Карбонильные соединения. Строение ихимические свойства карбоновых кислот. Липиды.

Карбоновые кислоты. Строение карбоксильной группы. Номенклатура.

Неспелые фрукты, щавель, барбарис, клюква, лимон. Что общего между ними. Даже дошкольник, не задумываясь, ответит: они кислые. А вот обусловлен кислый вкус плодов и листьев многих растений различными карбоновыми кислотами, в состав которых входит одна или несколько карбоксильных групп - СООН.

Название кислот "карбоновые" происходит от латинского названия угольной кислоты acidum carbonicum, которая была первой изученной в истории химии углеродсодержащей кислотой. Их часто называют жирными кислотами, так как высшие гомологи впервые были получены из природных жиров.

Карбоновые кислоты можно рассматривать как производные углеводородов, содержащие в молекуле одну или несколько функциональных карбоксильных групп:

Термин "карбоксильная" является составным, образовавшимся в соответствии с названиями двух групп: и гидроксил -ОН, входящих в состав карбоксильной группы.

Классификация карбоновых кислот.

Карбоновые кислоты в зависимости от природы радикала делятся на

предельные,

непредельные,

ациклические,

циклические.

По числу карбоксильных групп различают

одноосновные (с одной группой -СООН)

многоосновные (содержат две и более групп -СООН).

Алкановые кислоты - производные предельных углеводородов, содержащие одну функциональную карбоксильную группу. Их общая формула R - COOH, где R - радикал алкана. Гомологический ряд простейших низкомолекулярных кислот:

Изомерия, номенклатура .

Изомерия предельных кислот, так же как и предельных углеводородов, определяется изомерией радикала. Простейшие три кислоты с одним, двумя и тремя атомами углерода в молекуле изомеров не имеют. Изомерия кислот начинается с четвертого члена гомологического ряда. Так, масляная кислота C 3 H 7 - COOH имеет два изомера, валериановая кислота C 4 H 9 - COOH - четыре изомера.

Наиболее распространенными являются тривиальные названия кислот. Многие из них связаны с наименованием продуктов, из которых они первоначально были выделены или в которых были обнаружены. Например, муравьиную кислоту получили из муравьев, уксусную - из уксуса, масляную - из прогоршего масла.

По номенклатуре ИЮПАК к названию предельного углеводорода, соответствующего главной углеродной цепи, включая углерод карбоксила добавляется окончание -овая кислота . Так, например, муравьиная кислота - метановая кислота, уксусная - этановая, пропионовая - пропановая и т. д. Нумерацию атомов углерода главной цепи начинают от карбоксильной группы.

Остаток молекулы карбоной кислоты, образованный отнятием гидроксильной группы от карбоксила, имеющей строение, называется кислотным остатком или ацилом (от лат. acidum - кислота). Ацил муравьиной кислоты (лат. acidum formicum) называется формил , уксусной (acidum aceticum) - ацетил .

Физические и химические свойства .

Физические свойства.

Первые три кислоты гомологического ряда (муравьиная, уксусная, пропионовая) - жидкости, хорошо растворимые в воде. Следующие представители - маслянистые жидкости, слабо растворимые в воде. Кислоты, начиная с каприновой С 9 Н 19 СООН, - твердые вещества, нерастворимые в воде, но растворимые в спирте, эфире.

Все жидкие кислоты отличаются своеобразным запахами.

Высокомолекулярные твердые кислоты запаха не имеют. С увеличением молекулярной массы кислот повышается их температура кипения и уменьшается плотность.

Химические свойства.

Диссоциация кислот:

Степень диссоциации карбоновых кислот различна. Самой сильной кислотой является муравьиная, в которой карбоксил не связан с радикалом. Степень диссоциации органических кислот по сравнению с неорганическими значительно меньшая. Поэтому они являются слабыми кислотами. Органические кислоты, так же как и неорганические, дают характерные реакции на индикаторы.

Образование солей .

При взаимодействии с активными металлами (а), оксидами металлов (б), основаниями (в) водород карбоксильной группы кислоты замещается на металл и образуются соли:

Образование галогенагидридов кислот .

При замещении гидроксила карбоксильной группы кислот галогеном образуются производные кислот - галогенагидриды:

Образование ангидридов кислот.

При отнятии воды от двух молекул кислоты в присутствии катализатора образуются ангидриды кислот:

Образование сложных эфиров .

Так называемая реакция этерификации:

Образование амидов:

Реакции хлорангидридов карбоновых кислот с аммиаком

СН 3 -СО-Сl + CН 3 → СН 3 -СО-CН 2 + HCl.

Галогены способны замещать водород радикала кислоты, образуя галогенокислоты . Это замещение происходит постепенно:

Галогенозамещенные кислоты - более сильные кислоты, чем исходные. Например, трихлоруксусная кислота примерно в 10 тыс. раз сильнее уксусной. Они используются для получения оксикислот, аминокислот и других соединений.

Дикарбоновые кислоты.

Дикарбоновые кислоты - это кислоты в которых есть два или три карбоксильные группы.

Например.

НООС - СООН- этандиовая кислота (щавлевая кислота)

НООС - СН 2 - СООН- пропандиовая кислота (малоновая кислота)

НООС - СН 2 - СН 2 - СООН-бутандиовая кислота (янтарная кислота)

Для дикарбоновых кислот свойственны реакции декарбоксилирования (отщепления СО 2) при нагревании:

t °

НООС-СН 2 -СООН→СН 3 СООН + CO 2

Физиологически важным конечным продуктом преобразований в организме белков и нуклеиновых кислот является мочевина.

Липиды. Классификация.

Липиды - являются сложными эфирами, образованными высшими одноосновными карбоновыми кислотами, главным образом пальмитиновой , стеариновой (насыщенные кислоты) и олеиновой (ненасыщенная кислота) и трехатомным спиртом - глицерином . Общее название таких соединений - триглицериды

Природные жиры представляют собой не индивидуальное вещество, а смесь различных триглицеридов.

Классификация липидов.

Липиды делят на:

Простые:

а) ацилглицериды

б) воски

Сложные:

а) фосфолипиды

б) гликолипиды

Высшие жирные кислоты.

В состав липидов организма человека и животных входят жирные кислоты с парным количеством атомов углерода от 12 до 24.

Высшие жирные кислоты бывают насыщенные (предельные)

пальмитиновая кислота- С 15 Н 31 СООН

стеариновая- С 17 Н 35 СООН

Ненасыщенные (непредельные)

олеиновая- С 17 Н 33 СООН

линолевая-С 17 Н 31 СООН

линоленовая-С 17 Н 29 СООН

арахидоновая-С 19 Н 31 СООН

Простые липиды - это липиды которые при гидролизе образуют спирты и жирные кислоты.

Ацилглицериды – это липиды которые есть сложными эфирами глицерина и высших жирных кислот.

Образование одного из триглицеридов, например триглицерида стеариновой кислоты, можно изобразить уравнением

глицерин стеариновая кислота стеариновый триглицерид

В состав молекул триглицеридов могут входить разнородные кислотные радикалы, что особенно характерно для природных жиров, однако остаток глицерина является составной частью всех жиров:

Все жиры легче воды и в ней нерастворимы. Они хорошо растворяются в бензине, эфире, тетрахлориде углерода, сероуглероде, дихлорэтане и других растворителях. Хорошо впитываются бумагой и кожей. Жиры содержатся во всех растениях и животных. Жидкие жиры обычно называются маслами . Твердые жиры (говяжий, бараний и др) состоят главным образом из триглицеридов предельных (твердых) кислот, жидкие (подсолнечное масло и др.) - из триглицеридов непредельных (жидких) кислот.

Жидкие жиры превращаются в твердые путем реакции гидрогенизации . Водород присоединяется по месту разрыва двойной связи в углеводородных радикалах молекул жиров:

Реакция протекает при нагревании под давлением и в присутствии катализатора - мелко раздробленного никеля. Продукт гидрогенизации - твердый жир (искусственное сало), называется саломасом идет на производство мыла, стеарина и глицерина. Маргарин - пищевой жир, состоит из смеси гидрогенизованных масел (подсолнечного, хлопкового и др.), животных жиров, молока и некоторых других веществ (соли, сахара, витаминов и др.).

Важное химическое свойство жиров, как и всех сложных эфиров, - способность подвергаться гидролизу (омылению). Гидролиз легко протекает при нагревании в присутствии катализаторов - кислот, щелочей, оксидов магния, кальция, цинка:

Реакция гидролиза жиров обратима. Однако при участии щелочей она доходит практически до конца - щелочи превращают образующиеся кислоты в соли и тем самым устраняют возможность взаимодействия кислот с глицерином (обратную реакцию).

Жиры - необходимая составная часть пищи. Они широко использу­ются в промышленности (получение глицерина, жирных кислот, мыла).

Мыла и моющие средства

Мыла - это соли высших карбоновых кислот. Обычные мыла состоят главным образом из смеси пальмитиновой, стеариновой и олеиновой кислот. Натриевые соли образуют твердые мыла , калиевые соли - жидкие мыла .

Мыла получаются при гидролизе жиров в присутствии щелочей:

триглицерид стеариновой Глицерин Стеарат натрия

Кислоты (тристеарин) (мыло)

Отсюда реакция, обратная этерификации получила названия реакции омыления ,

Омыление жиров может протекать и в присутствии серной кислоты (кислотное омыление). При этом получаются глицерин и высшие карбоновые кислоты. Последние действием щелочи или соды переводят в мыла.

Исходным сырьем для получения мыла служат растительные масла (подсолнечное, хлопковое и др.), животные жиры, а также гидроксид натрия или кальцинированная сода. Растительные масла предварительно подвергаются гидрогенизации, т. е. их превращают в твердые жиры. Применяются также заменители жиров - синтетические карбоновые жирные кислоты с большой молекулярной массой.

Производство мыла требует больших количеств сырья, поэтому поставлена задача получения мыла из непищевых продуктов. Необходимые для производства мыла карбоновые кислоты получают окислением парафина. Нейтрализацией кислот, содержащих от 10 до 16 углеродных атомов в молекуле, получают туалетное мыло, а из кислот, содержащих от 17 до 21 атома углерода, - хозяйственное мыло и мыло для технических целей. Как синтетическое мыло, так и мыло, получаемое из жиров, плохо моет в жесткой воде. Поэтому наряду с мылом из синтетических кислот производят моющие средства из других видов сырья, например из алкилсульфатов - солей сложных эфиров высших спиртов и серной кислоты.

Эти соли содержат в молекуле от 12 до 14 углеродных атомов и обла­дают очень хорошими моющими свойствами. Кальциевые и магниевые соли растворимы в воде, а потому такие мыла моют и в жесткой воде. Алкилсульфаты содержатся во многих стиральных порошках.

Синтетические моющие средства высвобождают сотни тысяч тонн пищевого сырья - растительных масел и жиров.

Сложные липиды.

Это липиды которые при гидролизе освобождают спирт и фосфорную кислоту, аминоспирты, углеводы..

Фосфолипиды - основой фосфолипидов является фосфатидная кислота.

Фосфолипиды образуют липидный матрикс биологических мембран.

Гетерофункциональные соединения.

К гетерофункциональным соединениям принадлежат гидрокси – и оксокислоты.

Гидроксикислоты

Гидроксикислоты характеризуются наличием в молекуле кроме карбоксильной еще гидроксильной группы О–Н, их общая формула R(OH) n (COOH). Первым представителем органических гидроксикислот будет оксиэтановая кислота (оксиуксусная, оксиметанкарбоновая, гликолевая кислота).

Наиболее важными из гидроксикислот, участвующих в процессах жизнедеятельности, являются:

молочная (2-окси-этанкарбоновая, 2-оксипропановая кислота, оксипропионовая кислота)

яблочная (2-окси-1,2-этандикарбоновая кислота, оксиянтарная кислота)

винная (1,2-диокси-1,2-этандикарбоновая кислота, диоксиянтарная кислота)

лимонная (2-окси-1,2,3-пропантрикарбоновая кислота)

Органические соединения, называемые карбоновыми кислотами, - класс органических соединений, в составе молекул которых содержатся карбоксильные группы, -COOH, одна или несколько. Лёгкое отщепление протона карбоксильной группы обуславливает кислые свойства таких соединений.

Номенклатура и строение органических соединений

Название в номенклатуре ИЮПАК строится из названия углеводорода, соответствующего углеродной цепочке, содержащей функциональную группу, с окончанием «овая » и добавлением слова «кислота ». Атом углерода в составе карбоксильной группы считается первым в углеводородной цепочке. Например, для формулы СН3-СН2-COOH название вещества - пропановая кислота, а СН3-С(СН3)-СООН - 2-метилпропановая, CH3CH2CH2COOH - бутановая.

Рациональная номенклатура к названию углеводорода требует добавления окончания «карбоновая » и слова «кислота », причём атом углерода карбоксила в нумерацию не включается. Например, этилкарбоновая кислота - СН3-СН2-СООН.

У многих веществ гомологического ряда кислот есть тривиальные названия . Например, уксусная (СН3-СООН), муравьиная (НСООН), валериановая (С4Н8-СООН), маргариновая (С16Н33-СООН) и многие другие.

Функциональная группа COOH состоит из карбонила - CO и гидроксила - OH, тем не менее свойства кислот отличаются от свойств альдегидов и спиртов, содержащих в своём составе эти группы.

Общая формула предельных одноосновных карбоновых кислот^ R-COOH, где R - углеводородный радикал.

Классификация карбоновых кислот

Молекулы, содержащие одну функциональную группу, будут называться одноосновными (монокарбоновыми), содержащие две и более - ди- и многоосновными (соответственно ди- и поликарбоновыми).

В зависимости от того, с каким радикалом связан карбоксил, кислоты разделяют на следующие:

• ареновые;
• алифатические;
• алициклические;
• гетероциклические.

По насыщенности углеводородного радикала разделяют насыщенные (предельные, алкановые) и ненасыщенные (непредельные).

При других функциональных группах кислоты будут называться гетерофункциональными, например, аминокислоты, нитрокислоты и т. д.

Качественные реакции

Самые основные качественные реакции органической химии:

• окраска индикатора - красное окрашивание лакмуса;
• реакция с карбонатами или гидрокарбонатами, например, с содой - выделение СО2;
• реакция этерификации - характерный запах продукта реакции (эфира).

Физические свойства

С увеличением массы молекулы уменьшается плотность и растворимость в воде , температура кипения же, напротив, увеличивается. Так, низшие, например, уксусная и муравьиная кислоты являются растворимыми в воде жидкостями, а высшие карбоновые кислоты, такие как пеларгоновая, стеариновая, пальмитиновая и другие - твёрдые вещества, которые в воде не растворяются.

Молекулы монокарбоновых кислот образуют довольно прочные водородные связи. В твёрдом и жидком состояниях они находятся в виде циклических димеров, а в водных растворах - в виде линейных.

Интересная закономерность наблюдается в изменении температур плавления кислот нормального строения. Кислоты, количество атомов углерода в радикале, которых чётное, кипят при более высоких температурах, чем имеющие нечётное. Объясняется это симметричностью строения молекул с чётным количеством углеродных атомов и, как следствие, более сильным взаимодействием между молекулами, а значит большей прочностью кристаллической решётки вещества. Молекулы же нечётного ряда взаимодействуют слабее, соответственно, разрушить их взаимодействие при нагревании проще.

Химические свойства

Таблица основных свойств карбоновых кислот .

Карбоновые считаются слабыми кислотами . При этом монокарбоновые слабее ди- и трикарбоновых кислот. Заместители, являющиеся донорами электронов, ослабляют кислотные свойства, а электроноакцепторные заместители их усиливают, как и кратные связи. Чем дальше заместитель от карбоксильной группы, тем слабее его влияние.

К важным свойствам таких производных, как соли относится реакция получения кетонов методом пиролиза. Кальциевые, ториевые или бариевые соли при нагревании до температуры около 300 °С превращаются в кетоны.

Способы получения

В лаборатории можно получить:

Промышленные способы синтеза основаны на окислении углеводородов с длинными углеводородными цепями. Процесс многоступенчатый с множеством побочных продуктов.

Окисление алкенов: 2CH3-CH2-CH2-CH3 + 5O2 → 4CH3COOH + 2H2O.

Окисление алкенов: CH2=CH2 + O2 → CH3COOHСH3-CH=CH2 + 4[O] → CH3COOH + HCOOH.

Некоторые кислоты (такие как муравьиная, масляная, уксусная, валериановая и прочие) получаются специфическими способами с использованием природных ингредиентов (жиров, эфирных масел, восков).

Применяют кислоты в химической промышленности в качестве исходных соединений для органического синтеза, например, галогенкислот, кетонов, виниловых эфиров.

Области применения муравьиной кислоты основаны на её бактерицидных свойствах. Она применяется в качестве антисептика, в пищевой промышленности, а так же сельском хозяйстве как консервант.

В пищевой, химической, фармацевтической промышленности, а также в домашнем хозяйстве активно применяется уксусная.

Масляная кислота в химической промышленности используется в качестве вещества, из которого производят ароматизаторы, пластификаторы, с её помощью экстрагируют щелочно-земельные металлы.

Щавелевая может применяться в качестве реагента в аналитической химии органических веществ, в металлургической промышленности, для приготовления чернил.

Стеариновая C17H35COOH, пальмитиновая C15H31COOH используются как компонент косметических средств, в качестве смазочного материала при обработке металлов. Их натриевая соль является поверхностно активным веществом.

Практически у всех дома есть уксус. И большинство людей знают, что его основу составляет Но что она представляет собой с химической точки зрения? Какие еще этого ряда существуют и каковы их характеристики? Попробуем разобраться в этом вопросе и изучить предельные одноосновные карбоновые кислоты. Тем более что в быту применяется не только уксусная, но и некоторые другие, а уж производные этих кислот вообще частые гости в каждом доме.

Класс карбоновых кислот: общая характеристика

С точки зрения науки химии, к данному классу соединений относят кислородсодержащие молекулы, которые имеют особенную группировку атомов - карбоксильную функциональную группу. Она имеет вид -СООН. Таким образом, общая формула, которую имеют все предельные одноосновные карбоновые кислоты, выглядит так: R-COOH, где R - это частица-радикал, которая может включать любое количество атомов углерода.

Согласно этому, определение данному классу соединений можно дать такое. Карбоновые кислоты - это органические кислородсодержащие молекулы, в состав которых входит одна или несколько функциональных группировок -СООН - карбоксильные группы.

То, что данные вещества относятся именно к кислотам, объясняется подвижностью атома водорода в карбоксиле. Электронная плотность распределяется неравномерно, так как кислород - самый электроотрицательный в группе. От этого связь О-Н сильно поляризуется, и атом водорода становится крайне уязвимым. Он легко отщепляется, вступая в химические взаимодействия. Поэтому кислоты в соответствующих индикаторах дают подобную реакцию:

Благодаря атому водорода, карбоновые кислоты проявляют окислительные свойства. Однако наличие других атомов позволяет им восстанавливаться, участвовать во многих других взаимодействиях.

Классификация

Можно выделить несколько основных признаков, по которым делят на группы карбоновые кислоты. Первый из них - это природа радикала. По этому фактору выделяют:

• Алициклические кислоты. Пример: хинная.
• Ароматические. Пример: бензойная.
• Алифатические. Пример: уксусная, акриловая, щавелевая и прочие.
• Гетероциклические. Пример: никотиновая.

Если говорить о связях в молекуле, то также можно выделить две группы кислот:

Также признаком классификации может служить количество функциональных групп. Так, выделяют следующие категории.

1. Одноосновные - только одна -СООН-группа. Пример: муравьиная, стеариновая, бутановая, валериановая и прочие.
2. Двухосновные - соответственно, две группы -СООН. Пример: щавелевая, малоновая и другие.
3. Многоосновные - лимонная, молочная и прочие.

История открытия

Виноделие процветало с самой древности. А, как известно, один из его продуктов - уксусная кислота. Поэтому история известности данного класса соединений берет свои корни еще со времен Роберта Бойля и Иоганна Глаубера. Однако при этом химическую природу этих молекул выяснить долгое время не удавалось.

Ведь долгое время господствовали взгляды виталистов, которые отрицали возможность образования органики без живых существ. Но уже в 1670 году Д. Рэй сумел получить самого первого представителя - метановую или муравьиную кислоту. Сделал он это, нагревая в колбе живых муравьев.

Позже работы ученых Берцелиуса и Кольбе показали возможность синтеза этих соединений из неорганических веществ (перегонкой древесного угля). В результате была получена уксусная. Таким образом были изучены карбоновые кислоты (физические свойства, строение) и положено начало для открытия всех остальных представителей ряда алифатических соединений.

Физические свойства

Сегодня подробно изучены все их представители. Для каждого из них можно найти характеристику по всем параметрам, включая применение в промышленности и нахождение в природе. Мы рассмотрим, что собой представляют карбоновые кислоты, их и другие параметры.

Итак, можно выделить несколько основных характерных параметров.

1. Если число атомов углерода в цепи не превышает пяти, то это резко пахнущие, подвижные и летучие жидкости. Выше пяти - тяжелые маслянистые вещества, еще больше - твердые, парафинообразные.
2. Плотность первых двух представителей превышает единицу. Все остальные легче воды.
3. Температура кипения: чем больше цепь, тем выше показатель. Чем более разветвленная структура, тем ниже.
4. Температура плавления: зависит от четности количества атомов углерода в цепи. У четных она выше, у нечетных ниже.
5. В воде растворяются очень хорошо.
6. Способны образовывать прочные водородные связи.

Такие особенности объясняются симметрией строения, а значит, и строением кристаллической решетки, ее прочностью. Чем более простые и структурированные молекулы, тем выше показатели, которые дают карбоновые кислоты. Физические свойства данных соединений позволяют определять области и способы использования их в промышленности.

Химические свойства

Как мы уже обозначали выше, данные кислоты могут проявлять свойства разные. Реакции с их участием важны для промышленного синтеза многих соединений. Обозначим самые главные химические свойства, которые может проявлять одноосновная карбоновая кислота.

1. Диссоциация: R-COOH = RCOO - + H + .
2. Проявляет то есть взаимодействует с основными оксидами, а также их гидроксидами. С простыми металлами взаимодействует по стандартной схеме (то есть только с теми, что стоят до водорода в ряду напряжений).
3. С более сильными кислотами (неорганические) ведет себя как основание.
4. Способна восстанавливаться до первичного спирта.
5. Особая реакция - этерификации. Это взаимодействие со спиртами с образованием сложного продукта - эфира.
6. Реакция декарбоксилирования, то есть отщепления от соединения молекулы углекислого газа.
7. Способна взаимодействовать с галогенидами таких элементов, как фосфор и сера.

Очевидно, насколько многогранны карбоновые кислоты. Физические свойства, как и химические, достаточно разнообразны. Кроме того, следует сказать, что в целом по силе как кислоты все органические молекулы достаточно слабы по сравнению со своими неорганическими коллегами. Их константы диссоциации не превышают показателя 4,8.

Способы получения

Существует несколько основных способов, которыми можно получать предельные карбоновые кислоты.

1. В лаборатории это делают окислением:

• спиртов;
• альдегидов;
• алкинов;
• алкилбензолов;
• деструкцией алкенов.

2. Гидролиз:

• сложных эфиров;
• нитрилов;
• амидов;
• тригалогеналканов.

4. В промышленности синтез осуществляют окислением углеводородов с большим числом атомов углерода в цепи. Процесс осуществляется в несколько стадий с выходом множества побочных продуктов.

5. Некоторые отдельные кислоты (муравьиная, уксусная, масляная, валериановая и прочие) получают специфическими способами, используя природные ингредиенты.

Основные соединения предельных карбоновых кислот: соли

Соли карбоновых кислот - важные соединения, используемые в промышленности. Они получаются в результате взаимодействия последних с:

• металлами;
• основными оксидами;
• щелочами;
• амфотерными гидроксидами.

Особенно важное значение среди них имеют те, что образуются между щелочными металлами натрием и калием и высшими предельными кислотами - пальмитиновой, стеариновой. Ведь продукты подобного взаимодействия - мыла, жидкие и твердые.

Мыла

Так, если речь идет о подобной реакции: 2C 17 H 35 -COOH + 2Na = 2C 17 H 35 COONa + H 2 ,

то образующийся продукт - стеарат натрия - это есть по своей природе обычное хозяйственное мыло, используемое для стирки белья.

Если заменить кислоту на пальмитиновую, а металл на калий, то получится пальмитат калия - жидкое мыло для мытья рук. Поэтому можно с уверенностью заявлять, что соли карбоновых кислот - это на самом деле важные соединения органической природы. Их промышленное производство и использование просто колоссально в своих масштабах. Если представить, сколько мыла тратит каждый человек на Земле, то несложно вообразить и эти масштабы.

Эфиры карбоновых кислот

Особая группа соединений, которая имеет свое место в классификации органических веществ. Это класс Образуются они при реакции карбоновых кислот со спиртами. Название таких взаимодействий - реакции этерификации. Общий вид можно представить уравнением:

R , -COOH + R"-OH = R , -COOR" + H 2 O.

Продукт с двумя радикалами и есть сложный эфир. Очевидно, что в результате реакции карбоновая кислота, спирт, сложный эфир и вода претерпели значительные изменения. Так, водород от молекулы кислоты уходит в виде катиона и встречается с гидроксо-группой, отщепившейся от спирта. В итоге формируется молекула воды. Группировка, оставшаяся от кислоты, присоединяет к себе радикал от спирта, образуя молекулу сложного эфира.

Чем же так важны эти реакции и в чем промышленное значение их продуктов? Все дело в том, что сложные эфиры используются, как:

• пищевые добавки;
• ароматические добавки;
• составной компонент парфюма;
• растворители;
• компоненты лаков, красок, пластмасс;
• медикаментов и прочее.

Понятно, что области их использования достаточно широки, чтобы оправдать объемы производства в промышленности.

Этановая кислота (уксусная)

Это предельная одноосновная карбоновая кислота алифатического ряда, которая является одной из самых распространенных по объемам производства во всем мире. Формула ее - СН 3 СООН. Такой распространенности она обязана своим свойствам. Ведь области ее использования крайне широки.

1. Она является пищевой добавкой под кодом Е-260.
2. Используется в пищевой промышленности для консервации.
3. Применяется в медицине для синтеза лекарственных средств.
4. Компонент при получении душистых соединений.
5. Растворитель.
6. Участник процесса книгопечатания, крашения тканей.
7. Необходимый компонент в реакциях химических синтезов множества веществ.

В быту ее 80-процентный раствор принято называть уксусной эссенцией, а если разбавить его до 15%, то получится просто уксус. Чистая 100% кислота называется ледяной уксусной.

Муравьиная кислота

Самый первый и простой представитель данного класса. Формула - НСООН. Также является пищевой добавкой под кодом Е-236. Ее природные источники:

• муравьи и пчелы;
• крапива;
• хвоя;
• фрукты.

Основные области использования:

Также в хирургии растворы данной кислоты используют как антисептические средства.

Классификация

а) По основности (т. е. числукарбоксильных групп в молекуле):

Одноосновные (монокарбоновые) RCOOH; например:

СН 3 СН 2 СН 2 СООН;

НООС-СН 2 -СООН пропандиовая (малоновая) кислота

Трехосновные (трикарбоновые) R(COOH) 3 и т. д.

б) По строению углеводородного радикала:

Алифатические

предельные; например: СН 3 СН 2 СООН;

непредельные; например: СН 2 =СНСООН пропеновая(акриловая) кислота

Алициклические, например:

Ароматические, например:

Предельные монокарбоновые кислоты

(одноосновные насыщенные карбоновые кислоты) – карбоновые кислоты, в которых насыщенный углеводородный радикал соединен с одной карбоксильной группой -COOH. Все они имеют общую формулу C n H 2n+1 COOH (n ≥ 0); или CnH 2n O 2 (n≥1)

Номенклатура

Систематические названия одноосновных предельных карбоновых кислот даются по названию соответствующего алкана с добавлением суффикса - овая и слова кислота.

1. НСООН метановая (муравьиная) кислота

2. СН 3 СООН этановая (уксусная) кислота

3. СН 3 СН 2 СООН пропановая (пропионовая) кислота

Изомерия

Изомерия скелета в углеводородном радикале проявляется, начиная с бутановой кислоты, которая имеет два изомера:

Межклассовая изомерия проявляется, начиная с уксусной кислоты:

CH 3 -COOH уксусная кислота;

H-COO-CH 3 метилформиат (метиловый эфир муравьиной кислоты);

HO-CH 2 -COH гидроксиэтаналь (гидроксиуксусный альдегид);

HO-CHO-CH 2 гидроксиэтиленоксид.

Гомологический ряд

Кислотные остатки и кислотные радикалы

Электронное строение молекул карбоновых кислот

Показанное в формуле смещение электронной плотности в сторону карбонильного атома кислорода обусловливает сильную поляризацию связи О-Н, в результате чего облегчается отрыв атома водорода в виде протона - в водных растворах происходит процесс кислотной диссоциации:

RCOOH ↔ RCOO - + Н +

В карбоксилат-ионе (RCOO -) имеет место р, π-сопряжение неподеленной пары электронов атома кислорода гидроксильной группы с р-облаками, образующими π- связь, в результате происходит делокализация π- связи и равномерное распределение отрицательного заряда между двумя атомами кислорода:

В связи с этим для карбоновых кислот, в отличие от альдегидов, не характерны реакции присоединения.

Физические свойства

Температуры кипения кислот значительно выше температур кипения спиртов и альдегидов с тем же числом атомов углерода, что объясняется образованием циклических и линейных ассоциатов между молекулами кислот за счет водородных связей:

Химические свойства

I. Кислотные свойства

Сила кислот уменьшается в ряду:

НСООН → СН 3 СООН → C 2 H 6 COOH → ...

1. Реакции нейтрализации

СН 3 СООН + КОН → СН 3 СООК + н 2 O

2. Реакции с основными оксидами

2HCOOH + СаО → (НСОО) 2 Са + Н 2 O

3. Реакции с металлами

2СН 3 СН 2 СООН + 2Na → 2СН 3 СН 2 COONa + H 2

4. Реакции с солями более слабых кислот (в т. ч. с карбонатами и гидрокарбонатами)

2СН 3 СООН + Na 2 CO 3 → 2CH 3 COONa + CO 2 + Н 2 O

2НСООН + Mg(HCO 3) 2 → (НСОО) 2 Мg + 2СO 2 + 2Н 2 O

(НСООН + НСО 3 - → НСОО - + СO2 +Н2O)

5. Реакции с аммиаком

СН 3 СООН + NH 3 → CH 3 COONH 4

II. Замещение группы -ОН

1. Взаимодействие со спиртами (реакции этерификации)

2. Взаимодействие с NH 3 при нагревании (образуются амиды кислот)

Амиды кислот гидролизуются с образованием кислот:

или их солей:

3. Образование галогенангидридов

Наибольшее значение имеют хлорангидриды. Хлорирующие реагенты - PCl 3 , PCl 5 , тионилхлорид SOCl 2 .

4. Образование ангидридов кислот (межмолекулярная дегидратация)

Ангидриды кислот образуются также при взаимодействии хлорангидридов кислот с безводными солями карбоновых кислот; при этом можно получать смешанные ангидриды различных кислот; например:

III. Реакции замещения атомов водорода у α-углеродного атома

Особенности строения и свойств муравьиной кислоты

Строение молекулы

Молекула муравьиной кислоты, в отличие от других карбоновых кислот, содержит в своей структуре альдегидную группу.

Химические свойства

Муравьиная кислота вступает в реакции, характерные как для кислот, так и для альдегидов. Проявляя свойства альдегида, она легко окисляется до угольной кислоты:

В частности, НСООН окисляется аммиачным раствором Ag 2 O и гидроксидом меди (II) Сu(ОН) 2 , т. е. дает качественные реакции на альдегидную группу:

При нагревании с концентрированной H 2 SO 4 муравьиная кислота разлагается на оксид углерода (II) и воду:

Муравьиная кислота заметно сильнее других алифатических кислот, так как карбоксильная группа в ней связана с атомом водорода, а не с электроно-донорным алкильным радикалом.

Способы получения предельных монокарбоновых кислот

1. Окисление спиртов и альдегидов

Общая схема окисления спиртов и альдегидов:

В качестве окислителей используют KMnO 4 , K 2 Cr 2 O 7 , HNO 3 и другие реагенты.

Например:

5С 2 Н 5 ОН + 4KMnO 4 + 6H 2 S0 4 → 5СН 3 СООН + 2K 2 SO 4 + 4MnSO 4 + 11Н 2 O

2. Гидролиз сложных эфиров

3. Окислительное расщепление двойных и тройных связей в алкенах и в алкинах

Способы получения НСООН (специфические)

1. Взаимодействие оксида углерода (II) с гидроксидом натрия

СO + NaOH → HCOONa формиат натрия

2HCOONa + H 2 SO 4 → 2НСООН + Na 2 SO 4

2. Декарбоксилирование щавелевой кислоты

Способы получения СН 3 СООН (специфические)

1. Каталитическое окисление бутана

2. Синтез из ацетилена

3. Каталитическое карбонилирование метанола

4. Уксуснокислое брожение этанола

Так получают пищевую уксусную кислоту.

Получение высших карбоновых кислот

Гидролиз природных жиров

Непредельные монокарбоновые кислоты

Важнейшие представители

Общая формула алкеновых кислот: C n H 2n-1 COOH (n ≥ 2)

CH 2 =CH-COOH пропеновая (акриловая) кислота

Высшие непредельные кислоты

Радикалы этих кислот входят в состав растительных масел.

C 17 H 33 COOH - олеиновая кислота, или цис -октадиен-9-овая кислота

Транс -изомер олеиновой кислоты называется элаидиновой кислотой.

C 17 H 31 COOH - линолевая кислота, или цис, цис -октадиен-9,12-овая кислота

C 17 H 29 COOH - линоленовая кислота, или цис, цис, цис -октадекатриен-9,12,15-овая кислота

Кроме общих свойств карбоновых кислот, для непредельных кислот характерны реакции присоединения по кратным связям в углеводородном радикале. Так, непредельные кислоты, как и алкены, гидрируются и обесцвечивают бромную воду, например:

Отдельные представители дикарбоновых кислот

Предельные дикарбоновые кислоты HOOC-R-COOH

HOOC-CH 2 -COOH пропандиовая (малоновая) кислота, (соли и эфиры - малонаты)

HOOC-(CH 2) 2 -COOH бутадиовая (янтарная) кислота, (соли и эфиры - сукцинаты)

HOOC-(CH 2) 3 -COOH пентадиовая (глутаровая) кислота, (соли и эфиры - глутораты)

HOOC-(CH 2) 4 -COOH гексадиовая (адипиновая) кислота, (соли и эфиры - адипинаты)

Особенности химических свойств

Дикарбоновые кислоты во многом сходны с монокарбоновыми, однако являются более сильными. Например, щавелевая кислотасильнее уксусной почти в 200 раз.

Дикарбоновые кислоты ведут себя как двухосновные и образуют два ряда солей - кислые и средние:

HOOC-COOH + NaOH → HOOC-COONa + H 2 O

HOOC-COOH + 2NaOH → NaOOC-COONa + 2H 2 O

При нагревании щавелевая и малоновая кислоты легко декарбоксилируются: