные углеводородов, содержащие одну или несколько карбоксильных групп.

Число карбоксильных групп характеризует основность кислоты.

В зависимости от количества карбоксильных групп карбоновые кислоты подразделяются на одноосновные карбоновые кислоты (содержат одну карбоксильную группу), двухосновные (содержат две карбоксильные группы) и многоосновные кислоты.

В зависимости от вида радикала, связанного с карбоксильной группой, карбоновые кислоты делятся на предельные, непредельные и ароматические. Предельные и непредельные кислоты объединяют под общим названием кислоты алифатического или жирного ряда.

1. Одноосновные карбоновые кислоты

1.1 Гомологический ряд и номенклатура

Гомо­логический ряд одноосновных предельных карбоновых кислот (иногда их называют жирными кислотами) начинается с муравьиной кислоты

Формула гомологического ряда

Номенклатура ИЮПАК разрешает сохранять для многих кислот их тривиальные названия, которые обычно указывают на природный источник, из которого была выделена та или иная кислота, например, муравьиная, уксусная, масляная, валериановая и т.д.

Для более сложных случаев названия кислот производят от названия уг­леводородов с тем же числом атомов углерода, что и в молеку­ле кислоты, с добавлением окончания -овая и слова кислота. Муравьиная кислота Н-СООН называется метановой кисло­той, уксусная кислота СН 3 -СООН - этановой кислотой и т. д.

Таким образом, кислоты рассматриваются как производные углеводородов, одно звено которых превращено в карбоксил:

При составлении названий кислот с разветвленной цепью по рациональной номенклатуре их рассматривают как производные уксусной кислоты, в молекуле которой атомы водорода замещены радикалами, например, триметилуксусная кислота (СН 3) 3 С – СООН.

1.2 Физические свойства карбоновых кислот

Только с чисто формальных позиций можно рассматривать карбоксильную группу как комбинацию карбонильной и гидроксильной функций. Фактически их взаимное влияние друг на друга таково, что полностью изменяет их свойства.

Обычная для карбонила поляризация двойной связи С=0 сильно возрастает за счет дополнительного стягивания свобод­ной электронной пары с соседнего атома кислорода гидроксильной группы:

Следствием этого является значительное ослабление связи О-Н в гидроксиле и легкость отщепления атома водорода от него в виде протона (Н +). Появление пониженной электронной плотности (δ+) на центральном углеродном атоме карбоксила приводит также к стягиванию σ-электронов соседней связи С-С к карбоксильной группе и появлению (как у альдегидов и кетонов) пониженной электронной плотности (δ +) на α-углеродном атоме кислоты.

Все карбоновые кислоты обладают кислой реакцией (обна­руживается индикаторами) и образуют соли с гидроксидами, оксидами и карбонатами металлов и с активными метал­лами:

Карбоновые кислоты в большинстве случаев в водном растворе диссоциированы лишь в малой степени и являются слабыми кислотами, значительно уступая таким кислотам, как соляная, азотная и серная. Так, при растворении одного моля в 16 л воды степень диссоциации муравьиной кислоты равна 0,06, уксусной кислоты - 0,0167, в то время как соля­ная кислота при таком разбавлении диссоциирована почти полностью.

Для большинства одноосновных карбоновых кислот рК а = 4,8, только муравьиная кислота имеет меньшую величи­ну рК а (около 3,7), что объясняется отсутствием электронодонорного эффекта алкильных групп.

В безводных минеральных кислотах карбоновые кислоты протонируются по кислороду с образованием карбкатионов:

Сдвиг электронной плотности в молекуле недиссоцииро­ванной карбоновой кислоты, о котором говорилось выше, по­нижает электронную плотность на гидроксильном атоме кис­лорода и повышает ее на карбонильном. Этот сдвиг еще боль­ше увеличивается в анионе кислоты:

Результатом сдвига является полное выравнивание заря­дов в анионе, который фактически существует в форме А - резонанс карбоксилат-аниона.

Первые четыре представителя ряда карбоновых кислот - подвижные жидкости, смешивающиеся с водой во всех отно­шениях. Кислоты, в молекуле которых содержится от пяти до девяти атомов углерода (а также изомасляная кислота), - маслянистые жидкости, растворимость их в воде невелика.

Высшие кислоты (от С 10) - твердые тела, практически не­растворимы в воде, при перегонке в обычных условиях они разлагаются.

Муравьиная, уксусная и пропионовая кислоты имеют ост­рый запах; средние члены ряда обладают неприятным запа­хом, высшие кислоты запаха не имеют.

На физических свойствах карбоновых кислот сказывается значительная степень ассоциации вследствие образования во­дородных связей. Кислоты образуют прочные водород­ные связи, так как связи О-Н в них сильно поляризованы. Кроме того, карбоновые кислоты спо­собны образовывать водородные связи с участием атома кисло­рода карбонильного диполя, обладающего значительной электроотрицательностью. Действительно, в твердом и жидком со­стоянии карбоновые кислоты существуют в основном в виде циклических димеров:

Такие димерные структуры сохраняются в некоторой степе­ни даже в газообразном состоянии и в разбавленных растворах в неполярных растворителях.

Органические соединения с карбоксильной группой CООH часто встречаются в природе и быту. Без их производных мы не может выжить, а без всем известного уксуса не представляем себе жизни. Без них невозможно получить многих веществ, к которым мы привыкли в быту. Какие химические свойства карбоновых кислот, какие их виды существуют в природе, как их получить, где они применяются и с какими веществами реагируют, рассмотрим в этой статье.

Все они имеют кислые свойства, потому что эта группа легко отщепляет протон. Вещества содержат углеводородный радикал. По нему и называется соединение: например - CH 3 – CH 2 – COOH - пропановая. Формула карбоновых кислот - R – СООН, где R - это углеводородный радикал.

Общая формула

В зависимости от углеводородного радикала, который связывается с карбоксильной группой, существует такая классификация этих веществ:

• Ароматические. Они имеют ароматический радикал, простейшая из них - бензойная.
• Алифатические (все соединения, не содержащие ароматической группы), в том числе ациклические (с открытой цепью) и замкнутые. Существуют предельные карбоновые кислоты (насыщенные) и непредельные (ненасыщенные, имеющие двойные и тройные связи). К ним относят уксусную, капроновую и др.
• Алициклические содержат замкнутые кольца атомов углерода с разной степенью насыщенности.
• Гетероциклические. В них наряду с углеродом входят атомы других элементов.

Существует классификация карбоновых кислот по количеству атомов углерода: одноосновные, двухосновные и многоосновные.

Названия

Все названия соединений с карбоксильной группой образуются по наименованию углеводорода, например:

• метановая (от углеводорода метана СН 4 образовалась кислота НСООН - метановая);
• этановая - СН 3 COOH;
• пропановая - С 2 Н 5 COOH;
• ​2-этилбутановая - CH 3 – CH 2 – CH – CH 2 – CH 3 СOOH.

Но некоторые кислотные соединения имеют исторические, то есть тривиальные названия:

• муравьиная - HCOOH;
• уксусная - CH 3 COOH;
• пропионовая - C 2 H 5 СООН;
• масляная - С 3 Н 7 СOOH;
• капроновая - С 6 Н 13 COOH;
• стеариновая - С 17 Н 35 СOOH;
• CH 2 =CH — CОOH - акриловая;
• СH 3 - (CH 2) 7 - CH=CН - (CH 2)7 - COOН - олеиновая;
• HООC - CООH - щавелевая.

Необходимо помнить, что такоеназвание употребляется наряду с основным.

Названия

Физические свойства

При знакомстве с классом карбоновые кислоты физические свойстваэтих веществ очень важны.

1. Одноосновные кислоты имеют намного более высокую температуру плавления и кипения, чем у соответствующих углеводородов и спиртов. Так, температура плавления НСООН немногим выше 8 градусов, а кипения - более 100 градусов. Разветвленные изомеры имеют температуру плавления ниже.
2. Хорошая растворимость в воде. С увеличением числа атомов углерода этот показатель снижается: так, в 100 г воды растворяется всего лишь 15 мг С 9 Н 19 СООН. Все кислотные соединения с углеродным числом более 10 практически не растворяются в воде.
3. Низшие соединения являют собой подвижные легкие жидкости с резким запахом; бутановая (масляная) кислота имеет запах горького масла.
4. Вещества из рассматриваемого класса с количеством атомов С от 4 до 9 - маслянистые.
5. Соединения с большим количеством атомов С - твердые.

Применяя карбоновые кислоты, физические свойстваих нужно учитывать в работе.

Физические свойства

Химические свойства

Химические свойства карбоновых кислот такие же, что и у неорганических;

1. Диссоциация в воде. Образуется ион водорода и карбоксилат ион. Наиболее сильной является метановая. Другие соединения имеют среднюю силу. Она уменьшается по мере роста атомов С.
2. Реакция с металлами: 2НСООН + → ()2 + 2.
3. Реакция с щелочами: → 3 + 2.
4. Реакция с основным оксидом: 2НСООН +СаО → ()2 + 2.
5. Реакция с солями слабых кислот: 2СН 3 СН + 23 → 23 + 23. В этом случае образуется натрия ацетат, а 23 выпадает в осадок.
6. Реакция с аммиаком: С 2 Н 5 СООН + 3 → 254. В этом случае образуется пропионат аммония.
7. Взаимодействие со спиртами: СН 3 СН + С 2 Н 5 ОН → СН 3 СС 2 Н 5 + Н 2 О.
8. Вступают в реакции с галогенами с синтезом хлопроизводных карбоновой кислоты и хлористого водорода. Эта реакция происходит вместе с катализатором - красного фосфора. При окислении хлором НСООН разлагается до углекислого газа и хлористого водорода.
9. При воздействии чистого кислорода уксус окисляется до углекислого газа и воды.

Полезное видео: карбоновые кислоты - строение, номенклатура, изомерия

Нахождение в природе

Все рассматриваемые вещества содержатся в природе. Организмы живых существ постоянно контактируют с кислотными соединениями..

Предельные карбоновые кислотыможно обнаружить в таком виде:

1. Муравьиная находится в крапиве, яде пчел, выделениях муравья.
2. Уксусная образуется во время уксусно-кислого брожения.
3. Валериановая находится в корнях валерианы.
4. Капроновая содержится в молоке коз.
5. Миристиновая содержится в приятно пахнущих частях мускатного ореха.
6. Пальмитиновая в значительном количестве содержится в пальмовом масле.
7. Стеариновая - основа свиного сала. Относится к очень важным жирным кислотным соединениям.
8. Церотиновая имеет большое количество атомов С и есть в восках.

Интересно! Кислый вкус испортившегося вина объясняется как раз наличием в нем уксуса. А неприятный запах испорченного масла объясняется тем, что в нем в большом количестве находится неприятно пахнущая С 3 Н 7 СООН.

В природе также распространены и двухосновные карбоновые кислотные соединения:

1. Кислый вкус щавеля и ревеня объясняется нахождением в нем щавлевой кислоты. Она образуется при разложении некоторых аминокислот. В человеческом организме при некоторых обменных заболеваниях может образовываться нерастворимая кальциевая соль этого вещества.
2. При прокаливании янтаря образуется янтарная кислота.
3. Малоновая содержится в яблоках.
4. Глутаровая содержится в клейковине злаковых. Отсюда она получила свое название.

Названий очень много, и по мере развития науки их количество увеличивается.

Интересно ! Гидроксикислоты синтезируются при молочнокислом сбраживании углеводов. Привычное всем скисание молока с образованием простокваши и кефира - это не что иное, как естественный синтез молочной кислоты. Тот же процесс происходит при естественном брожении вина или пива.

Нахождение в природе

Как получить

Получение рассматриваемых веществ в промышленности имеет много способов.

Рассмотрим некоторые их них:

1. Выделение из природных материалов - жиров, масел и восков.
2. Окисление насыщенных углеводородов. П роисходит при повышенной температуре, например: 2СН 4 + 3О 2 → 2 + 22.
3. Окисление углеводородов с двойной связью, например = + О 2 - СН 3 СОО.
4. Бензойную можно получить таким путем: 565-CH 3 + 6КМnO4 + 9H 2 SO 4 → 5C 6 H 5 — + 3К 2 SO 4 + 6МnSO 4 + 14H2O.
5. Муравьиную можно синтезировать с помощью таких реакций: CO + NаOH → НCOON и HCООNа + H 2 SO 4 → HCOOH + .

В условиях лаборатории рассматриваемые соединения можно получить с помощью таких реакций:

1. Применение солей: R – COONa + HCl → R – COOH + NaCl.
2. Растворение соответствующих ангидридов в воде: (R – CO)2O + H 2 O → 2 R – COOH. Так можно получить, например, карбоновую кислоту С 2 Н 5 ССОН.
3. Окисление альдегидов: R – COH + [O] → R – COOH.
4. Окисление спиртов: R – CH 2 – OH + 2[O] → R – COOH + H 2 O.
5. С применением цианида: СH 3 – Вr + Na – C≡N → CH 3 – CN + NaВr .

Во всех случаях символ R означает любой углеводородный радикал.

Применение органических соединений

Применение карбоновых кислотшироко распространено в промышленности и быту. Так, НСООН обладает выраженными антибактериальными свойствами. Применяется для изготовления клеев, лаков, красителей. Сложные эфиры вещества - это растворители для пахнущих веществ.

Интересно! НСООН применяется в пищевой промышленности как пищевая добавка с кодом Е236. Добавка содержится как консервант в кондитерских и консервированных, некоторых молочных продуктах. Без нее невозможно нормально продезинфицировать пивные и винные бочки.

Известный всем муравьиный спирт применяется в медицине в качестве противовоспалительного, болеутоляющего средства. Рефлекторно действует как раздражитель. НСООН используется для повышения срока хранения сена, силоса, потому что это вещество замедляет процесс гниения и распада органических веществ.

Уксус находит широкое применение не только как добавка к пище и для приготовления консервов. С ее помощью можно легко синтезировать лаки, красители для тканей. Огромные количества СН 3 СООН расходуются для выработки широко используемого ацетатного волокна, пластмассы, кинопленки, устойчивой к воспламенению и возгоранию, ядов, органического стекла. Ацетаты широко используются в сельском хозяйстве как эффективные ядохимикаты.

Несмотря на отвратительный запах прогорклого масла, С 3 Н7СООН используется для терапии патологий пищеварительного тракта. Она регулирует кишечную перистальтику, способствует развитию полезных бактерий. Сложные эфиры этого вещества имеют приятный запах, а поэтому они применяются в качестве основы для парфюмерной композиции.

Стеарин и пальмитин используют в процессе реакций с глицерином и образует мыло. Косметические вещества быстро впитываются и не вызывают аллергии. В химии применяют одноосновные карбоновые кислоты с более высоким углеродным числом.

Щавелевая применяется почти во всех отраслях промышленности благодаря ее уникальным свойствам.

Полезное видео: карбоновые кислоты и их соли

Вывод

Вещества с карбоксильной группой широко распространены в природе. Благодаря своим свойствам они широко применяются в быту и в промышленности. Количество этих соединение все время возрастает по мере развития химической науки.

Вконтакте

Лекция №35

КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ

План.

Карбоновые кислоты являются производными углеводородов, в которых один или несколько атомов водорода замещены на карбоксильную группу.

Карбоновые кислоты можно подразделить на две основные группы:

1. Монокарбоновые кислоты (насыщенные, ненасыщенные, аренкарбоновые кислоты).
2. Ди- и поликарбоновые кислоты (ненасыщенные, насыщенные, арендикарбоновые и поликарбоновые кислоты).

Монокарбоновые кислоты

Классификация , изомерия и номенклатура

Монокарбоновые кислоты подразделяют в зависимости от природы углеводородного остатка.

a) Насыщенные монокарбоновые кислоты (производные алканов и циклоалканов):

C n H 2n+1 COOH ,

б) Ненасыщенные монокарбоновые кислоты (производные алкинов, алкенов, алкадиенов и других ненасыщенных углеводородов,

C n H 2n-1 COOH , C n H 2n-3 COOH и др .

в ) Аренмонокарбоновые кислоты

ArCOOH, ArCH 2 COOH, ArCH=CHCOOH

Согласно номенклатуре IUPAC название карбоновых кислот образуют от названия родоначальных углеводородов с тем же числом атомов углерода, включая и атом карбоксильной группы, и окончания “–овая кислота”.

Нумерацию начинают от атома углерода карбоксильной группы. Многие карбоновые кислоты сохраняют тривиальные названия. Иногда название карбоновой кислоты образуют от названия углеводорода, содержащего карбоксильную группу в качестве заместителя. Примеры образования названий в карбоновых кислот приведены ниже

Формула	Тривиальные названия	Названия в системе IUPAC	Названия с окончанием “карбоновая кислота”
HCOOH	Муравьиная кислота	Метановая кислота
CH 3 COOH	Уксусная кислота	Этановая кислота
CH 3 CH 2 COOH	Пропионовая кислота	Пропановая кислота
CH 3 CH 2 CH 2 COOH	Масляная кислота	Бутановая кислота
	Изомасляная кислота	2-Метил-пропановая кислота
CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 COOH	Валериановая кислота	Пентановая кислота
	Изовалериановая кислота	3-метилбу-тановая кислота
(CH 3) 3 C-COOH	Пивалоновая кислота	2,2-диметил-пропановая кислота	2-метилпропан-карбоновая-2-кислота
CH 3 (CH 2) 4 COOH	Капроновая кислота	Гексановая кислота
CH 3 (CH 2) 16 COOH	Стеариновая кислота	Октадекановая кислота
			Циклогексанкарбо-новая кислота
CH 2 =CH-COOH	Акриловая кислота	Пропеновая кислота	Этиленкарбоновая кислота
	Метакриловая кислота	2-Метилпропеновая кислота	Пропенкарбоновая-2 кислота
	Кротоновая кислота	транс- Бутен-2-овая кислота
	Изокротоновая кислота	цис- Бутен-2-овая кислота
	Бензойная кислота		Бензолкарбоновая кислота
	о-Толуиловая кислота		o-Толуолкарбоновaя кислота
	Фенилуксусная кислота	Фенилэтановая кислота
	Коричная кислота	транс-3 -фенилпропеновая кислота

Методы получения насыщенных монокарбоновых кислот

1 . Окисление первичных спиртов и альдегидов.

В промышленном масштабе окисление ведут кислородом воздуха при катализе солями марганца или кобальта

В лаборатории окисление осуществляют неорганическими окислителями: KMnO 4 в кислой или нейтральной среде, K 2 Cr 2 O 7 в кислой среде.

2. Окисление неразветвленных алкенов

Окислителями являются K 2 Cr 2 O 7 в кислой среде или KMnO 4 в кислой среде.

3. Окисление алкинов.

В качестве окислителей используют те же реагенты, что и при окислении алкинов.

4.Окисление алканов (промышленный метод)

RCH 2 CH 2 R" + 5/2O 2 ® RCOOH + R"COOH + H 2 O

Окисление осуществляют при катализе реакции солями кобальта или марганца.

5. Гидролитические методы.

а) Кислотный гидролиз нитрилов

RC º N + 2H 2 O + HX ® RCOOH + NH 4 X

б) Основной гидролиз нитрилов

RC º N + H 2 O + NaOH ® RCOONa + NH 3

в) Кислотный гидролиз амидов кислот

г) Основной гидролиз амидов кислот

д) Кислотный гидролиз сложных эфиров

е) Основной гидролиз сложных эфиров

RCOOR" + NaOH ® RCOONa + R"OH

ж) Гидролиз ангидридов карбоновых кислот

(RCO) 2 O + H 2 O ® 2RCOOH

з) Гидролиз галогенангидридов карбоновых кислот

RCOHal + H 2 O ® RCOOH + HHal

и) Гидролиз соединений, содержащих трихлорметильную группу

RCCl 3 + 2H 2 O ® RCOOH + 3HCl

Гидролиз осуществляет либо основанием, либо водой при катализе апротонными кислотами, например, FeCl 3 .

6. Металлоорганический синтез.

7. Реакции карбонилирования

8. Гидрокарбоксилироание галогеналканов и алкенов.

9. Синтез Арндта-Эйстерта

диазокетон

Эта реакция представляет собой удобный способ превращения карбоновой кислоты RCOOH в ее ближайший гомолог RCH 2 COOH.

Технически важную муравьиную и уксусную кислоты получают следующими способами.

Муравьиная кислота и ее эфиры:

Физические свойства и строение

монокарбоновых кислот

Насыщенные монокарбоновые кислоты представляют собой бесцветные жидкие или кристаллические вещества с острым своеобразным запахом, высшие карбоновые кислоты (С 15 – С 18) имеют слабый запах стеарина. Они имеют весьма высокие температуры кипения, что свидетельствует о значительной межмолекулярной ассоциации следствие образования межмолекулярных водородных связей, причем образуются как циклические димеры, так и линейные олигомеры.

Электронографическое изучение карбоновых кислот показало, что в их молекуле имеются карбонильная и гидроксильная группа, при этом связь С = О длиннее, чем в кетонах, а связь С – О короче, чем в спиртах. Это свидетельствует о сопряжении неподеленной пары кислорода гидроксильной группы и орбиталей карбонильной группы

Проявляя +М – эффект, атом кислорода гидроксильной группы увеличивает полярность связей ОН, но в то же время в некоторой степени уменьшает положительный заряд на углеродном атоме по сравнению альдегидами и кетонами. Одновременно действует электроноакцепторный индуктивный эффект (-I) кислородных атомов.

Таким образом в карбоксильной группе имеется сильно поляризованный положительно атом водорода гидроксильной группы и углеродный атом которые являются нуклеофильными центрами. В то же время кислородный атом имеет нуклеофильный характер.

Химические свойства карбоновых кислот

Большинство реакций карбоновых кислот может быть отнесено к одному из четырех основных типов:

1.Реакции, сопровождающиеся разрывом О-Н-связей, например, кислотная диссоциация.

2.Реакции по карбонильному углероду, которые имеют нуклеофильный характер.

3.Реакции расщепления

4.Реакции по a -углеродному атому алкильной группы.

Кислотность карбоновых кислот

По сравнению со спиртами карбоновые кислоты обладают более высокой кислотностью. При этом в растворе реализуется равновесие.

Способность к отдаче к протонам обусловлена двумя факторами: поляризацией связей О-Н в исходном состоянии и стабилизацией карбоксилат-аниона из-за деколализации отрицательного заряда в нем посредством резонанса.

Кислотность карбоновых кислот характеризуется константой кислотности К а или показателем рК а. Их значения обычно составляет приблизительно 10 -5 , что свидетельствует о слабости этих кислот. Присутствие в структуре радикала электроноакцепторных заместителей будет стабилизировать карбоксилат анион, что приведет к увеличению кислотности соответствующей ему кислоты. Например: рК а монохлоруксусной кислоты составляет 2,9 а уксусной – 4,8. По мере удаления электроноакцепторного заместителя от карбоксильной группы кислотность снижается, что связано с быстрым затуханием индуктивного эфекта: так рК а b -хлорпропионовой кислоты составляет ~4,0. Наоборот, увеличение разветвления алкильного радикала приводит к снижению кислотности, так как при этом возрастает индуктивный эффект алкильной группы. На основе этих данных можно представить следующие ряды кислотности карбоновых кислот.

Кислотность карбоновых кислот проявляется в их взаимодействии с активными металлами и основаниями.

2RCOOH + 2Na ® 2RCOONa + H 2

RCOOH + NaOH ® RCOONa + H 2 O

2RCOOH + Na 2 CO 3 ® 2RCOONa + H 2 O + CO 2

Основность карбоновых кислот

В кислой среде (pH<3) диссоциация карбоновых кислот практически не происходит, так как равновесие (1) существенно смещено в левую сторону из-за избытка ионов HSol Å . В то же время в кислой среде осуществляется протонирование карбоновых кислот по основному карбонильному кислороду.

В протонированной форме оба кислородных атомов становятся одинаковыми:

Несмотря на малую концентрацию протонированной формы присутствие небольших количеств сильных кислот исключительным образом влияет на реакционную способность карбоновых кислот: повышение положительного заряда на карбонильном углероде делает его восприимчивым к атаке нуклеофильными реагентами и открывает возможность для протекания многих реакций нуклеофильного замещения карбоновых кислот.

Реакции нуклеофильного замещения

1.Реакции этерификации

В механизме этой реакции ключевую роль играет протонирование карбоновой кислоты кислотой-катализатором.

Реакция этерификации может осуществляться некаталитически, однако для этого требуется жесткие условия процесса.

2. Реакции с N-нуклеофилами (аммиаком, аминами, гидразином и др.).

N-нуклеофилы при взаимодействии с карбоновыми кислотами как правило образуют аммониевые соли (карбоксилаты) и только при повышенных температурах происходит присоединение N-нуклеофила к карбонильному углероду.

Механизм реакции согласуется с общепринятыми представлениями о механизме нуклеофильного присоединения азотистых оснований по карбонильной группе:

3. Взаимодействие с галогенангидридами хлорорганических кислот (PCl 3 , PCl 5 , PBr 3 , SOCl 2).

Механизм реакции связан с концертной атакой электрофильного и нуклеофильного центров карбоновой кислоты молекулой галогенангидрида:

Реакции расщепления

1. Синтез Кольбе (см. подробно методы получения алканов).

2. Пиролиз карбоновых кислот.

3. Реакция Хунсдиккера.

RCOOAg + Br 2 ® RBr + CO 2 + AgBr

В качестве объекта декарбоксилирования выступают серебряные или ртутные соли карбоновых кислот, а реагентами являются бром или йод.

Предполагают, что промежуточным продуктом этой реакции является гипогалогенит, который распадается на радикалы:

Эту реакцию можно осуществлять без выделения чистых солей ртути или серебра

2RCOOH + HgO + 2Br 2 ® 2RBr + HgBr 2 + H 2 O + 2CO 2

4. Пиролитическая кетонизация солей карбоновых кислот

Галогенирование по Гелю-Форгальду-Зелинскому

Эта реакция является примером взаимодействия по a -углеродному атому по отношению к карбоксильной группе. Реакция бромирования протекает энергично и с хорошим выходом в присутствии небольших количеств фосфора.

Функция фосфора состоит в образовании трехбромистого фосфора, который, реагируя с кислотой, дает ацилбромид. Последний гораздо легче подвергается енолизации по сравнению с исходной кислотой. Бром по видимому реагирует с енолом ацилбромида так же как с енолами кетонов.

2P + 3Br 2 ® 2PBr 3

RCH 2 COOH + PBr 3 ® RCH 2 COBr + POBr + HBr

Регенерация исходного ацилбромида осуществляется за счет взаимодействия полученного монобромацилбромида с исходной кислотой.

Хлор в присутствии следов фосфора реагирует аналогичным образом, но в целом менее селективно, поскольку конкурентно может происходить свободнорадикальное хлорирование во все положения углеродной цепи.

Взаимодействие с электрофильными реагентами

Атомы кислорода карбонильной группы недостаточно заряжены, чтобы быть объектом электрофильной атаки со стороны слабых и умеренных электрофильных реагентов. Для осуществления эффективной реакции электрофильного замещения по карбонильному углероду карбоксильной группы активируют, переводя ее карбоксилат – ионную форму. Тогда можно осуществить реакцию алкилирование, ацилирования и др.

Реакции восстановления карбоновых кислот

В целом карбоновые кислоты с трудом поддаются восстановлению как путем каталитического гидрирования, так и при действии натрия в спирте, но восстановление до первичных спиртов при действии литийалюминийгидрида или натрийборгидрида протекает достаточно энергично.

4RCOOH + 3LiAlH 4 ® [(RCH 2 O) 4 Al]Li + 4H 2 + 2LiAlO 2

[(RCH 2 O) 4 Al]Li + 3H 2 O + HCl ® RCH 2 OH + Al(OH) 3 + LiCl