ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Карбоновые кислоты – органические соединения, молекулы которых содержат одну или несколько функциональных карбоксильных групп –СООН, связанных с углеводородным радикалом.

Карбоксильная группа состоит из карбонильной группы > C = O и связанной с ней гидроксильной группы –ОН.

Общая формула карбоновых кислот: R–COOH.

Кислотные свойства карбоновых кислот обусловлены смещением электронной плотности к карбонильному кислороду, что обусловливает возникновение частичного положительного заряда на атоме .

В результате полярность связи О–Н возрастает, и становится возможным процесс диссоциации:

Образующийся анион стабилизируется за счет делокализации заряда:

Низшие карбоновые кислоты, содержащие до 3 атомов углерода – бесцветные жидкости с характерным резким запахом, смешиваются с водой в любых соотношениях. Большинство кислот, содержащих 4–9 атомов – маслянистые жидкости с неприятным запахом. Кислоты, содержащие больше 10 атомов водорода – твёрдые вещества, нерастворимые в воде.

Растворимость карбоновых кислот в воде и высокие температуры кипения связаны с образованием межмолекулярных водородных связей. В твердом состоянии карбоновые кислоты существуют главным образом в виде циклических димеров, а в жидком происходит и линейная ассоциация:

Виды карбоновых кислот

В зависимости от строения углеводородного радикала, карбоновые кислоты разделяются на:

• ароматические (бензойная кислота)
• алифатические (предельные (капроновая кислота) и непредельные (акриловая кислота))
• алициклические (хинная кислота)
• гетероциклические (никотиновая кислота).

По числу карбоксильных групп карбоновые кислоты разделяются на:

• одноосновные ()
• двухосновные (щавелевая кислота)
• многоосновные (лимонная кислота).

При введении в молекулу кислоты других функциональных групп (–ОН, =CO, –NH 2 и др.) образуются другие классы соединений: окси-, кетокислоты, и др.

Общая формула предельных одноосновных карбоновых кислот:

С n H 2n O 2 (n = 1,2,3…) или Cn H 2n+1 COOH (n = 0,1,2…)

Общая формула непредельных одноосновных карбоновых кислот:

С n H 2 n –2 O 2 (n = 1,2,3…) или C n H 2 n –1 COOH (n = 0,1,2…)

Общая формула предельных двухосновных карбоновых кислот:

C n H 2n–2 O 4 (n = 2,3…)

Названия и формулы некоторых карбоновых кислот

метановая

муравьиная

этановая

уксусная

пропановая

пропионовая

бутановая

масляная

пентановая кислота

валериановая кислота

гексановая кислота

капроновая кислота

октадекановая

стеариновая

2-пропеновая

акриловая

CH 3 –CH=CH–COOH

2-бутеновая

кротоновая

CH 2 =CH–CH 2 –COOH

3-бутеновая

винилуксусная

CH 2 =C(CH 3)COOH

2-метил-2-пропеновая

метакриловая

этандиовая

щавелевая

COOH–CH 2 –COOH

пропандиовая

малоновая

COOH–(CH 2) 2 –COOH

бутандиовая

янтарная

COOH–(CH 2) 3 –COOH

пентандиовая

глутаровая

COOH–(CH 2) 4 –COOH

гександиовая

адипиновая

Формула карбоновой кислоты	Название по ИЮПАК	Тривиальное название
Предельные одноосновные карбоновые кислоты
Непредельные одноосновные карбоновые кислоты
Двухосновные карбоновые кислоты

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

В трех одинаковых пробирках без подписей находятся три кислоты: муравьиная, уксусная и соляная. Как на основании различия их химических свойств определить, какая кислота находится в каждой пробирке?

Решение

Муравьиная кислота проявляет также некоторые свойства (восстановительные). Поэтому ее можно определить, например, по реакции с гидроксидом меди (II), в случае муравьиной кислоты образуется оксид меди (I) красного цвета: Различить оставшиеся кислоты можно по реакции с нитратом серебра. В случае соляной кислоты выпадает белый осадок хлорида серебра: Ацетат серебра растворяется в воде, поэтому в пробирке с изменений не произойдет. Таким образом, в оставшейся пробирке – уксусная кислота.

ПРИМЕР 2

Задание

Определить , если при гидролизе его образца массой 2,64 г выделяется 1,38 г спирта и 1,8 г одноосновной карбоновой кислоты.

Решение

Общая формула сложного эфира, состоящего из спирта и кислоты с разным числом атомов углерода: Таким образом, формула спирта: а формула кислоты: Запишем уравнение гидролиза сложного эфира: В соответствии с законом сохранения массы веществ, масса продуктов реакции равна массе исходных веществ. Рассчитаем массу : M(кислоты) + m(спирта) – m(эфира) г Рассчитаем количество вещества воды: По уравнению реакции n(кислоты) = n(спирта) моль

Все началось с уксуса, по крайней мере, открытие карбоновых кислот . Название объединяет органические соединения, содержащие карбоксильную группу COOH.

Важно расположение атомов именно в таком порядке, поскольку есть и другие кислородосодержащие соединения.

Уксусную из карбоновых открыли первой, но ее строение многие века оставалось тайной. Вещество знали, как продукт скисания вин.

Как соединение 2-ух атомов , 4-ех и 2-ух кислорода стала известна миру лишь в 18-ом столетии.

После, открыли целый ряд карбоновых . Ознакомимся с их классификацией, общими свойствами и областями применения.

Свойства карбоновых кислот

Отличаясь от другой органики наличием карбоксильных групп, карбоновые кислоты классифицируются по их числу.

Есть одно-, двух-, и многоосновные соединения. Одноосновные карбоновые кислоты выделяются связью между карбоксильной группой и углеводородным радикалом.

Соответственно, общая формула веществ группы: — C n H 2 n +1 COOH. Уксусная – одноосновная. Ее химическая запись: — CH 3 COOH. Еще проще строение соединения: — COCOOH.

К простейшим отнесена и с формулой C 2 H 5 COOH. У остальных соединений одноосновного ряда есть изомеры, то есть, разные варианты строения.

У муравьиной же, уксусной и пропионовой есть лишь один план строения.

Если у карбоновой кислоты формула с двумя карбоксильными группами, она может называться диосновной.

Общая запись веществ категории: — COOH-R-COOH. Как видно, карбоксильные группы располагаются по разные стороны линейной молекулы.

В многоосновных карбоксильных радикалов, как минимум три. Два стоят по краям молекулы, а остальные крепятся к центральным атомам углерода. Такова, к примеру, лимонная . Пространственная запись ее формулы: —

Подразделяют карбоновые соединения и по характеру углеводородного радикала. Химические связи между его атомами могут быть одинарными.

В этом случае перед нами предельные карбоновые кислоты. Наличие двойных связей указывает на непредельные вещества.

Формула непредельных карбоновых кислот может одновременно являться записью высших представителей класса.

Высшими называют соединения, в которых боле 6-ти атомов углерода. Соответственно, от 1-го до 5-ти атомов углерода – признак низших веществ.

Высшие карбоновые кислоты – это, к примеру, , , линоленовая, пальмитиновая и арихидоновая. В полследней 21 атом углерода, в остальных по 18.

Имея органическое происхождение, большинство карбоновых пахнут, хотя бы слегка. Однако, есть группа особенно ароматных.

В их состав входит бензольное ядро. То есть, группы являются производными бензола. Его формула: — C 6 H 6 .

У вещества сладковатый запах. Поэтому, карбоновые с бензольным ядром именуют ароматическими. Причем, обязательна прямая связь ядра и карбоксильных групп.

По физическому состоянию карбоновые бывают, как жидкими, так кристаллическими. Имеется в виду агрегатность веществ при обычных условиях.

Часть соединений растворима в воде, другая часть смешивается лишь с органикой. Нюансы химического поведения зависят от количества в молекулах карбоксильных групп.

Так, типичная реакция карбоновых кислот одноосновной категории– окрашивание лакмусовой в цвет.

Классикой, так же, считается взаимодействие с галогенами, тогда как дикарбоновые соединения могут образовывать эфиры карбоновых кислот. Они «рождаются» во взаимодействии со спиртами.

Карбоновая кислота с двумя основаниями всегда содержит метиленовую группу, то есть, двухвалентную CH 2 .

Ее наличие между карбоксильными группами повышает кислотность атомов водорода. Поэтому, возможна конденсация производных . Это еще одно объяснение появления эфиров.

Двухосновные соединения образуют, так же, соли карбоновых кислот . Они используются на производстве моющих средств, в частности, мыла.

Впрочем, о том, где пригождаются карбоновые кислоты и их соединения, поговорим отдельно.

Применение карбоновых кислот

В производстве мыла особенно важны стеариновая и пальмитиновая кислоты. То есть, используются высшие соединения.

Они делают мыльные брикеты твердыми и позволяют смешать фракции, расслаивающие без присутствия кислот.

Способность делать массы однородными пригождается и на производстве лекарств. Большинство связующих элементов в них – карбоновые кислоты.

Соответственно, применение реагентов внутрь, как и наружно, безопасно. Главное, знать предельную дозировку.

Превышение дозы, или концентрации кислот, ведет к разрушительным последствиям. Возможны химические ожоги, отравления.

Зато, едкость соединений наруку металлургам, мебельщикам, рестовраторам. Им карбоновые кислоты и смеси с ними помогают полировать и очищать неровные, заржавевшие поверхности.

Растворяя верхний слой металла, реагенты улучшают его внешний вид и эксплуатационные характеристики.

Химические карбоновые кислоты могут быть очищенными, или же, техническими. Для работы с металлами подойдут и последние.

Но, в качестве косметических и лекарственных средств применяют лишь высокоочищенные соединения. Такие нужны и в пищевой промышленности.

Около трети карбоновых кислот – официально зарегистрированные добавки, известные простым обывателям, как ешки.

На упаковках они отмечаются букврй Е и порядковым номером рядом с ней. Уксусная кислота, к примеру, пишется, как Е260.

Пищей карбоновые кислоты могут служить и для растений, входя в состав удобрений. Одновременно, можно создавать яды для вредоносных насекомых и сорняков.

Идея заимствована из природы. Ряд растений самостоятельно вырабатывают карбоновые кислоты, дабы близ них не было других трав, конкурирующих за почву и ее ресурсы. При этом, вырабатывающие яд растения, сами имеют к нему иммунитет.

Около трети карбоновых соединений используют в качестве протрав для тканей. Обработка необходима, чтобы материи равномерно окрашивались. С этой же целью реактивы применяют в кожевенной промышленности.

Добыча карбоновых кислот

Поскольку карбоновые кислоты биогенны, около 35% из них получают из природных продуктов. Но, химический синтез выгоднее.

Поэтому, при возможности переходят на него. Так, гиалуроновую кислоту, используемую для омоложения, долгое время добывали из пуповин младенцев и крупного рогатого скота.

Теперь же, соединение получают биохимическим способом, выращивая на пшеничном субстрате бактерий, беспрерывно дающих кислоту.

Получение карбоновых кислот чисто химическим путем – это окисление спиртов и альдегидов.

Под последним понятием скрываются спирты, лишенные водорода. Реакция протекает так: — СН 3 – СН 2 ОН → СН 3 – СОН → СН 3 – СООН.

Ряд карбоновых кислот получают гидролизом сложных эфиров. Получая в свой состав воду, они преобразуются в героинь .

Сформировать их можно и из моногалогенпроизводных. Кислоты из них получаются под действием цианида . Полупродукт реакции необходимо разложить водой.

От схемы производства, количества его ступеней, расходных материалов, во многом зависит стоимость конечных продуктов. Узнаем, каков ценник на карбоновые кислоты в их чистом виде.

Цена карбоновых кислот

Большинство карбоновых кислот продают большими объемами. Фасуют, обычно, по 25-35 килограммов. Жидкости разливают в канистры.

Порошки засыпают в полиэтиленовые пакеты, а стеариновую кислоту, вообще, заворачивают в . Ценник, обычно, выставляется за кило.

Так, 1000 граммов лимонной кислоты стоит в районе 80-ти рублей. Столько же берут за муравьиную и щавелевую.

Стоимость олеиновой – около 130-ти рублей за килограмм. Салициловая кислота оценивается уже в 300. Стеариновая кислота на 50-70 рублей дешевле.

Ряд карбоновых кислот оценивается в долларах, поскольку основные поставки ведутся из США и стран Евросоюза.

Оттуда поступает, к примеру, гиалуроновая кислота. За килограмм отдают уже не пару сотен рублей, а несколько сот баксов.

Отечественный продукт присутствует, но ему не доверяют, в первую очередь, клиенты красоты.

Они знают, что омоложение с помощью гиалуроновой кислоты – придумка американцев, практикуемая ими полвека.

Соответственно, велика практика производства препарата, который должен быть качественным, ведь попадает в кожу и организм.

В табл. 19.10 указаны некоторые органические соединения, относящиеся к карбоновым кислотам. Характерный признак карбоновых кислот - наличие в них карбоксильной

Таблица 19.10. Карбоновые кислоты

(см. скан)

функциональной группы. Карбоксильная группа состоит из карбонильной группы, связанной с гидроксильной группой. Органические кислоты с одной карбоксильной группой называются монокарбоновыми кислотами. Их систематические названия имеют суффикс -ов(ая). Органические кислоты с двумя карбоксильными группами называются дикарбоновыми кислотами. Их систематические названия имеют суффикс -диов(ая).

Насыщенные алифатические монокарбоновые кислоты образуют гомологический ряд, который характеризуется общей формулой . Ненасыщенные алифатические дикарбоновые кислоты могут существовать в форме различных геометрических изомеров (см. разд. 17.2).

Физические свойства

Низшие члены гомологического ряда насыщенных монокарбоновых кислот при нормальных условиях представляют собой жидкости, обладающие характерным острым запахом. Например, этановая (уксусная) кислота имеет характерный «уксусный» запах. Безводная уксусная кислота при комнатной температуре представляет собой жидкость. Она замерзает при превращаясь в льдистое вещество, которое называется ледяной уксусной кислотой.

Все дикарбоновые кислоты, указанные в табл. 19.10, при комнатной температуре представляют собой белые кристаллические вещества. Низшие члены рядов монокарбоновых и дикарбоновых кислот растворимы в воде. Растворимость карбоновых Кислот уменьшается по мере возрастания их относительной молекулярной массы.

В жидком состоянии и в неводных растворах молекулы монокарбоновых кислот димеризуются в результате образования между ними водородных связей:

Водородная связь в карбоновых кислотах сильнее, чем в спиртах. Это объясняется высокой полярностью карбоксильной группы, обусловленной оттягиванием электронов от атома водорода по направлению к карбонильному атому кислорода:

Вследствие этого карбоновые кислоты имеют сравнительно высокие температуры кипения (табл. 19.11).

Таблица 19.11. Температуры кипения уксусной кислоты и спиртов с близкими значениями относительной молекулярной массы

Лабораторные методы получения

Монокарбоновые кислоты можно получать из первичных спиртов и альдегидов окислением с помощью подкисленного раствора бихромата калия, взятого в избыточном количестве:

Монокарбоновые кислоты и их соли можно получать гидролизом нитрилов либо амидов:

Получение карбоновых кислот по реакции с реактивами Гриньяра и диоксидом углерода описано в разд. 19.1.

Бензойную кислоту можно получить окислением метильной боковой цепи метилбензола (см. разд. 18.2).

Кроме того, бензойную кислоту можно получить из бензальдегида с помощью реакции Каннищаро. В этой реакции бензальдегид обрабатывают 40-60%-ным раствором гидроксида натрия при комнатной температуре. Одновременное окисление и восстановление приводит к образованию бензойной кислоты и соответственно фенил-метанола:

Окисление

Реакция Канниццаро характерна для альдегидов, не имеющих -атомов водорода. Так называются атомы водорода, присоединенные к атому углерода, соседнему с альдегидной группой:

Поскольку метаналь не имеет -атомов водорода, он может вступать в реакцию Канниццаро. Альдегиды, содержащие по крайней мере один -атом водорода, в присутствии раствора гидроксида натрия подвергаются кислотнокатализируемой альдольной конденсации (см. выше).

Химические свойства

Хотя карбоксильная группа содержит карбонильную группу, карбоновые кислоты не вступают в некоторые реакции, характерные для альдегидов и кетонов. Например, они не вступают в реакции присоединения или конденсации. Это объясняется тем, что атом

углерода в карбоксильной группе имеет меньший положительный заряд, чем в альдегидной или кетогруппе.

Кислотность. Оттягивание электронной плотности от карбоксильного атома водорода ослабляет связь О-Н. Вследствие этого карбоксильная группа способна отщеплять (терять) протон. Поэтому монокарбоновые кислоты ведут себя как одноосновные кислоты. В водных растворах этих кислот устанавливается следующее равновесие:

Карбоксилат-ион может рассматриваться как гибрид двух резонансных структур:

Иначе его можно представлять себе как

Делокализация электрона между атомами карбоксилатной группы стабилизирует карбоксилат-ион. Поэтому карбоновые кислоты обладают намного большей кислотностью, чем спирты. Тем не менее из-за ковалентного характера молекул карбоновых кислот указанное выше равновесие сильно сдвинуто влево. Таким образом, карбоновые кислоты - это слабые кислоты. Например, этановая (уксусная) кислота характеризуется константой кислотности

Заместители, присутствующие в молекуле карбоновой кислоты, сильно влияют на ее кислотность вследствие оказываемого ими индуктивного эффекта. Такие заместители, как хлор, оттягивают на себя электронную плотность и, следовательно, вызывают отрицательный индуктивный эффект Оттягивание электронной плотности от карбоксильного атома водорода приводит к повышению кислотности карбоновой кислоты. В отличие от этого такие заместители, как алкильные группы, обладают электронодонорными свойствами и создают положительный индуктивный эффект, Они ослабляют карбоновую кислоту:

Влияние заместителей на кислотность карбоновых кислот наглядно проявляется в значениях для ряда кислот, указанных в табл. 19.12.

Таблица 19.12. Значения карбоновых кислот

Образование солей. Карбоновые кислоты обладают всеми свойствами обычных кислот. Они вступают в реакции с реакционноспособными металлами, основаниями, щелочами, карбонатами и гидрокарбонатами, образуя соответствующие соли (табл. 19.13). Реакции, указанные в этой таблице, характерны и для растворимых и нерастворимых карбоновых кислот.

Подобно другим солям слабых кислот, карбоксилатные соли (соли карбоновых кислот) реагируют с минеральными кислотами, взятыми в избыточном количестве, образуя исходные карбоновые кислоты. Например, при добавлении раствора гидроксида натрия к взвеси нерастворимой бензойной кислоты в воде происходит растворение кислоты вследствие образования бензоата натрия. Если затем к полученному раствору добавить серную кислоту, происходит осаждение бензойной кислоты:

Таблица 19.13. Образование солей из карбоновых кислот

Этерификация. При нагревании смеси карбоновой кислоты со спиртом в присутствии концентрированной минеральной кислоты происходит образование сложного эфира. Такой процесс, называемый этерификацией, требует расщепления молекул спирта. При этом существуют две возможности.

1. Алкоксиводородное расщепление. В данном случае спиртовый атом кислорода (из гидроксильной группы) попадает в молекулу образующегося эфира:

2. Алкилгидроксилъное расщепление. При расщеплении такого типа спиртовый атом кислорода попадает в молекулу воды:

Какой из этих случаев реализуется конкретно, можно определить экспериментально, проводя этерификацию с использованием спирта, содержащего изотоп 180 (см. разд. 1.3), т.е. с использованием изотопной метки. Определение относительной молекулярной массы образующегося эфира с помощью масс-спектрометрии показывает, присутствует ли в нем изотопная метка-кислород-18. Таким способом обнаружено, что этерификация с участием первичных спиртов приводит к образованию меченых сложных эфиров:

Это показывает, что молекула метанола в ходе рассматриваемой реакции подвергается метокси-водородному расщеплению.

Галогенирование. Карбоновые кислоты реагируют с пентахлоридом фосфора и оксид-дихлоридом серы, образуя хлорангидриды соответствующих кислот. Например

И бензоилхлорид, и оксид-трихлорид фосфора представляют собой жидкости, которые необходимо отделить друг от друга. Поэтому для хлорирования карбоновых кислот удобнее использовать оксид-дихлорид серы: это позволяет легко удалить газообразные хлороводород и диоксид серы из жидкого хлорангидрида карбоновой кислоты:

При продувании хлора через кипящую уксусную кислоту в присутствии таких катализаторов, как красный фосфор либо иод, и под действием солнечного света

образуется монохлороэтановая (монохлороуксусная) кислота:

Дальнейшее хлорирование приводит к образованию дизамешенного и тризамещенного продуктов:

Восстановление. При взаимодействии с лития в сухом диэтиловом эфире карбоновые кислоты могут восстанавливаться до соответствующих спиртов. Сначала образуется алкоксидное промежуточное соединение, гидролиз которого приводит к образованию спирта:

Карбоновые кислоты не восстанавливаются многими обычными восстановителями. Эти кислоты не могут восстанавливаться сразу до соответствующих альдегидов.

Окисление. За исключением метановой (муравьиной) и этановой (уксусной) кислот, остальные карбоновые кислоты окисляются с трудом. Муравьиная кислота и ее соли (формиаты) окисляются перманганатом калия. Муравьиная кислота способна восстанавливать реактив Фелинга и при нагревании в смеси с водно-аммиачным раствором нитрата серебра образует «серебряное зеркало». При окислении муравьиной кислоты образуются диоксид углерода и вода:

Этандиовая (щавелевая) кислота тоже окисляется перманганатом калия, образуя диоксид углерода и воду:

Дегидратация. Перегонка карбоновой кислоты с каким-либо обезвоживателем, например оксидом приводит к отщеплению молекулы воды от двух молекул кислоты и образованию ангидрида карбоновой кислоты:

Муравьиная и щавелевая кислоты оказываются исключениями и в этом случае. Дегидратация муравьиной кислоты или ее калиевой либо натриевой соли с помощью концентрированной серной кислоты приводит к образованию моноксида углерода и

Дегидратация метаноата (формиата) натрия концентрированной серной кислотой представляет собой обычный лабораторный способ получения моноксида углерода. Дегидратация щавелевой кислоты горячей концентрированной серной кислотой приводит к образованию смеси моноксида углерода и диоксида углерода:

Карбоксилаты

Натриевые и калиевые соли карбоновых кислот представляют собой кристаллические вещества белого цвета. Они легко растворяются в воде, образуя сильные электролиты.

Электролиз натриевых или калиевых карбоксилатных солей, растворенных в водно-метанольной смеси, приводит к образованию алканов и диоксида углерода на аноде и водорода на катоде.

На аноде:

На катоде:

Такой метод получения алканов называется электрохимическим синтезом Кольбе.

Образование алканов происходит и при нагревании смеси карбоксилатов натрия или калия с гидроксидом натрия либо натронной известью. (Натронная известь - это смесь гидроксида натрия с гидроксидом кальция.) Такой способ используется, например, для получения метана в лабораторных условиях:

Ароматические карбоксилаты натрия или калия в аналогичных условиях образуют арены:

При нагревании смеси карбоксилатов натрия с хлорангидридами образуются ангидриды соответствующих карбоновых кислот:

Карбоксилаты кальция тоже представляют собой кристаллические вещества белого цвета и, как правило, растворимы в воде. При их нагревании происходит образование

ние с низким выходом соответствующих кетонов:

При нагревании смеси карбоксилатов кальция с формиатом кальция образуется альдегид:

Аммониевые соли карбоновых кислот тоже представляют собой белые кристаллические вещества, растворимые в воде. При сильном нагревании они образуют соответствующие амиды:

1. Карбоновые кислоты – это кислородсодержащие органически вещества, молекулы которых содержат одну или несколько карбоксильных групп

(-С OOH ), соединённых с углеродным радикалом или водородным атомом.

Карбоксильная группа содержит две функциональные группы – карбонил >С=О и гидроксил -OH, непосредственно связанные друг с другом:

2. Классификация

А) По числу карбоксильных групп в молекуле

Название	Примеры
1) Одноосновные	Метановая , муравьиная кислота Этановая , уксусная кислота
2) Двухосновные	HOOC – COOH Щавелевая кислота
3) Многоосновные

Б) По природе углеводородного радикала

Название	Примеры
1) Предельные (насыщенные)	HCOOH Метановая , муравьиная кислота CH 3 COOH Этановая , уксусная кислота
2) Непредельные	Акриловая кислота СН 2 =СНСООН Кротоновая кислота СН 3 –СН=СН–СООН Олеиновая СН 3 –(СН 2) 7 –СН=СН–(СН 2) 7 –СООН Линолевая СН 3 –(СН 2) 4 –(СН=СН–СН 2) 2 –(СН 2) 6 –СООН Линоленовая СН 3 –СН 2 –(СН=СН–СН 2) 3 –(СН 2) 6 –СООН
3) Ароматические	С 6 Н 5 СООН – бензойная кислота НООС–С 6 Н 4 –СООН Пара -терефталевая кислота

3. Изомерия и номенклатура

I . Структурная

А) Изомерия углеродного скелета (начиная с C 4 )

Б) Межклассовая со сложными эфирами R - CO – O - R 1 (начиная с C 2 )

Например: для С 3 Н 6 О 2

CH 3 -CH 2 -COOH пропионовая кислота

СH 3 -CO -OCH 3 метиловый эфир уксусной кислоты

II . Пространственная

А) Оптическая

Например:

Б) Цис- транс – изомериядля непредельных кислот

Пример:

4. Номенклатура карбоновых кислот

Систематические названия кислот даются по названию соответствующего углеводорода с добавлением суффикса -овая и слова кислота .

Чтобы указать положение заместителя (или радикала), нумерацию углеродной цепи начинают от атома углерода карбоксильной группы. Например, соединение с разветвленной углеродной цепью (CH 3) 2 CH-CH 2 -COOH называется 3-метилбутановая кислота . Для органических кислот широко используются также тривиальные названия, которые обычно отражают природный источник, где были впервые обнаружены эти соединения.

Некоторые одноосновные кислоты

Формула	Название кислоты R-COOH		Название остатка RCOO -
	систематическое	тривиальное
HCOOH	метановая	муравьиная	формиат
CH 3 COOH	этановая	уксусная	ацетат
C 2 H 5 COOH	пропановая	пропионовая	пропионат
C 3 H 7 COOH	бутановая	масляная	бутират
C 4 H 9 COOH	пентановая	валерьяновая	валерат
C 5 H 11 COOH	гексановая	капроновая	капрат
C 15 H 31 COOH	гексадекановая	пальмитиновая	пальмитат
C 17 H 35 COOH	октадекановая	стеариновая	стеарат
C 6 H 5 COOH	бензолкарбоновая	бензойная	бензоат
CH 2 =СH-COOH	пропеновая	акриловая	акрилат

Для многоосновных кислот применяют суффиксы -диовая, -триовая и т.д.

Например:

HOOC-COOH - этандиовая (щавелевая) кислота;

HOOC-CH 2 -COOH - пропандиовая (малоновая) кислота.

ПРЕДЕЛЬНЫЕ ОДНООСНОВНЫЕ КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ

C n H 2 n +1 - COOH или C n H 2 n O 2

Гомологический ряд

Название		Формула кислоты	t пл. °C	t кип. °C	ρ г/см 3
кислоты
муравьиная	метановая	HCOOH		100,5	1,22
уксусная	этановая	CH 3 COOH	16,8		1,05
пропионовая	пропановая	CH 3 CH 2 COOH			0,99
масляная	бутановая	CH 3 (CH 2) 2 COOH			0,96

Строение карбоксильной группы

Карбоксильная группа сочетает в себе две функциональные группы – карбонил >C =O и гидроксил -OH , взаимно влияющие друг на друга:

Кислотные свойства карбоновых кислот обусловлены смещением электронной плотности к карбонильному кислороду и вызванной этим дополнительной (по сравнению со спиртами) поляризации связи О–Н.
В водном растворе карбоновые кислоты диссоциируют на ионы:

Растворимость в воде и высокие температуры кипения кислот обусловлены образованием межмолекулярных водородных связей.

С увеличением молекулярной массы растворимость кислот в воде уменьшается.

Физические свойства предельных одноосновных кислот

Низшие члены этого ряда при обычных условиях представляют собой жидкости, обладающие характерным острым запахом. Например, этановая (уксусная) кислота имеет характерный "уксусный" запах. Безводная уксусная кислота при комнатной температуре представляет собой жидкость; при 17 °С она замерзает, превращаясь в льдистое вещество, которое получило название "ледяная" уксусная кислота. Средние представители этого гомологического ряда - вязкие, "маслообразные" жидкости; начиная с С 10 - твердые вещества.

Простейший представитель – муравьиная кислота НСООН – бесцветная жидкость с т. кип. 101 °С, а чистая безводная уксусная кислота CH 3 COOH при охлаждении до 16,8 °С превращается в прозрачные кристаллы, напоминающие лед (отсюда ее название ледяная кислота ).
Простейшая ароматическая кислота - бензойная C 6 H 5 COOH (т. пл. 122,4°С) - легко возгоняется, т.е. переходит в газообразное состояние, минуя жидкое. При охлаждении её пары сублимирутся в кристаллы. Это свойство используется для очистки вещества от примесей.

Карбоновые кислоты (2 лекции)

1. Определение. Классификация.

2. Изомерия и номенклатура одноосновных карбоновых кислот

3. Физические свойства кислот

4. Химические свойства. Строение карбонильной группы.

Карбоновые кислоты – это производные углеводородов, содержащие карбоксильную группу (-СООН).

Классификация карбоновых кислот

Карбоновые кислоты классифицируют по двум структурным признакам.

1) По числу карбоксильных групп кислоты подразделяются на:

Ø одноосновные (монокарбоновые)

Ø многоосновные (дикарбоновые, трикарбоновые и т. д.)

.

2) По характеру углеводородного радикала различают кислоты:

Ø предельные (например, CH3CH2CH2COOH)

Ø непредельные (CH2=CHCH2COOH)

Ø ароматические (RC6H4COOH)

Одноосновные предельные карбоновые кислоты

Общая формула таких кислот – CnH2nO2 или CnH2n+1COOH

Номенклатура и изомерия карбоновых кислот

Кислоты с числом углеродных атомов меньше четырех не имеют изомеров. Если число атомов равно четырем, кислоты имеют два изомера, если число атомов равно пяти – пять изомеров.

Для названия кислот используются следующие типы номенклатуры:

ü тривиальная

ü рациональная.

Названия карбоновых кислот строятся с использованием в качестве основы названия уксусной кислоты. Остальные кислоты рассматриваются как ее производные с замещением атомов водорода в метильной группе на более сложные радикалы. Остальные правила полностью соответствуют правилам рациональной номенклатуры для углеводородов (подробно они изложены в начале лекционного курса).

При составлении названия карбоновой кислоты за основу берут наиболее длинную цепь, включающую карбоксильную группу. Нумерацию начинают с атома углерода карбоксильной группы (цифру, указывающую на положение функциональной группы, не ставят). К названию углеводорода по числу атомов углерода в главной цепи прибавляют суффикс –овая кислота . Цифрами и приставками указывают положение и число заместителей.

Номенклатура карбоновых кислот идентична номенклатуре альдегидов. что значительно облегчает ее понимание и изучение.

Названия отдельных представителей карбоновых кислот

	Тривиальное название	Рациональное
	муравьиная	муравьиная	метановая
	уксусная	уксусная	этановая
СН3-СН2-СООН	пропионовая	метилуксусная	пропановая
СН3-СН2-СН2-СООН	масляная	этилуксусная	бутановая
СН3-СН2-СН2-СН2-СООН	валерьяновая	пропилуксусная	пентановая
		метилвторбутил-уксусная	2,3-диметил-пентановая

Получение карбоновых кислот

Многие способы получения одноосновных кислот были рассмотрены в предыдущих лекциях:

1) окисление спиртов

2) озонолиз алкенов

3) окисление карбонильных соединений (альдегидов и кетонов)

4) гидролиз геминальных тригалогенпроизводных углеводородов (аналогичен гидролизу дигалогенпроизводных в получении альдегидов, способ 5):

5) гидролиз производных кислот (галогенпроизводных, сложных эфиров, нитрилов)

6) карбоксилирование металлоорганических соединений

Это универсальный способ получения карбоновых кислот, является лабораторным методом.

Физические свойства

Низшие кислоты с числом атомов С1-С3 – бесцветные жидкости, с характерным острым запахом.

Кислоты состава С4-С9 – это маслянистые жидкости с неприятным запахом, плохо растворимые в воде.

Кислоты состава С10 и выше – твердые вещества не растворимые в воде.

Таким образом, с увеличением молекулярной массы растворимость кислот в воде уменьшается.

Высокие температуры кипения кислот обусловлены образованием межмолекулярных водородных связей, с этим связана и хорошая растворимость в воде (происходит образование водородных связей с молекулами воды).

https://pandia.ru/text/78/506/images/image008_0.gif" alt="990 байт" width="195" height="91 src=">

Химические свойства кислот

Строение карбоксильной группы

Карбоксильная группа сочетает в себе две функциональные группы - карбонил и гидроксил, взаимно влияющие друг на друга:

Кислотные свойства карбоновых кислот выражены достаточно ярко. Это объясняется взаимным влиянием атомов в карбоксильной группе. Электронная плотность в которой смещена на более электроотрицательному кислороду гидроксигруппы, что ослабляет связь О-Н и облегчает отделение атома водорода, т. е.облегчает диссоциацию кислоты (это обусловлено тем, что +М-эффект ОН-группы преобладает перед –I-эффектом). Подвижность протонов расположенных в α-положении также определяется строением СООН-группы (подробные объяснения изложены в лекции «Альдегиды и кетоны»).

1) Кислотные свойства

Диссоциация кислот. В водном растворе карбоновые кислоты распадаются на ионы и обладают кислой реакцией. Это можно обнаружить с помощью индикатора, что считается качественным определением кислот . Например, лакмус приобретает красный цвет.

https://pandia.ru/text/78/506/images/image011_0.gif" width="476 height=87" height="87">

граничные резонансные структуры связи С-О выравниваются

Мезомерия – это явление выравнивания электронной плотности между двумя атомами кислорода.

Карбоновые кислоты более сильные кислоты, чем спирты.

Муравьиная кислота – самая сильная, это связано с отсутствием электронодонорного эффекта алкильных групп. Заместители с положительным индуктивным эффектом (электронодонорные – СН3, С2Н5) понижают кислотность, оторвать водород от кислорода в ОН-группе сложнее.

Образование солей . Кислоты способны образовывать соли с металлами, их оксидами и гидроксидами.

а) при взаимодействии с металлами:

2RCOOH + Mg ® (RCOO)2Mg + H2

б) в реакциях с гидроксидами металлов:

2RCOOH + NaOH ® RCOONa + H2O

2) Реакции по ОН-группе

Образование сложных эфиров (R"–COOR") – реакция этерификации. Это реакция взаимодействия кислот со спиртами в присутствии минеральных кислот. Реакция обратима.

уксусная кислота этиловый спирт этиловый эфир уксусной кислоты

Кислоты линейного строения, типа R-CH2-COOH скорее вступают в реакцию, чем кислоты разветвленного строения:R2CH-COOH, R3C-COOH. Роль катализатора в реакции этерификации играют ионы Н+:

Реакция протекает по следующему механизму: кислород карбонильной группы захватывает протон и образует карбкатион I . Этот карбкатион присоединяет молекулу спирта за счет неподеленной пары атома кислорода с образованием комплекса II . Комплекс II способен обратимым образом распадаться и образовывать карбкатион III , при диссоциации которого образуется сложный эфир (катализатор – протон при этом освобождается).

Большой интерес в этой реакции представлял вопрос: кислота или спирт отщепляют гидроксил в реакции эфирообразования. С помощью «меченых атомов» (тяжелого изотопа 18О) было показано, что вода образуется за счет водорода спирта и гидроксила кислоты.

(если меченый кислород находится в спирте, то образующаяся вода содержит обычный кислород)

Реакции с полным замещением ОН-группы.

Получение производных карбоновых кислот.

1) галогенангидриды кислот можно получить действием пентахлорида фосфора (PCl5), хлористого тионила (SOCl2).

2) галоген в галогенангидридах обладает большой реакционной способностью, поэтому галогенангидриды используют в качестве ацилирующих средств. Так получают ангидриды кислот.

Например, уксусный ангидрид (R= CH3) используется в органическом синтезе как сильное водоотнимающее средство.

3) образование амидов осуществляется действием аммиака .

Жирам как сложным эфирам свойственна обратимая реакция гидролиза, катализируемая минеральными кислотами. При участии щелочей гидролиз жиров происходит необратимо. Продуктами в этом случае являются мыла - соли высших карбоновых кислот и щелочных металлов.

https://pandia.ru/text/78/506/images/image023_0.gif" width="103" height="53">

Акриловая кислота поучается синтетическим способом. Представляет собой жидкость с резким запахом. Легко полимеризуется с образованием полиакриловой кислоты.

Значительное практическое значение имеют эфиры акриловой кислоты, а точнее продукты их полимеризации:

этиловый эфир акриловой кислоты

Полиакрилаты прозрачны и применяются для изготовления различных пластмасс и органического стекла. Большей твердостью по сравнению с полиакрилатами обладают метакрилаты – эфиры метакриловой кислоты.

Лучшим органическим стеклом является плексиглас – метиловый эфир полиметакриловой кислоты. Плексиглас применяется в медицине для изготовления протезов.

метиловый эфир метакриловой кислоты

В целом для непредельных кислот характерны многие реакции, характерные для алкенов: присоединение галогенов, водорода по кратной связи, окисление перманганатом калия, диеновый синтез.

Двухосновные карбоновые кислоты.

Простейшая двухосновная кислота – щавелевая (впервые была найдена в щавеле) или этандиовая кислота. Следующий представитель – малоновая или пропандиовая кислота. Двухосновная кислота с четырьмя атомами углерода называется янтарной или бутандиовой.

Важнейшие реакции таких кислот – получение конденсационных полимеров.

Реакции этерификации и получения амидов дикарбоновых кислот лежат в основе промышленного производства исключительно важных в практическом отношении конденсационных полимеров.

Конденсация дикарбоновой кислоты и алкандиола ведет к образованию полиэфира. Полиэфиры широко используют в производстве синтетических волокон.

Один из наиболее важных полиэфиров – лавсан – получают поликонденсацией терефталевой кислоты и этиленгликоля.

Конденсация дикарбоновой кислоты с диамином ведет к образованию полиамида . Полиамиды служат для получения синтетических материалов (синтетическая шерсть ). Важный в практическом отношении полиамид – найлон-6,6 – получают поликонденсацией адипиновой кислоты и гексаметилендиамина.

В развернутом виде это выглядит следующим образом:

В названии «найлон-6,6» первая цифра указывает на число атомов углерода в дикарбоновой кислоте, а вторая – число углеродных атомов в диамине.

Если процессу поликонденсации подвергают смесь ароматической дикарбоновой кислоты (например, терефталевой кислоты) и ароматического диамина, то получают полиамидные материалы, сравнимые по прочности с изделиями из стали: