Карбоновые кислоты

2020-06-032021-03-09zzyxelСтудИзба

3.4. Карбоновые кислоты

Карбоновые кислоты – это органические соединения, в молекулах которых

содержится одна или несколько функциональных карбоксильных групп

Общая формула одноосновных карбоновых кислот:

В зависимости от числа карбоксильных групп карбоновые кислоты делят на монокарбоновые, дикарбоновые, трикарбоновые (табл. 3.10), а в зависимости от строения углеводородного радикала – на алифатические (предельные и непредельные) и ароматические. Алифатические кислоты с неразветвленным строением цепи называют жирными кислотами.

Таблица 3.10

Классификация карбоновых кислот

Признак

классификации

Рекомендуемые материалы

Получите пропан сплавлением натриевой соли карбоновой кислоты соответствующего строения со щелочью. Напишите для этого алкана реакции бромирования, нитрования и сульфохлорирования.

Химия

50 руб.

Напишите уравнения реакций, протекающих при взаимодействии α-аминомасляной кислоты с едким кали, соляной кислотой, ангидридом уксусной кислоты. Напишите проекционные формулы стереоизомеров α-аминомасляной кислоты. Какое строение имеет дипептид, постр

Производство уксусной кислоты

Химия

Приведите уравнения реакций количественного определения кислоты салициловой (Мr 138,1) методом обратной броматометрии. Укажите индикатор, переход его окраски в точке конца титрования. Рассчитайте молярную массу эквивалента, титр по определяемому веще

Химия

60 руб.

FREE

Химия наследственности. Нуклеиновые кислоты. ДНК. РНК. Репликация ДНК и передача наследственной информации

Химия

Типы кислот

Примеры

Строение

углеводородного радикала

Предельные

(алкановые)

СН₃–СН₂–СООН

пропановая кислота (пропионовая)

Непредельные

(алкеновые, алкиновые)

СН₂=СН–СООН

пропеновая кислота (акриловая)

Ароматические

С₆Н₅–СООН

фенилкарбоновая кислота (бензойная)

Число –СООН групп (основность)

Монокарбоновые

СН₃СООН

этановая кислота (уксусная)

Дикарбоновые

НООС–СООН

этандиовая кислота (щавелевая)

Трикарбоновые

НООС–СН₂–СН–СН₂–СООН

СООН

1,2,3-пропантрикарбоновая кислота

Число атомов С

Низшие (до С₁₅)

С₄Н₉СООН

пентановая кислота (валериановая)

Высшие (от С₁₅)

С₁₇Н₃₅СООН

октадекановая кислота (стеариновая)

Электронную формулу карбоновой кислоты и распределение электронной плотности в ее молекуле можно представить следующим образом:

Атом углерода карбоксильной группы находится в состоянии sp²-гибридизации. Поскольку карбоксильная группа содержит два атома кислорода, то полярность связи О–Н в кислотах больше, чем в спиртах, т. е. усиливаются кислотные свойства.

3.4.1. МОНОКАРБОНОВЫЕ ОДНООСНОВНЫЕ ПРЕДЕЛЬНЫЕ КИСЛОТЫ

Общая формула предельных монокарбоновых кислот C_nH₂_n₊₁CООН, где n = 0,1,2,3,...

В табл. 3.11 представлен гомологический ряд предельных монокарбоновых кислот.

Таблица 3.11

Гомологический ряд предельных монокарбоновых кислот

Формула кислоты	Название	Кислотный остаток R–СОО^– (карбоксилат)
по номенклатуре ИЮПАК	тривиальные
НСООН	метановая	муравьиная	НСОО^– – метаноат (формиат)
СН₃СООН	этановая	уксусная	СН₃СОО^– – этаноат (ацетат)
СН₃СН₂СООН	пропановая	пропионовая	СН₃СН₂СОО^– – пропионат
СН₃(СН₂)₂СООН	бутановая	масляная	СН₃(СН₂)₂СОО^– – бутират
СН₃(СН₂)₃СООН	пентановая	валериановая	СН₃(СН₂)₃СОО^– – валерат
СН₃(СН₂)₄СООН	гексановая	капроновая	СН₃(СН₂)₄СОО^– – капронат
СН₃(СН₂)₁₄СООН	гексадекановая	пальмитиновая	СН₃(СН₂)₁₄СОО^– – пальмитат
СН₃(СН₂)₁₅СООН	гептадекановая	маргариновая	СН₃(СН₂)₁₅СОО^– – маргарат
СН₃(СН₂)₁₆СООН	октадекановая	стеариновая	СН₃(СН₂)₁₆СОО^– – стеарат

Для предельных монокарбоновых кислот характерны два типа изомерии: изомерия углеродной цепи (рис. 3.7, а) и изомерия в классах кислородсодержащих соединений: сложных эфиров, альдегидоспиртов и кетоспиртов (рис. 3.7, б).

С₄Н₈О

изобутановая

(2-метилпропановая) кислота

СН₃–СН₂–СН₂–СООН

н-бутановая (масляная) кислота

С₃Н₆О₂

гидроксиацетон

2-гидроксипропаналь

метилацетат

пропановая

(пропионовая) кислота

Рис. 3.7. Изомерия предельных монокарбоновых кислот:

а – изомерия углеродной цепи;

б – изомерия в классе кислородсодержащих соединений

Свойства, способы получения и области применения предельных монокарбоновых кислот приведены в табл. 3.12.

При взаимодействии уксусной кислоты с хлором при нагревании последовательно образуются монохлоруксусная, дихлоруксуснаяи трихлоруксусная кислоты:

СН₃СООН СН₂СlСООН CHCl₂COOH CCl₃COOH

монохлоруксусная дихлоруксусная трихлоруксусная

кислота кислота кислота

Сила этих кислот увеличивается в ряду:

СН₃СООН < CH₂ClCOOH < СНСl₂СООН < ССl₃СООН

Таблица 3.12

Свойства, способы получения и области применения

предельных монокарбоновых кислот

Физические

свойства

Химические свойства

Способы получения

Области

применения

Муравьиная кислота–бесцветная жидкость с резким запахом и температурой кипения 101°С. В воде растворяется в любых количествах. На коже человека вызывает ожоги. В природе содержится в железах муравьев и в листьях крапивы.

Уксусная кислота – бесцветная с резким запахом жидкость, кристаллизуется при +16,6°С в массу, похожую на лед (ледяная уксусная кислота). Водный раствор уксусной кислоты концентрацией 3-9 % называют уксусом и употребляют

1 . Наиболее химически активна из всех карбоновых кислот муравьиная кислота. Она обладает свойствами альдегида (из-за наличия в молекуле кислоты альдегидной группы) и дает реакцию "серебряного зеркала":

+ Аg₂O

2Аg↓+ СО₂↑ + Н₂О

2. Окисление муравьиной кислоты

а)

+ [О]

[Н₂СО₃] Н₂О + СО₂↑

угольная кислота

б)

+ 2Сu(ОН)₂

Cu₂O↓ + СО₂↑ + Н₂О

красный осадок

3. Разложение муравьиной кислоты при нагревании:

НСООН CO↑ + Н₂О

4. Уксусная кислота по химическим свойствам похожа на минеральные кислоты: она в водных растворах диссоциирует на ионы:

СН₃СООН ↔ Н⁺ + CH₃COО^–

и взаимодействует с активными металлами, их оксидами, основаниями и солями слабых минеральных кислот:

а) 2СН₃СООН + Са

(СН₃СОО)₂Са + Н₂

ацетат кальция

1. "Вымачивание" муравьев в воде с последующей перегонкой раствора.

2. Взаимодействие оксида углерода (II) с гидроксидом натрия:

CO + NaOH

+ NaHSO₄

3. Синтез уксусной кислоты из ацетилена по реакции М.Г.Кучерова (промышленный способ):

СН≡СН + Н₂О

4. Окисление кислородом воздуха бутана:

2С₄Н₁₀+ 5О₂

4СН₃СООН + 2Н₂О

5. Окисление альдегидов и первичных спиртов:

а)

б) СН₃–СН₂–ОН + 2[О]

CH₃COOH + Н₂О

6. Реакция метанола с оксидом углерода (II):

СН₃ОН + СО СН₃СООН

уксусная кислота

Муравьиная кислота применяется при синтезе органических веществ, как дезинфицирующее и консервирующее средство в пищевой промышленности, при крашении тканей в текстильной промышленности и в медицине при ревматизме.

Сложные эфиры муравьиной кислоты используются в качестве душистых веществ.

Уксусная кислота применяется для изготовления красителей, уксусного ангидрида, этилацетата, винилацетата, аспирина, производства ацетатного волокна

Продолжение

в качестве пищевой приправы и консерванта. Уксусная кислота концентрации 70-80% называется уксусной эссенцией.

В виде сложных эфиров или в свободном состоянии низшие карбоновые кислоты содержатся в растениях, а высшие карбоновые кислоты входят в состав животных жиров и растительных масел

б) 2СН₃СООН + СаО

(СН₃СОО)₂Са + Н₂О

в) 2СН₃СООН + Са(ОН)₂

(СН₃СОО)₂Са + 2Н₂О

г) 2СН₃СООН + Na₂CO₃

2CH₃COONa + СО₂ + Н₂О

5. Взаимодействие уксусной кислоты с аммиаком:

CH₃COOH + NH₃

CH₃COONH₄

+ Н₂О

амид уксусной кислоты

6. Реакция этерификации

+ СН₃ОН

+ Н₂О

7. Реакция межмолекулярной дегидратации:

+ Н₂О

уксусный ангидрид

7. Гидролиз сложных эфиров:

+ Н₂О

+ С₂Н₅ОН

8. Декарбоксилирование щавелевой кислоты:

НООС–СООН НСООН + СО₂

9. Реакции брожения (получение пищевой уксусной кислоты):

С₂Н₅ОН + О₂

СН₃СООН + Н₂О

(триацетилцеллюлозы). В качестве протравы для крашения тканей используют соли уксусной кислоты (алюминиевые, хромовые, железные). Эти же соли применяют в борьбе с вредителями сельского хозяйства. В пищевой промышленности как вкусовое и консервирующее средство и др.

3.4.2. НЕПРЕДЕЛЬНЫЕ КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ

Непредельные карбоновые кислоты – это карбоновые кислоты, содержащие одну или несколько двойных углерод-углеродных связей.

За счет кратной связи непредельные карбоновые кислоты могут участвовать в реакциях ионного присоединения, а за счет карбоксильной группы идут реакции замещения с образованием солей и сложных эфиров.

Основные свойства, способы получения и области применения некоторых представителей непредельных карбоновых кислот приведены в табл. 3.13.

3.4.3. ДИКАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ

Дикарбоновые (двухосновные) кислоты – это карбоновые кислоты, в состав которых входят две карбоксильные группы.

Названия дикарбоновых кислот, как правило, тривиальные, а по номенклатуре ИЮПАК они строятся по общим правилам.

Например, глутаровую кислоту НООС–(СН₂)₃–СООН можно назвать пентандиовой кислотой, а пимелиновую НООС–(СН₂)₅–СООН – гептандиовой кислотой.

Химические свойства, способы получения и области применения основных насыщенных, ароматических и ненасыщенных дикарбоновых кислот представлены в табл. 3.14.

Таблица 3.13

Свойства, способы получения и области применения

непредельных карбоновых кислот

Название и

химическая формула

кислоты

Химические свойства

Способы получения

Области

применения

Акриловая

СН₂=СН–СООН

Метакриловая

СН₂=С–СООН

СН₃

Сорбиновая

СН₃–СН=СН–СН=СН–СООН

Винилуксусная

СН₂=СН–СН₂–СООН

Коричная

С₆Н₅–СН=СН–СООН

Олеиновая

СН₃(СН₂)₇СН=СН(СН₂)₇СООН

Линолевая

СН₃(СН₂)₃(СН₂СН=СН)₂(СН₂)₇СООН

Линоленовая

СН₃(СН₂СН=СН)₃(СН₂)₇СООН

1. Реакции присоединения:

а) СН₃(СН₂)₇СН=СН(СН₂)₇СООН

б) СН₂=СН–СООН CH₂Br–СН₂–СООН

(Присоединение НВr идет против правила Марковникова)

в) СН₂=СН–СООН

N≡C–СН₂–СН₂–СООН

г) СН₂=СН–СООН + СН₃NН₂ СН₃–NH–СН₂–СН₂–СООН

2. Реакции замещения: СН₃(СН₂)₇СН=СН(СН₂)₇СООН +

+ С₂Н₅ОН

СН₃(СН₂)₇СН=СН(СН₂)₇СООС₂Н₅+

+ Н₂О

1. Отщепление воды от оксикарбоновых кислот:

СН₃–СН=СН–СООН

2. Отщепление галогеноводорода от производных карбоновых кислот:

СН₃–СН=СН–СООН

3. Гидролиз нитрилов непредельных карбоновых кислот:

СН₂=СН–СН₂–CN

СН₂=СН–СН₂–СООН

Особо широкое применение имеют акриловая и метакриловая кислоты и их производные, которые используются в реакциях полимеризации и при синтезе каучуков, органического стекла, синтетических волокон

Таблица 3.14

Свойства, способы получения и области применения

дикарбоновых кислот

Название и химическая формула кислоты

Химические свойства

Способы получения

Области применения

Щавелевая (этандиовая)

НООС–СООН

Малоновая (пропандиовая)

НООС–СН₂–СООН

Глутаровая (пентандиовая)

НООС–(СН₂)₃–СООН

Пимелиновая (гептандиовая)

НООС–(СН₂)₅–СООН

Все дикарбоновые кислоты – бесцветные кристаллические вещества, заметно растворимые в воде и обладающие кислотными свойствами. По сравнению с монокарбоновыми кислотами кислотные свойства дикарбоновых кислот выражены сильнее. При нагревании кислоты с короткой цепью (С₂–С₃) образуют продукты декарбоксилирования (монокарбоновые кислоты), а кислоты с более длинной цепью (от С₄) – продукты дегидратации (ангидриды дикарбоновых кислот):

1. Общие методы синтеза карбоновых кислот:

а) Окисление двухатомных первичных спиртов и диальдегидов:

HOCH₂–R–CH₂OH

HOOC–R–COOH

б) гидролиз динитрилов и нитрилов дикарбоновых кислот:

1. В промышленности многие дикарбоновые кислоты используют для получения полимерных материалов (полиэфирные волокна, алкидные смолы, полиамидные волокна).

2. Синтез первичных аминов с ис-пользованием фталимида калия.

Продолжение

Фталевая

Терефталевая

Малеиновая (цис-изомер)

Фумаровая

(транс-изомер)

а) НООС–СООН

НСООН + СО₂

б) НООС–СН₂–СООН

СН₃СООН + СО₂

в) НООС–СН₂–СН₂–СООН

янтарная кислота

+ Н₂О

янтарный ангидрид

г)

фталевая кислота

+ H₂O

фталевый ангидрид

д)

малеиновая кислота

+ Н₂О

малеиновый

ангидрид

NC–R–CN

NC–R–COOH

HOOC–R–COOH

2. Окисление о- и п-ксилолов и нафталина:

о-ксилол

фталевая кислота

б)

нафталин

фталевая кислота

3. Взаимодействие ангидрида с водой:

малеиновый

ангидрид

малеиновая кислота

3. Ангидрид малеиновой кислоты широко применяется в синтезе полиэфирных смол

3.4.4. АРОМАТИЧЕСКИЕ КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ

Ароматические карбоновые кислоты – это органические кислоты, содержащие в молекуле бензольное (ароматическое) кольцо. Название связано с тем, что первые открытые ароматические соединения обладали приятным запахом.

В табл. 3.15 приведены свойства, способы получения и области применения некоторых представителей ароматических карбоновых кислот.

3.4.5. ОКСИКИСЛОТЫ

Оксикислоты (гидроксикислоты) – это органические соединения, в состав которых входят гидроксильные –ОН и карбоксильные –СООН группы.

Для обозначения оксикислот используют тривиальные названия, названия по рациональной номенклатуре и номенклатуре ИЮПАК. Например, название кислоты

по тривиальной номенклатуре молочная кислота, по рациональной α-оксипропионовая, а по номенклатуре ИЮПАК – 2-гидроксипропа-

новая кислота.

Основные свойства, способы получения и области применения некоторых оксикислот приведены в табл. 3.16.

Таблица 3.15

Свойства, способы получения и области применения

ароматических карбоновых кислот

Название и химическая формула кислоты

Химические свойства

Способы получения

Области применения

Бензойная

Хорошо растворима в спирте, эфире, бензоле и плохо – в воде. Проявляет химические свойства, характерные для монокарбоновых кислот

1. Окисление бензальдегида:

Сама кислота и ее соль C₆H₅COONa хорошие консерванты; производство красителей

Салициловая

(2-гидрокси-бензойная)

Растворимые в воде кристаллы:

+ СО₂

Карбоксилирование фенолята натрия СО₂ под давлением:

Сама кислота– консервант в пищевой промышленности, а ее уксуснокислый эфир (аспирин) –

в медицине как лекарственное средство, для изготовления душистых ве-ществ, в аналитической химии

Миндальная

Молекула миндальной кислоты оптически активна – имеет асимметрический атом углерода и существует в виде двух энантиомеров

Никотиновая

Плохо растворимые в воде кристаллы, является биологически активным веществом, содержится в животных тканях

1. Синтезируется в живом организме из триптофана

2. Из цианпиридина или β-алкилзамещенных пиридина или хинолина

В медицине (относится к витаминам группы В)

Терефталевая

(пара-фталевая)

Проявляет химические свойства, характерные для дикарбоновых кислот (см. табл. 3.14). Плохо растворяется в горячем спирте, ацетоне, воде, хлороформе, уксусной кислоте, растворяется в горячей H₂SO₄, пиридине. Соли и эфиры кислоты называются терефталатами

1. Окисление п-ксилола кислородом воздуха (катализаторы Со, Мn).

2. Гидролиз гексахлор-п-ксилола водой (катализатор FеСl₃)

Производство полиэтилентерефталата, терефталоилхлорида, диметилтерефталата, дихлордиметилтерефталата

Продолжение

Фталевая

(орто-фталевая)

Хорошо растворима в Н₂О и С₂Н₅ОН, плохо растворима в эфире, не растворяется в СНСl₃. Проявляет все химические свойства, характерные для дикарбоновых кислот (см. табл. 3.14). Соли и эфиры кислоты называются фталатами.

Окисление нафталина дымящей H₂SO₄ (катализатор – соли ртути) или О₂ (катализаторы - оксиды ванадия и молибден):

нафталин

фталевая кислота

Производство красителей, фталатов (эфиров), используемых в качестве пластификаторов, манометрических жидкостей

Коричная

цис-изомер

транс-изомер

Ароматическая кислота с кратной связью, имеет цис- и транс-изомеры обладает всеми свойствами непредельных α- и β-сопряженных кислот. При медленном нагревании образуется стирол:

С₆Н₅–СН=СН–СООН

С₆Н₅–СН=СН₂+ СО₂

стирол

Конденсация бензальдегида с ацетоном с последующим окислением бензилиденацетона НСlО:

+ (СН₃)₂С=O

бензилиденацетон

Синтез β- бромстирола и эфиров, используемых в качестве душистых веществ и фиксаторов запаха в парфюмерии

Таблица 3.16

Свойства, способы получения и области применения оксикислот

Название и химическая формула кислоты

Химические свойства

Способы получения

Области применения

Гликолевая

(гидроксиуксусная)

НО–СН₂–СООН

Молочная

(α-гидроксипропионовая)

Такие же, как у предельных одноатомных спиртов и одноосновных кислот:

а)

+ NH₃

+ Н₂О

б)

+СН₃СОСl

+ НСl

1. Гидролиз хлоруксусной кислоты:

СН₂Сl–СООН

НО–СН₂–СООН

а) Гидролиз лактонитрила:

CH₃CH(OH)CN

б) ферментативное, молочно-кислое брожение мелассы, картофеля и др.

Протрава при крашении шерсти, при дублении кожи, компонент при чистке паровых котлов.

Производство лекарств, пластификаторов; при протравном крашении.

Продолжение

Яблочная

Винная

Сахарная

Лимонная

α-Гидроксимасляная

(2-гидроксибутановая)

β-Гидроксимасляная

(3-гидроксибутановая)

γ-Гидроксимасляная

(4-гидроксибутановая)

НО–СН₂–СН₂–СН₂–СООН

в) При нагревании образуются непредельные кислоты: НО–СН₂–СН₂–СООН

СН₂=СН–СООН + Н₂О

г) + РСl₅

+ РОСl₃

д) При отщеплении воды от γ-оксикислот образуются внутримолекулярные сложные эфиры – лактоны:

СН₃СНСН₂СН₂СООН

γ -гидроксивалериановая кислота

γ -валеролактон

е) образование сложных эфиров:

+ СН₃ОН

+ Н₂О

Содержится в плодах рябины, яблоках, малине. Синтезируют восстановлением винной кислоты HI при температуре 130°С; гидратацией фумаровой и малеиновой кислот.

2. Взаимодействие малеинового ангидрида с Н₂О₂:

3. Окисление сахарозы или глюкозы азотной кислотой HNO₃:

С₆Н₁₂O₆

4. Общие методы синтеза α-оксикислот

а)

альдегид

α -гидроксинитрил

б) R–СН₂–СООН

Производство вина, фруктовых вод, кондитерских изделий, лекарственных средств.

Сама кислота и ее соли в производстве напитков из фруктовых эссенций, при хлебопечении, в производстве серебряных зеркал, при окраске фарфора и фаянса.

Является реагентом для идентификации моно- и полисахаридов.

Является реагентом для идентификации моно- и

полисахаридов.

Производство ароматизирующих веществ для пищевых продуктов, растворителей, душистых веществ для парфюмерии

Некоторые особенности в строении молочной, яблочной и винной кислот

Молочная кислота является простейшим оптически активным соединением и может существовать в виде двух оптических изомеров – энантиомеров (оптические антиподы, изомеры, которые относятся друг к другу как несимметричный предмет к своему зеркальному отображению): правовращающая (D-молочная кислота) (XIII) и левовращающая (L-молочная кислота) (XIV):

D-молочная кислота L-молочная кислота

(XIII) (XIV)

Яблочная кислота по своей оптической активности аналогична молочной кислоте и также имеет правовращающий (XV) и левовращающий (XVI) оптические изомеры:

D-яблочная кислота L-яблочная кислота

(XV) (XVI)

Винная кислота, в отличие от молочной и яблочной кислот, помимо правовращающего (XVII) и левовращающего (XVIII) изомеров имеет еще и оптически неактивный изомер – мезовинную кислоту (XIX):

Бесплатная лекция: "Функции медиа" также доступна.

D-винная кислота L-винная кислота мезовинная кислота

(XVII) (XVIII) (оптически неактивна)

(XIX)

Следует отметить, что эквимолярная смесь двух оптических изомеров (D и L) оптически неактивна. Такая смесь называется рацемической смесью, или рацематом.

Поделитесь ссылкой:

Популярные услуги

Карбоновые кислоты

Рекомендуемые материалы

Рекомендуемые лекции