Лекции 9. Карбоновые кислоты, их производные.

Лекции 9. Карбоновые кислоты, их производные.

 

Учебные вопросы:

1. Карбоновые кислоты в природе, их использование, связи в карбоксильной группе; индуктивный эффект, гомологический ряд, изомерия, номенклатура, способы получения. Физико-химические и пожароопасные свойства предельных и непредельных одноосновных карбоновых кислот.

2. Особенности водородных связей в карбоновых кислотах (по сравнению со спиртами и оксосоединениями), их влияние на изменение физико-химических и пожароопасных свойств данных веществ.

3. Краткая характеристика карбоновых кислот: муравьиной, уксусной, акриловой, метакриловой, бензойной, стеариновой, олеиновой, линолевой и линоленовой.

4. Двухосновные карбоновые кислоты.

 

Карбоновые кислоты

Карбоновыми кислотами называют производные углеводородов, в молекулах которых один или несколько углеродных атомов образуют карбоксильную группу или карбоксил: -C-OH, или –COOH

II

O

В этой сложной функциональной группе соединены друг с другом две простые кислородсодержащие группы: карбонильная >С=О и гидроксильная (или окси группа) –ОН; отсюда и происходит название – карбоксильная группа. Водород гидроксильной группы, входящей в карбоксильную группу, обуславливает кислотные свойства карбоновых кислот; поэтому число карбоксильных групп характеризует основность кислоты. В молекулах одноосновных (монокарбоновых) кислот – одна карбоксильная группа, двухосновных (дикарбоновых) кислот – две карбоксильные группы.

 

Насыщенные одноосновные кислоты

Насыщенные кислоты являются производными насыщенных углеводородов. Высшие гомологи этих кислот впервые были выделены из природных жиров, поэтому их, а затем и все другие кислоты с открытой целью углеродных атомов назвали жирными кислотами.

Масляная кислота изомасляная кислота

Кислоты состава С₄Н₉-СООН с пятью углеродными атомами называются валериановыми кислотами; они существуют в виде четырех изомеров (одна кислота нормального строения, т.е. с неразветвленной цепью, и три кислоты изостроения).

Наибольшее значение обычно имеют кислоты с нормальной цепью углеродных атомов. B таблице приведены тривиальные названия и формулы важнейших предельных одноосновных кислот нормального строения.

 

 

Предельные одноосные кислоты с нормальной цепью и их свойства.

Кислота	Формула	Тпл., °С	Ткип., °С	Константы диссоциац.
Муравьиная	H—COOH	+8,25	100,5	21,4×10^-5
Уксусная	CH3—COOH	+16,6	118,5	1,76×10^-5
Пропионовая	CH3—CH2—COOH	-20,7	141,1	1,34×10^-5
Масляная	CH3—(CH2)2—COOH	-3,1	163,0	1,52×10^-5
Валериановая	CH3—(CH2)3—COOH	-34,5	186,0	1,50×10^-5
Капроновая	CH3—(CH2)4—COOH	-1,5	205,3	1,38×10^-5
Энантовая	CH3—(CH2)5—COOH
Лауриновая	CH3—(CH2)10—COOH	+44,3	225^*
Пальмитиновая	CH3—(CH2)14—COOH	+62,6	271^*
Маргариновая	CH3—(CH2)15—COOH	+60,8	277^*
Стеариновая	CH3—(CH2)16—COOH	+69,4	287^*

^*При 100 мм рт.ст., т.е. при перегонке под уменьшенным давлением.

Рациональная номенклатура

Одноосновные кислоты более чем с двумя атомами углерода рассматривают как производные уксусной кислоты, образованные замещением атомов водорода в ее метильной группе углеводородного радикалами. Пропионовая кислота может быть названа метилуксусной, масляная – этилуксусная, изомасляная – диметилуксусной. Подобно альдегидам за основу рационального названия кислоты изостроения можно принять тривиальное название нормальной кислоты, соответствующей наиболее длинной цепи, включающей карбоксильный углерод. Например, изомасляная кислота может быть названа метилпропионовой.

 

Кислотные остатки

Остатки кислот, образованные отнятием гидроксильной группы карбоксила, общего строения R-C= O называют кислотными или ацильными I

(от латинского слова acidum – кислота) остатками (ацилами). Названия их производят из корня латинского тривиального названия кислоты и окончания – ил. Так, остаток муравьиной кислоты (лат. acidum formicicum) называется формилом, уксусной (acidum aceficum) – ацетилом и т.д. Ниже сопоставлены важнейшие кислоты с формулами и названиями их остатков – ацилов:

Кислота	Остаток	Кислота	Остаток
H—COOH муравьиная	H—CO— формил	СH3(CH2)2-COOH масляная	СH3(CH2)2-CO— бутирил
CH3—COOH уксусная	CH3—CO— ацетил	(CH3)2CH—COOH изомасляная	(CH3)2CH—CO— изобутирил
CH3CH2—COOH пропионовая	CH3CH2—CO— пропионил	CH3(CH2)3-COOH валериановая	CH3(CH2)3-CO— валерил

 

Химические свойства

Химические свойства карбоновых кислот определяются свойствами карбоксильной группы и связанного с ней углеводородного радикала, а также их взаимным влиянием. Мы рассмотрим реакции кислот: а) обусловленные подвижностью атома водорода в карбоксиле; б) основанные на способности гидроксильной группы карбоксила замещаться различными атомами или группами и в) реакции за счет связанного с карбоксилом углеводородного остатка.

 

А) Подвижность водорода карбоксильной группы

(диссоциация карбоновых кислот)

Подобно неорганическим кислотам карбоновые кислоты в водных растворах диссоциируют, образуя катионы водорода и анионы кислот (карбоксилатанионы):

R—COOH ® R—COO^- + H⁺

карбоновая к-та анион кислоты

(карбоксилатанион)

Поэтому растворимые в воде карбоновые кислоты окрашивают лакмус в красный цвет, проводят электрический ток, имеют кислый вкус, т.е. являются электролитами и проявляют кислотные свойства.

Склонность карбоновых кислот к диссоциации обусловлена подвижностью водорода гидроксильной группы карбоксила. Мы уже знаем, что водород гидроксильной группы спиртов тоже подвижен и спирты в некоторой степени проявляют кислотные свойства. Однако в спиртах гидроксильная группа связана с насыщенным углеводородным остатком, и под его влиянием подвижность водорода в гидроксиле столь мала, что спирты являются более слабыми кислотами, чем вода (константы диссоциации спиртов ниже 10^-16), и практически нейтральны. В кислотах же гидроксил непосредственно связан не с углеводородным остатком, а с карбонильной группой, под влиянием этой группы подвижность водорода в гидроксиле настолько увеличивается, что он способен к отщеплению в виде протона. Константы диссоциации карбоновых кислот значительно больше констант диссоциации спиртов и достигают порядка 10^-4-10⁵.

Влияние карбонильной группы на кислотные свойства гидроксила в карбоксиле объясняется смещением p-электронов ее двойной связи к карбонильному кислороду (I):

O^d- O O^1/2-

R ®^d+C R—C R—C

O H O^-: O^1/2-

I II III

Частичный положительный заряд (б+) карбонильного углерода компенсируется сдвигом электронов в связи С—О, что вызывает резкое смещения пары электронов в связи О—Н. Это и обуславливает значительно большую подвижность гидроксильного водорода в кислотах, чем в спиртах, возможность его ионизации. С отрывом иона Н⁺ образуется карбоксилатанион, отрицательный заряд которого в результате электронных смещений, показанных схемой (II), равномерно распределяется между обоими атомами кислорода. Таким образом, связи между атомом углерода и двумя атомами кислорода выровнены, т.е. являются промежуточными между простой и двойной связями; это представлено схемой (III). Поэтому в уравнениях ионных реакций карбоксилатанион правильнее изображать неразвернутой формулой R-COO^- (минус относится ко всему аниону).

Способность карбоновых кислот к диссоциации зависит и от влияния связанного с карбоксилом углеводородного радикала. В таблице приведены константы диссоциации карбоновых кислот; самой сильной одноосновной карбоновой кислотой является муравьиная, в которой карбоксил не связан с радикалом. Кислоты, содержащие в соединении с карбоксилом предельные углеводородные остатки, значительно слабее муравьиной кислоты. Это объясняется электродонорными свойствами алкильных остатков; они вызывают смещение электронов связи R-C, как показано выше в схеме (I). А это в свою очередь в некоторой степени компенсирует положительный заряд карбонильного углерода и, следовательно, уменьшает его влияние на гидроксильную группу.

По сравнению с большинством неорганических кислот насыщенные карбоновые кислоты являются слабыми кислотами. Как мы увидим дальше, введение в радикал кислоты некоторых атомов или групп атомов может значительно повысить способность органических кислот к диссоциации.

 

Образование солей

При взаимодействии с основаниями (реакция нейтрализации), с окислами или с активными металлами водород карбоксильной группы кислоты замещается на металл и образуются соли карбоновых кислот. Например:

СH₃—C—OH + NaOH ® CH₃—C—ONa + H₂O

II II

O О

^{уксусная кислота уксуснокислый натрий (ацетат Na)}

СH₃—C—OH + NH₄OH (или NH₃) ® CH₃—C—ONH₄ + H₂O

II II _{уксуснокислый}

O O ^{аммоний}

Соли карбоновых кислот и щелочных металлов как соли, образованные слабыми кислотами, сильно подвергаются гидролизу и в водных растворах имеют щелочную реакцию:

CH₃—C—ONa + H₂O ® CH₃—C—OH + NaOH

II II

О O

Более сильные минеральные кислоты вытесняют карбоновые кислоты из их солей:

 

CH₃—C—ONa + HCl ® CH₃—C—OH + NaCl

II II

O О

 

В) Реакции замещения гидроксила в карбоксиле (образование функциональных производных карбоновых кислот)

Гидроксильная группа в карбоксиле кислот может быть замещена различными атомами или группами (Х); образующиеся при этом вещества обычно называют функциональными производными карбоновых кислот; строение их может быть представлено общей формулой R—C—X

II

O

Мы кратко рассмотрим образование и свойства таких производных кислот, или галогенангидриды, ангидриды, сложные эфиры.

 

Образование галогенангидридов и их свойства

Гидроксил карбоксильной группы может быть замещен галогеном; при этом образуются галогенангидриды карбоновых кислот. Наиболее часто применяются хлорангидриды; они образуются, например, при действии на кислоты пятихлористого фосфора PCl₅:

R—C—OH + PCl₅ ® R—C—Cl + POCl₃ + HCl

II II

O O

В галогенангидридах галоген соединен с радикалом кислоты – ацилом, поэтому их иначе называют галогенацилами или ацилгалогенидами. В частности, хлорангидрид уксусной кислоты называется хлористым ацетилом или ацетилхлоридом. Он представляет собой бесцветную дымящую на воздухе жидкость с Т_кип. 55 ^оС; d₄²⁰= 1.105

Галогенангидриды – очень реакционноспособные вещества; их применяют для разнообразных синтезов, при которых галоген обменивается на различные группы и образуются другие производные кислот. При действии воды происходит гидролиз галогенангидридов и они разлагаются, образуя карбоновую кислоту и галогеноводород:

R—C—Cl + HOH ® R—C—OH + HCl

II II

O O

С хлорангидридами низших кислот реакция протекает уже на холоду, обычно бурно, с выделением тепла.

 

Образование ангидридов и их свойства

При отщеплении молекулы воды от двух молекул кислоты образуются ангидриды карбоновых кислот. Реакция протекает под влиянием катализатора, над которым пропускают пары кислот, и может быть в общем виде представлена схемой:

R—C—OH + HO—C—R ® R—C—O—C—R + H₂O

II II II II

O O O O

^{кислота кислота ангидрид}

Как видно из общей формулы, ангидриды представляют собой производные кислот, состоящие из двух соединенных через кислород кислотных остатков (ацилов).

Ангидриды получают также действием галогенангидрида кислоты на соль той же кислоты:

R—C—Cl + NaO—C—R ® R—C—O—C—R + NaCl

II II II II

O O O O

^{хлорангидрид соль ангидрид}

Большое практическое значение имеет ангидрид уксусной кислоты, или уксусный ангидрид (ацетангидрид). Он может быть получен из хлористого ацетила и ацетата натрия:

СH₃—C—Cl + NaO—C—CH₃ ® CH₃—C—O—C—CH₃ + NaCl

II II II II

O O O O

^{хлористый ацетил ацетат натрия ацетангидрид}

В настоящее время уксусный ангидрид получают действием уксусной кислоты на кетен:

CН₂=С=О + НО—С—СН₃ ¾® СН₃—С—О—С—СН₃

кетен II II II

O O О

^{уксусная кислота уксусный ангидрид}

Уксусный ангидрид – бесцветная жидкость с острым раздражающим запахом, Т_кип. 140 ^оС, d²⁰=1,079.

Ангидриды кислот, подобно галогенангидридам, очень реакционноспособны; они разлагаются соединениями с активны водородом, образуя производное кислоты и свободную кислоту. При действии воды ангидриды гидролизуются на две молекулы кислоты (а), под действием аммиака образуются соответствующие амины (б), воздействием спирта можно получить соответствующий сложный эфир (в):

(а) R—C—O—C—R + HOH ® R—C—OH + HO—C—R

II II II II

O O O O

(б) CH₃—C—O—C—CH₃ + NH₃ ® CH₃—C—NH₂ + CH₃—C—OH

II II II II

O O O O

^{уксусный ангидрид (ацетангидрид) ацетамид уксусная кислота}

(в) CH₃—C—O—C—CH₃ + НО—СН₃ ®CH₃—C—O—СН₃ + CH₃—C—OH

II II II II

O O O ^{метилацетат} O

Образование сложных эфиров

Сложными эфирами называют производные карбоновых кислот, образовавшиеся в результате замещения гидроксильной группы в карбоксиле кислоты на остаток спирта —OR. Общая формула сложных эфиров

R—C—O—R^'

II

O

Их можно рассматривать и как соединения, в которых радикал кислоты (ацил) связан через кислород с углеводородным радикалом (алкилом).

Сложные эфиры могут быть получены путем реакции этерификации – при непосредственном взаимодействии кислоты со спиртом.

 

Образование амидов и их свойства

Амидами называют производные карбоновых кислот, образующиеся в результате замещения гидроксила в карбоксиле кислоты на одновалентный остаток аммиака – аминогруппу –NH₂. Общая формула амидов R—C—NH₂

II

O

Амиды могут быть получены нагреванием сухих аммониевых солей карбоновых кислот; при этом выделяется вода и образуется амид:

CH₃—C—ONH₄ ® CH₃—C—NH₂ + H₂O

II II

O O

^{уксуснокислый аммоний амид уксусной кислоты}

^{(ацетат аммония) (ацетамид)}

Другой способ заключается в действии аммиака на галогенангидриды и ангидриды кислот:

СH₃—CH₂—C—Cl + H—NH₂ ® CH₃—CH₂—C—NH₂ + HCl

II II

O O

^{хлорангидрид аммиак амид пропионовой кислоты}

^{пропионовой кислоты (пропионамид)}

Только амид муравьиной кислоты (формамид) HCONH₂ – жидкость, остальные амиды – твердые вещества.

Амиды легко гидролизуются при нагревании с водой, особенно в присутствии минеральных кислот или оснований; при этом образуется кислота и выделяется аммиак:

R—C—NH₂ + H—OH ® R—C—OH + NH₃

II II

O O

При нагревании амидов с P₂O₅ или с другими водоотнимающими средствами выделяется молекула воды и образуются нитрилы кислот – соединения, содержащие в молекулах вместо карбоксильной группы остаток синильной кислоты H—CºN – так называемую нитрильную группу - —CºN:

_t; ^Р₂^О₅

R—C—NH₂ ¾¾¾® R—CºN + H₂O

II

O

Нитрилы при гидролизе образуют соответствующие им по числу углеродных атомов карбоновые кислоты и имеют большое значение для их синтеза.

 

В) Реакции за счет углеводородного радикала

Окисление углеводородов

Непредельные углеводороды могут легко окисляться с распадом молекулы по месту двойной связи; в качестве продуктов окисления получаются и кислоты. Предельные углеводороды окисляются также с распадом молекулы, но значительно труднее, причем разрыв углеродной цепи может происходить в ее различных местах; поэтому в результате образуются сложные смеси карбоновых кислот. В настоящее время разработано каталитическое окисление предельных углеводородов кислородом воздуха при умеренных температурах. Например:

О₂

СН₃—СН₂—СН₃ ¾¾¾¾¾® СН₃—СООН + НСООН

^{соли Са, Mn}

 

Гидролиз нитрилов

При действии солей синильной (цианистоводородной) кислоты на галогенпроизводные углеводородов образуются нитрилы кислот:

R—Cl + K—CºN ® R—CºN + KCl

Нитрилы гидролизуются до карбоновых кислот. Эту реакцию можно представить следующим суммарным уравнением:

 

ОН О Н₂О

R—CºN + H₂O ® R—C=NН ® R—C—NН₂ ¾¾®

^нитрил

® R—C—OH + NH₃

II

О ^{кислота аммиак}

При нитрильном синтезе получаются кислоты, содержащие на один углеродный атом больше, чем исходные галогенпроизводные, т.е. достигается наращивание углеродной цепи. Так, например, из хлорэтан может быть получена пропионовая кислота:

_+K—CºN ^+2H₂ ^O

СН₃—СН₂—Cl ¾¾¾® CH₃—CH₂—CºN ¾¾® CH₃—CH₂—COOH

^{хлорэтан -KCl нитрил пропио- -NH}₃ ^{пропионовая кислота}

^{новой кислоты}

 

Мыла

Огромное значение в народном хозяйстве имеют натриевые и калиевые соли высших жирных кислот. Обычное твердое мыло представляет собой смесь натриевых солей различных кислот, главным образом пальмитиновой и стеариновой: С₁₅Н₃₁СООNa (пальмитат натрия) и С₁₇Н₃₅СООNa (стеарат натрия). Калиевые мыла – жидкие.

Получают мыла главным образом исходя из растительных и животных жиров (жировые мыла).

Моющая способность мыл связана с рядом сложных, вызываемых действием мыла, коллоидно-химических процессов. Главное заключается в том, что мыла являются ПАВами – они резко снижают поверхностное натяжение воды, вызывают смачивание частиц или поверхносстей, обладающих водоотталкивающим действием, способствуют образованию устойчивой пены. Молекулы мыла, адсорбируясь на поверхности мельчайших капелек жиров или твердых частичек, загрязняющих тот или иной предмет или материал, удерживают их во взвешенном состоянии, т.е. образуют устойчивые эмульсии или суспензии. В виде последних жиры и грязь выводятся с поверхности и из пор ткани или др. материалов и предметов. Кроме того, мыла являясь солями слабых кислот и сильных оснований подвергаются гидролизу. Например:

C₁₅H₃₁COONa + HOH «C₁₅H₃₁COOH + NaOH

Поэтому растворы мыл имеют щелочную реакцию, что также способствует эмульгированию жиров.

В жесткой воде моющая способность мыл резко снижается, растворимые натриевые или калиевые соли высших жирных кислот вступают в обменную реакцию с имеющимися в жесткой воде растворимыми кислыми карбонатами щелочноземельных металлов, главным образом кальция:

2C₁₅H₃₁COONa + Ca(HCO₃)₂ ® (C₁₅H₃₁COO)₂Ca + 2 NaHCO₃

Получающиеся при этом нерастворимые кальциевые соли высших жирных кислот образуют осадки.

Огромные количества мыл применяют в быту для гигиенических целей, для стирки и т.п., а также в различных отраслях промышленности, особенно для мытья шерсти, тканей и других текстильных материалов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Артеменко А.И. Органическая химия. М., Высшая школа, 2000. 536 с.

2. Ким А.М. Органическая химия. Новосибирск, Сибирское университетское издательство, 2002. 972 с.

 

 

Лекции 9. Карбоновые кислоты, их производные.

 

Учебные вопросы:

1. Карбоновые кислоты в природе, их использование, связи в карбоксильной группе; индуктивный эффект, гомологический ряд, изомерия, номенклатура, способы получения. Физико-химические и пожароопасные свойства предельных и непредельных одноосновных карбоновых кислот.

2. Особенности водородных связей в карбоновых кислотах (по сравнению со спиртами и оксосоединениями), их влияние на изменение физико-химических и пожароопасных свойств данных веществ.

3. Краткая характеристика карбоновых кислот: муравьиной, уксусной, акриловой, метакриловой, бензойной, стеариновой, олеиновой, линолевой и линоленовой.

4. Двухосновные карбоновые кислоты.

 

Карбоновые кислоты

Карбоновыми кислотами называют производные углеводородов, в молекулах которых один или несколько углеродных атомов образуют карбоксильную группу или карбоксил: -C-OH, или –COOH

II

O

В этой сложной функциональной группе соединены друг с другом две простые кислородсодержащие группы: карбонильная >С=О и гидроксильная (или окси группа) –ОН; отсюда и происходит название – карбоксильная группа. Водород гидроксильной группы, входящей в карбоксильную группу, обуславливает кислотные свойства карбоновых кислот; поэтому число карбоксильных групп характеризует основность кислоты. В молекулах одноосновных (монокарбоновых) кислот – одна карбоксильная группа, двухосновных (дикарбоновых) кислот – две карбоксильные группы.