Помощь в изучении химии. КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ.

Примерное время на чтение статьи: 13 минуты

КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ.

 Карбоновые кислоты – это кислородсодержащие органически вещества, молекулы которых содержат одну или несколько карбоксильных групп  (-СOOH), соединённых с углеродным радикалом или водородным атомом. 

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

Классификация.

А) По числу карбоксильных групп в молекуле:

Б) По природе углеводородного радикала:

Изомерия.

I. Структурная

А) Изомерия углеродного скелета (начиная с C₄) 

Б) Межклассовая со сложными эфирами R- CO – O- R₁  (начиная с C₂); Например: для С₃Н₆О₂ — CH₃-CH₂-COOH пропионовая кислота и СH₃-CO-OCH₃ метиловый эфир уксусной кислоты.

II. Пространственная

А) Оптическая 

Б) Цис- транс – изомерия  для непредельных кислот

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 (CH₃)₂CH-CH₂-COOH называется 3-метилбутановая кислота. Для органических кислот широко используются также тривиальные названия, которые обычно отражают природный источник, где были впервые обнаружены эти соединения. 

Формула	Название кислоты R-COOH		Название остатка RCOO—
	систематическое	тривиальное
HCOOH	метановая	муравьиная	формиат
CH3COOH	этановая	уксусная	ацетат
C2H5COOH	пропановая	пропионовая	пропионат
C3H7COOH	бутановая	масляная	бутират
C4H9COOH	пентановая	валерьяновая	валерат
C5H11COOH	гексановая	капроновая	капрат
C15H31COOH	гексадекановая	пальмитиновая	пальмитат
C17H35COOH	октадекановая	стеариновая	стеарат
C6H5COOH	бензолкарбоновая	бензойная	бензоат
CH2=СH-COOH	пропеновая	акриловая	акрилат

Для многоосновных кислот применяют суффиксы -диовая, -триовая и т.д. Например: HOOC-COOH — этандиовая (щавелевая) кислота; HOOC-CH₂-COOH — пропандиовая (малоновая) кислота.

ПРЕДЕЛЬНЫЕ ОДНООСНОВНЫЕ КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ.

C_nH_2n+1-COOH или C_nH_2nO₂

Гомологический ряд.

Название кислоты		Формула кислоты	tпл. °C	tкип. °C	ρ г/см3
муравьиная	метановая	HCOOH	8,3	100,5	1,22
уксусная	этановая	CH3COOH	16,8	118	1,05
пропионовая	пропановая	CH3CH2COOH	-21	141	0,99
масляная	бутановая	CH3(CH2)2COOH	-6	164	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: этано-вая (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 С₁₀ — твердые вещества.

Простейший представитель – муравьиная кислота НСООН – бесцветная жидкость с т. кип. 101 °С, а чистая безводная уксусная кислота CH3COOH при охлаждении до 16,8 °С превращается в прозрачные кристаллы, напоминающие лед (отсюда ее название ледяная кислота).

Для усвоения изученного материала посмотрите видео-урок, перейдя по ссылке: https://youtu.be/pJ1uH94VUoU

Химические свойства карбоновых кислот.

Карбоновые кислоты проявляют высокую реакционную способность. Они вступают в реакции с различными веществами и образуют разнообразные соединения, среди которых большое значение имеют функциональные производные, т.е. соединения, полученные в результате реакций по карбоксильной группе.

Названия солей составляют из названий остатка RCOO^– (карбоксилат-иона) и металла. Например, CH₃COONa – ацетат натрия, (HCOO)₂Ca – формиат кальция, C₁₇H₃₅COOK – стеарат калия и т.п.

Карбоновые кислоты проявляют химические свойства характерные для неорганических кислот.

1. Диссоциация:  R-COOH ↔ RCOO^— + H⁺ 

-Сила кислот уменьшается в ряду: H-COOH > CH₃-COOH > CH₃-CH₂-COOH

2. Взаимодействие с активными металлами: 2R-COOH + 2Na → 2R-COONa + H₂↑

3. Взаимодействие с основными оксидами и основаниями: 2R-COOH + CaO → (R-COO)₂Ca + H₂O R-COOH + NaOH → R-COONa + H₂O

4. Взаимодействие с солями слабых кислот: R-COOH + NaHCO₃ → R-COONa + H₂O + CO₂↑

Соли карбоновых кислот разлагаются сильными минеральными кислотами: R-COONa + HСl → NaCl + R-COOH 

-В водных растворах гидролизуются: R-COONa + H₂O ↔ R-COOH + NaOH

5. Образование сложных эфиров со спиртами:

Для карбоновых кислот характерны специфические химические свойства 

1. Образование функциональных производных  R-CO-X  (реакции по гидроксильной группе)

Получение  хлорангидридов: R-COOH + PCl₅ → R-CO-Cl + POCl₃ + HCl 

2. Образование амидов: CH₃COOH + NH₃→CH₃COONH₄ ^t˚C→ CH₃CONH₂ + H₂O

Вместо карбоновых кислот чаще используют их галогенангидриды:

Амиды образуются также при взаимодействии карбоновых кислот (их галогенангидридов или ангидридов) с органическими производными аммиака (аминами):

Амиды играют важную роль в природе. Молекулы природных пептидов и белков построены из a-аминокислот с участием амидных групп — пептидных связей. 

3. Реакции замещения с галогенами (реакции по углеводородному радикалу с образованием  а-хлорпроизводных карбоновых кислот):

4. Особенности муравьиной кислоты H-COOH: Даёт реакцию «Серебряного зеркала»:

H-COOH + 2[Ag(NH₃)₂]OH → 2Ag↓ + (NH₄)₂CO₃ + 2NH₃ + H₂O

Окисление хлором: H-COOH + Cl₂ → CO₂ + 2HCl

Вступает в реакцию с гидроксидом меди(II): H-COOH + 2Cu(OH)₂ ^t → Cu₂O↓ + CO₂↑ + 3H₂O

Разлагается при нагревании: HCOOH   ^t,H2SO4→    CO↑ + H₂O

5. Реакции декарбоксилирования солей карбоновых кислот (получение алканов):  R-COONa + NaOH ^t →  Na₂CO₃ + R-H (алкан)                6. Окисление в атмосфере кислорода: R-COOH + O₂ → CO₂ + H₂O

Для усвоения изученного материала посмотрите видео-урок, перейдя по ссылке: https://youtu.be/X1jrIBMeoUo

Получение карбоновых кислот.

I. В промышленности

1. Выделяют из природных продуктов (жиров, восков, эфирных и растительных масел).

2. Окисление алканов:            

2CH₄ + + 3O₂ ^t,kat → 2HCOOH + 2H₂O ^{метан                       муравьиная  кислота} 

2CH₃-CH₂-CH₂-CH₃ + 5O₂  ^t,kat,p →  4CH₃COOH + 2H₂O           ^{н-бутан                                      уксусная кислота}                         

3. Окисление алкенов:                     

CH₂=CH₂ + O₂ ^t,kat → CH₃COOH          ^этилен                                 

СH₃-CH=CH₂ + 4[O]   ^t,kat →  CH₃COOH + HCOOH (уксусная кислота+муравьиная кислота)

4. Окисление гомологов бензола (получение бензойной кислоты): C₆H₅-C_nH_2n+1 + 3n[O]      ^KMnO4,H+→     C₆H₅-COOH + (n-1)CO₂ + nH₂O      5C₆H₅-CH₃ + 6KMnO₄ + 9H₂SO₄ → 5C₆H₅-COOH + 3K₂SO₄ + 6MnSO₄ + 14H₂O ^{толуол                                                бензойная кислота}    

5.  Получение муравьиной кислоты:           

1 стадия:  CO + NaOH  ^t,p →  HCOONa (формиат натрия – соль)

2 стадия:   HCOONa + H₂SO₄ → HCOOH + NaHSO₄   

6. Получение уксусной кислоты:      СH₃OH + CO ^t,p →   CH₃COOH

II. В лаборатории

1. Гидролиз сложных эфиров: 

2. Из солей карбоновых кислот:

 R-COONa + HCl → R-COOH + NaCl

3. Растворением ангидридов карбоновых кислот в воде: (R-CO)₂O + H₂O → 2 R-COOH 

4. Щелочной гидролиз галоген производных карбоновых кислот:

III. Общие способы получения карбоновых кислот 

1. Окисление альдегидов:  R-COH + [O] → R-COOH

Например, реакция «Серебряного зеркала» или окисление гидроксидом меди (II) – качественные реакции альдегидов 

2. Окисление спиртов: R-CH₂-OH + 2[O] ^t,kat → R-COOH + H₂O

3. Гидролиз галогензамещённых углеводородов, содержащих три атома галогена у одного атома углерода.

4. Из цианидов (нитрилов) – способ позволяет наращивать углеродную цепь: СH₃-Br + Na-C≡N → CH₃-CN + NaBr 

СH₃-CN + 2H₂O ^t  → CH₃COONH₄ ^{метилцианид ( нитрил уксусной кислоты)           ацетат аммония} 

CH₃COONH₄ + HCl → CH₃COOH + NH₄Cl

5. Использование реактива Гриньяра: R-MgBr + CO₂ →   R-COO-MgBr   ^H2O → R-COOH + Mg(OH)Br

Для усвоения изученного материала посмотрите видео-урок, перейдя по ссылке: https://youtu.be/xk1yagmBMlo

Применение карбоновых кислот.

Муравьиная кислота – в медицине — муравьиный спирт (1,25% спиртовой раствор муравьиной кислоты), в пчеловодстве, в органи-ческом синтезе, при получении растворителей и консервантов; в качестве сильного восстановителя. Впервые была выделена в XVII веке из красных лесных муравьев. Содержится также в соке жгучей крапивы. Безводная муравьиная кислота – бесцветная жидкость с острым запахом и жгучим вкусом, вызывающая ожоги на коже. Применяется в текстильной промышленности в качестве протравы при крашении тканей, для дубления кож, а также для различных синтезов.

Уксусная кислота – в пищевой и химической промышленности (производство ацетилцеллюлозы, из которой получают ацетатное волокно, органическое стекло, киноплёнку; для синтеза красителей, медикаментов и сложных эфиров). В домашнем хозяйстве как вкусовое и консервирующее вещество. Широко распространена в природе – содержится в выделениях животных (моче, желчи, испражнениях), в растениях (в зеленых листьях). Образуется при брожении, гниении, скисании вина, пива, содержится в кислом молоке и сыре. Температура плавления безводной уксусной кислоты + 16,5°C, кристаллы ее прозрачны как лед, поэтому ее называют ледяной уксусной кислотой. Впервые получена в конце XVIII века русским ученым Т. Е. Ловицем. Натуральный уксус содержит около 5% уксусной кислоты. Из него приготовляют уксусную эссенцию, используемую в пищевой промышленности для консервирования овощей, грибов, рыбы. Уксусная кислота широко используется в химической промышленности для различных синтезов.

Масляная кислота – для получения ароматизирующих добавок, пластификаторов и флотореагентов. 

Щавелевая кислота – в металлургической промышленности (удаление окалины).

Стеариновая C₁₇H₃₅COOH и пальмитиновая кислота C₁₅H₃₁COOH – в качестве поверхностно-активных веществ, смазочных мате-риалов в металлообработке.

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

Представители ароматических и непредельных карбоновых кислот 

Бензойная кислота  C₆H₅COOH — наиболее важный представитель ароматических кислот. Распространена в природе в растительном мире: в бальзамах, ладане, эфирных маслах. В животных организмах она содержится в продуктах распада белковых веществ. Это кристаллическое вещество, температура плавления 122°C, легко возгоняется. В холодной воде растворяется плохо. Хорошо растворяется в спирте и эфире.

Ненасыщенные непредельные кислоты с одной двойной связью в молекуле имеют общую формулу C_nH_2n-1COOH.

Высокомолекулярные непредельные кислоты часто упоминаются диетологами (они называют их ненасыщенными). Самая распро-страненная из них – олеиновая СН₃–(СН₂)₇–СН=СН–(СН₂)₇–СООН или C₁₇H₃₃COOH. Она представляет собой бесцветную жидкость, затвердевающую на холоде.

Особенно важны полиненасыщенные кислоты с несколькими двойными связями:линолевая СН₃–(СН₂)₄–(СН=СН–СН₂)₂–(СН₂)₆–СООН или C₁₇H₃₁COOH с двумя двойными связями, линоленовая СН₃–СН₂–(СН=СН–СН₂)₃–(СН₂)₆–СООН илиC₁₇H₂₉COOH с тремя двойными связями и арахидоновая СН₃–(СН₂)₄–(СН=СН–СН₂)₄–(СН₂)₂–СООН с четырьмя двойными связями; их часто называют незаменимыми жирными кислотами. Именно эти кислоты обладают наибольшей биологической активностью: они участвуют в переносе и обмене холестерина, синтезе простагландинов и других жизненно важных веществ, поддерживают структуру клеточных мембран, необхо-димы для работы зрительного аппарата и нервной системы, влияют на иммунитет. Отсутствие в пище этих кислот тормозит рост животных, угнетает их репродуктивную функцию, вызывает различные заболевания. Линолевую и линоленовую кислоты организм человека сам синтезировать не может и должен получать их готовыми с пищей (как витамины). Для синтеза же арахидоновой кис-лоты в организме необходима линолевая кислота. Полиненасыщенные жирные кислоты с 18 атомами углерода в виде эфиров гли-церина находятся в так называемых высыхающих маслах–льняном, конопляном, маковом и др. Линолевая кислота C₁₇H₃₁COOH  и линоленовая кислота   C₁₇H₂₉COOH входят в состав растительных масел. Например, льняное масло содержит около 25% линолевой кислоты и до 58% линоленовой.

Сорбиновая (2,4-гексадиеновая) кислота СН₃–СН=СН–СН=СНСООН была получена из ягод рябины (на латыни – sorbus). Эта кислота – прекрасный консервант, поэтому ягоды рябины не плесневеют.

Простейшая непредельная кислота, акриловая СН₂=СНСООН, имеет острый запах (на латыни acris – острый, едкий). Акрилаты (эфиры акриловой кислоты) используются для получения органического стекла, а ее нитрил (акрилонитрил) – для изготовления синтетичес-ких волокон. 

Называя вновь выделенные кислоты, химики дают волю фантазии. Например: название ближайшего гомолога акриловой кисло-ты, кротоновой СН₃–СН=СН–СООН, происходит вовсе не от крота, а от растения Croton tiglium, из масла которого она была выделена. Очень важен синтетический изомер кротоновой кислоты –метакриловая кислота СН₂=С(СН₃)–СООН, из эфира которой (метилмета-крилата), как и из метилакрилата, делают прозрачную пластмассу – оргстекло.

Непредельные карбоновые кислоты способны к реакциям при­соединения: 

СН₂=СН-СООН + Н₂   →  СН₃-СН₂-СООН

СН₂=СН-СООН + Сl₂  →   СН₂Сl-СНСl-СООН

СН₂=СН-СООН + HCl  →  СН₂Сl-СН₂-СООН

СН₂=СН-СООН + Н₂O  →  НО-СН₂-СН₂-СООН

Две последние реакции протекают против правила Марковникова. 

Непредельные карбоновые кислоты и их производные способ­ны к реакциям полимеризации.

Для лучшего закрепления изученного материала перейдите по ссылке: https://learningapps.org/watch?v=pyr2y0eta23 и выполните задания.