Карбоновые кислоты

Карточка контроля знаний (скачать PDF 183КБ)

Карбоновые кислоты – класс органических соединений, молекулы которых содержат одну или несколько функциональных карбоксильных групп COOH.

Классификация карбоновых кислот

1) В зависимости от радикала, связанного с карбоксилом, различают следующие группы карбоновых кислот:

– ароматические:

бензойная кислота

– алифатические (в том числе предельные и непредельные: СН2=СН − СООН акриловая или пропеновая кислота.

– алициклические:

хинная кислота

– гетероциклические:

никотиновая кислота

2) По числу карбоксильных групп кислоты могут быть:

– одноосновными: СН3СООН уксусная кислота.

– двухосновными: НООС – СООН щавелевая кислота.

– многоосновными: НООС СН2 – СОН – СН2 – СООН лимонная кислота.

׀

СООН

Общая формула предельных карбоновых кислот: R–СООН или СnH2nO2, где R – атом водорода или углеводородный радикал, n – количество атомов углерода.

Номенклатура карбоновых кислот

По международной номенклатуре ИЮПАК, название карбоновой кислоты образуется от названия соответствующего алкана с добавлением суффикса -ов, окончания -ая и слова кислота. Нумерация атомов углерода начинается с карбоксильной группы.

3 2 1

СН3 – СН2 – СООН

пропановая кислота

3 2 1

СН3 – С(СН3)2 – СООН

2;2-диметилпропановая кислота

Количество карбоксильных групп указывается в названии префиксами ди- или три-:

НООС – СООН этандиовая или щавелевая кислота

НООС – СН2 – СООН пропандиовая или малоновая кислота

Изомерия карбоновых кислот

1) Структурная

а) Углеродного скелета, начинается с С4Н8О2

СН3 – СН2 – СН2 – СООН

бутановая или масляная кислота

СН3 – СН(СН3) – СООН

2-метилпропановая кислота

б) Межклассовая изомерия со сложными эфирами (начиная с С2Н4О2):

СН3 – СООН

этановая или уксусная кислота

Н – СООСН3

метиловый эфир муравьиной кислоты или метилформиат

в) Изомерия положения кратной связи возможна в случае непредельных карбоновых кислот

СН2=СН – СН2 – СООН

бутен-3-овая или винилуксусная кислота

СН3 – СН=СН – СООН

бутен-2-овая или кретоновая кислота

2) Пространственная

а) Геометрическая или цис-, транс- изомерия возможна в случае непредельных карбоновых кислот

цис -бутен-2-овая транс-бутен-2-овая

кислота кислота

б) Оптическая или зеркальная изомерия

Её проявляют карбоновые кислоты, в молекулах которых присутствует асимметрический атом углерода (атом, связанный с 4-мя различными заместителями).

Например, 2-метилбутановая кислота С2H5 CH(СH3) СООН, в молекуле которой второй атом углерода (выделен цветом) связан с четырьмя различными заместителями, существует в форме двух зеркальных изомеров.

Строение одноосновных предельных карбоновых кислот

Молекулы предельных одноосновных карбоновых кислот содержат полярную группу атомов – карбоксил. Карбок­силь­ная груп­па (карбоксил) об­ра­зо­ва­на со­че­та­ни­ем двух групп: карбонильной (>С=О) и гидроксильной (–ОН). В группе С=О атом углерода обладает частично положительным зарядом и притягивает неподелённую электронную пару атома кислорода из гидроксильной группы. При этом на кислороде электронная плотность понижается и связь О–Н ослабляется. Группа ОН «нейтрализует» положительный заряд на группе С=О, которая перестает вступать в реакции присоединения.

Физические свойства одноосновных предельных карбоновых кислот

Низшие кислоты, т. е. кислоты с относительно небольшой молекулярной массой, содержащие в молекуле до четырех атомов углерода – жидкости с характерным резким запахом. Кислоты, содержащие от 4 до 9 атомов углерода – вязкие маслянистые жидкости с неприятным запахом; содержащие более 9 атомов углерода в молекуле – твердые вещества, которые не растворяются в воде. Температуры кипения предельных одноосновных карбоновых кислот увеличиваются с ростом числа атомов углерода в молекуле и, следовательно, с ростом относительной молекулярной массы. Простейшая карбоновая кислота – муравьиная НСООН, имея небольшую относительную молекулярную массу (Мr(НСООН) = 46), при обычных условиях является жидкостью с температурой кипения 100,8 °С. В то же время бутан (Мr4Н10) = 58) в тех же условиях газ и имеет температуру кипения – 0,5 °С. Это несоответствие температур кипения и относительных молекулярных масс объясняется образованием димеров карбоновых кислот, в которых две молекулы кислоты связаны двумя водородными связями.

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 → CH3COOH → C2H5COOH сила кислот снижается, а в ряду галогензамещенных кислот возрастает:

CH3COOH → CH2ClCOOH → CHCl2COOH → CCl3COOH

уксусная хлоруксусная дихлоруксусная трихлоруксусная

кислота кислота кислота кислота

Химические свойства карбоновых кислот

1) Действие индикатора

R—СООН ↔ R—СОО + Н+

2) Взаимодействие с металлами, стоящими в электрохимическом ряду напряжений до водорода

2R—СООН + Fe → (R—COO)2Fe + Н2

3) Взаимодействие с основными и амфотерными оксидами

2R—СООН + Nа2О → 2R—СООNа + Н2O

2R—СООН + ZnО → (R—СОО)2Zn + Н2O

4. Взаимодействие с гидроксидами металлов

R—СООН + NaOH → R—COONa + Н2O

2R—СООН + Са(ОН)2 → (R—СОО)2Са + 2Н2O

5) Взаимодействие с солями более слабых кислот

СН3СООН + C17H35COONa → CH3COONa + С17Н35СООН↓

2СН3СООН + К2СO3 → 2СН3СООК + Н2O + CO2

6) Реакция этерификации

Н+

С2Н5ОН + RСООН ↔ RСООС2Н5 + Н2О

7) Галогенирование

При галогенировании карбоновых кислот, содержащих более одного атома углерода в углеводородном остатке, возможно образование продуктов с различным положением галогена в молекуле. Если же реакцию проводить в присутствии небольших количеств красного фосфора, то она идёт селективно и водород замещается лишь в α-положении в молекуле кислоты.

СН3 СН2 СООН + Cl2 → СН3 СН(Cl) СООН + HCl

8) Особые свойства непредельных одноосновных кислот

Ненасыщенные кислоты проявляют свойства, обусловленные наличием карбоксильной группы, а также свойства, связанные с наличием двойной связи (реакции окисления, присоединения, полимеризации). Присоединение галогеноводородов и воды к таким кислотам идет медленнее, чем у алкенов и против правила Марковникова. Это объясняется влиянием СООН-группы, уменьшающей электронную плотность в области двойной связи.

а) Гидрирование (Pt/Ni, t0)

СН2=СН – СООН + Н2 → СН3 СН2 СООН

б) Галогенирование (свет)

СН2=СН СООН + Br2 → СН2Br СНBr СООН

в) Гидрогалогенирование (против правила Марковникова)

СН2=СН СООН + НВr → СН2Вr СН2 СООН

г) Гидратация (H2SO4конц., t0) (против правила Марковникова)

СН2=СН – СООН + Н2О → ОН СН2 СН2 СООН

9) Особые свойства муравьиной кислоты

Особенность муравьиной кислоты HCOOH состоит в том, что это вещество - двуфункциональное соединение, оно одновременно является и карбоновой кислотой, и альдегидом:

1) Подобно альдегидам, муравьиная кислота может окисляться:

а) Реакция "серебряного зеркала"

НСООН+2[Ag(NH3)2]OH → (NH4)2CO3 + 2Ag + 2NH3 + H2O

б) Взаимодействие с гидроксидом меди (II)

НСООН + 2Сu(OH)2 → CO2 + Cu2O + 3H2O

в) Окисление хлором

НСООН + Cl2 → CO2 + 2HCl

2) Дегидратация под действием водоотнимающих веществ (H2SO4конц., Р2О5)

НСООН → CO + H2O

Получение карбоновых кислот

1) Окисление алканов

Ряд карбоновых кислот в промышленности получают окислением предельных углеводородов. Практическое значение имеет каталитическое окисление метана до муравьиной кислоты. При окислении других алканов происходит разрыв углеродной цепи (примерно посередине). Например, при каталитическом окислении бутана получают уксусную кислоту:

2СН3 СН2 СН2 СН3 + 5О2 → 4CH3COOH + 2Н2О

2) Окисление алкенов

Алкены с неразветвлённой углеродной цепочкой окисляются по месту двойной связи с образованием карбоновых кислот. В качестве окислителя можно использовать кипящий раствор перманганата калия или кислород воздуха в присутствии катализатора.

СН3 – СН2 – СН2 – СН3 + 2О2 → 2CH3COOH

3) Окисление аренов

Ароматические карбоновые кислоты образуются при окислении гомологов бензола

C6H5CH3 + 3[О] → C6H5CООH + Н2О

В лабораторных условиях в качестве окислителя используют перманганат калия при нагревании.

4) Окисление альдегидов (см. химические свойства альдегидов)

2Cu(OH)2 + СН3 – СН=О → Cu2O↓ + СH3COOH + 2H2O

5) Окисление спиртов (каталитическое)

2CH3 - CH2OH + О2 → 2CH3COOH + 2H2O

6) Из солей карбоновых кислот

CH3COONaкр. + H2SO4 конц. → CH3COOH + NaHSO4

7) Гидролиз тригалогенопроизводных углеводородов, однако только тех, у которых три атома галогена расположены у одного из концевых атомов углерода.

2СН3 — СCl3 + 6NaOHводн. → 2СН3 – СООН + 6NaCl + 2Н2О

8) Специфический способ получения муравьиной кислоты

Нагревание оксида углерода (II) с порошкообразным гидроксидом натрия под давлением

СО + NaOH → HCOONa

HCOONa + H2SO4конц. → HCOOH + NaНSO4

Применение карбоновых кислот

Муравьиная кислота НСООН применяется в промышленности в качестве сильного восстановителя. Её 1,25%-ный раствор в спирте ( муравьиный спирт) применяется в медицине, как консервант (при силосировании зелёной массы и фруктовых соков). Также применяется для обработки кожи и отделке текстиля и бумаги. Сложные эфиры муравьиной кислоты используются в качестве растворителей и душистых веществ.

Наибольшее значение имеет уксусная кислота СН3СООН. Она необходима для синтеза красителей (например индиго), медикаментов (например, аспирина), сложных эфиров, уксусного ангидрида, монохлоруксусной кислоты и т.д. В домашнем хозяйстве как вкусовое и консервирующее вещество. Большие её количества расходуются для производства ацетатного волокна, не горючей кинопленки, органического стекла, пропускающего УФ лучи.

Широко используются её соли - ацетаты. Ацетат свинца (II) применяется для изготовления свинцовых белил и свинцовой примочки в медицине, ацетаты железа (III) и алюминия - в качестве протрав при крошении тканей, ацетат меди (II) – для борьбы с вредителями растений. 3 – 9%-ный водный раствор уксусной кислоты – уксус – вкусовое и консервирующее средство. Некоторые соединения, при получении которых используется уксусная кислота, например натриевая соль 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты, являются гербицидами - средством для борьбы с сорняками.

Масляная кислота C3H7СOOH – для получения ароматизирующих добавок (эфиры метилбутират и изоамилбутират – ароматизаторы в промышленности), пластификаторов и флотореагентов.

Щавелевая кислота НООС–СООН – в металлургической промышленности (удаление окалины), в качестве протравы при крашении, для отбелки соломы, при приготовлении чернил, как реагент в аналитической органической химии. Так же предназначена для удаления ржавчины с унитазов, раковин, кафеля, и для растворения карбонатной накипи.

Стеариновая C17H35COOH и пальмитиновая кислота C15H31COOH – в качестве поверхностно-активных веществ, смазочных материалов в металлообработке. Натриевые и калевые соли высших карбоновых кислот – основные составные части мыла.

Олеиновая кислота C17H33COOH – флотореагент и собиратель при обогащении руд цветных металлов.

Яблочная кислота НООС – СН(ОН) – СН2 – СООН получила широкое применение в пищевой и фармацевтической промышленности как подкислитель, как альтернатива лимонной кислоте в шипучих порошках, средств по уходу за полостью рта, зубных пастах. Обладает отшелушивающим, антиоксидантным, очищающим увлажняющим, отбеливающим, противовоспалительным, слегка вяжущим действием. Используется в пилингах, отбеливающих, антицеллюлитных средствах.

Лимонная кислота НООС – СН2 – С(ОН)СООН – СН2 – СООН, как и её соли (цитрат натрия, цитрат калия, цитрат кальция), широко используется как вкусовая добавка, регулятор кислотности и консервант в пищевой промышленности (пищевые добавки E330 Е333), для производства напитков, сухих шипучих напитков.

Применяется в медицине, в том числе в составе средств, улучшающих энергетический обмен (в цикле Кребса).

В косметике используется как регулятор кислотности, буфер, хелатирующий агент, для шипучих композиций (ванны).

В нефтяной промышленности при бурении нефтяных и газовых скважин используется для нейтрализации цемента в растворе (например, после срезки с цементного моста). Лимонная кислота удаляет ионы кальция из бурового раствора.

Карбоновые кислоты обнаружены в природе:

НСООН крапива. выделение муравьев, хвоя ели.

CH3COOH – продукты скисания, брожение спиртовых жидкостей.

C2H5COOH – древесная смола.

C3H7COOH – сливочное масло.

C4H9COOH – корни травы валерианы.

C6H5COOH – гвоздичное масло.

НООС–СООН – щавель, шпинат, клевер, ревень, томаты, многие ягоды (в виде соли калия).