Характерные химические свойства карбоновых кислот. Реакции хлорангидридов карбоновых кислот с аммиаком. Лабораторные методы получения

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 - веществами, в состав которых входит одна или несколько карбоксильных групп -СООН.

У древних греков представление о кислом вкусе связывалось, прежде всего, с уксусом - раствором уксусной кислоты, образующейся при скисании вина. Само слово «уксус», или, как говорили жители Эллады, «оксис», означало «кислый». Получение уксуса при сухой перегонке - нагревании без доступа воздуха - древесины описано в сочинениях Иоганна Глаубера и Роберта Бойля. Однако природа этого вещества вплоть до XIX в. оставалась неизвестной. Алхимики считали, что при брожении вина винный спирт превращается в уксус, принимая на себя частицы - винного камня (гидротартрата калия С 4 H 5 О 6 K). Ещё в ХVIII в. брожение объясняли соединением кислых и горючих начал вина. Лишь в 1814 г. Якоб Берцелиус определил состав уксусной кислоты - С 2 Н 4 О 2 , а в 1845 г. немецкий химик Адольф Вильгельм Герман Кольбе (1818- 1884) осуществил полный её синтез из угля.

А. Г. Кольбе

Уксусная кислота относится к гомологическому ряду одноосновных карбоновых кислот. Низшие члены ряда при комнатной температуре представляют собой бесцветные жидкости с резким запахом. Простейшую из них - муравьиную кислоту НСООН, впервые получил в 1670 г. английский естествоиспытатель Джон Рей, нагревая муравьев в перегонной колбе. В природе широко распространены и более сложные по составу кислоты. Такова, например, масляная кислота СН 3 (СН 2) 2 СООН, которая образуется при прогоркании сливочного масла - это из-за нее испорченное масло так неприятно пахнет и горчит. Она обусловливает и запах пота. Родственная ей капроновая кислота СН 3 (СН 2) 4 СООН входит в состав козьего масла. В корнях растения валерианы содержится некоторое количество изовалериановой кислоты(СН 3) 2 СН – СН 2 СООН- ее можно выделить, обработав высушенные корни растения перегретым водяным паром.

Высшие кислоты, например стеариновая СН 3 (СН 2) 16 СООН и пальмитиновая CН 3 (CH 2) 14 COOH, впервые выделенная из пальмового масла, представляют собой бесцветные твёрдые вещества, не растворимые в воде. Долгое время основным их источником были природные жиры, например свиное сало или говяжий жир. Сейчас эти получают и синтетически - каталитическим окислением углеводородов нефти. Практическое значение имеют главным образом натриевые соли этих кислот - стеарат натрия C 17 H 35 COONa и пальмитат натрия C 15 H 31 COONa: они являются основными компонентами мыла.

В щавеле, а также в ревене, кислице, шпинате содержится щавелевая кислота НООС-СООН. Эта простейшая двухосновная кислота продукт распада некоторых аминокислот, например глицина. При нарушениях обмена веществ (в частности, при недостатке витамина В 12) в организме человека откладывается её малорастворимая кальциевая соль - оксалат кальция, это и есть так называемое оксалатное отложение солей. Янтарная кислота НООС-СН 2 СН 2 – СООН впервые была выделена алхимиками. Ещё Агрикола наблюдал при прокаливании янтаря образование похожего на соль белого налета янтарной кислоты (лат sal succini volatile - «летучая янтарная соль»).

Многие карбоновые кислоты — например, яблочная, винная, лимонная, хинная - образуются в вакуолях клеток плодов при частичном окислении глюкозы и в результате некоторых других биохимических процессов. Плоды цитрусовых богаты лимонной кислотой: в мякоти апельсина её около 2%, в грейпфруте - до 3%, а в лимоне - 6%. Поэтому неудивительно, что впервые она была выделена Шееле в 1784 г. именно из лимонов. Подобный эксперимент можно проделать и в школьной лаборатории: нужно лимонный сок обработать известью, а продукт этой реакции - кальциевую соль отфильтровать и разложить серной кислотой. Образующаяся в результате лимонная кислота переходит в раствор, который упаривают до начала кристаллизации. В зелёных яблоках, крыжовнике, плодах рябины содержатся не только яблочная, хинная, но и другие органические кислоты.

По основности кислоты делятся на:

Одноосновные (монокарбоновые), m = 1;

Двухосновные (дикарбоновые), m = 2;

Трехосновные (трикарбоновые), m = 3 и т. д.

Примерами дикарбоновых кислот являются:

В зависимости от строения углеводородного радикала R карбоновые кислоты делятся на:

Предельные (насыщенные), R = алкил;

Непредельные (ненасыщенные) - производные непредельных УВ;

Ароматические - производные ароматических УВ.

Насыщенные монокарбоновые кислоты

Наибольшее значение имеют насыщенные монокарбоновые кислоты, их общая формула:

Важнейшие представители гомологического ряда этих кислот представлены в таблице. В этой таблице приведены названия кислот RCOOH и кислотных остатков RCOO-.

В структуре карбоновых кислот часто выделяют также кислотные радикалы , или ацилы . Названия некоторых ацилов:

Номенклатура и изомерия

По международной заместительной номенклатуре название кислоты производят от названия соответствующего (с тем же числом атомов углерода) углеводорода с добавлением окончания -овая и слова кислота. Нумерацию цепи всегда начинают с атома углерода карбоксильной группы, поэтому в названиях положение группы -СООН не указывают. Например:

При составлении названий кислот, имеющих сложное строение, иногда также используют тривиальные названия кислот, соответствующие наиболее длинной прямой цепи. В этом случае атомы углерода в прямой цепи обозначают греческими буквами, начиная с атома , соседнего с карбоксильной группой: α (альфа),β (бета), γ (гамма), δ (дельта) и т. д., например:

Внутри класса предельных монокарбоновых кислот возможна только изомерия углеродной цепи. Первые три члена гомологического ряда (НСООН, СН 3 СООН, С 2 Н 5 СООН) изомеров не имеют. Четвертый член ряда существует в виде двух изомеров:

Пятый член ряда существует в виде четырех изомеров:

Монокарбоновые кислоты изомерны сложным эфирам карбоновых кислот:

Физические свойства

В твердом и жидком состояниях молекулы насыщенных монокарбоновых кислот димеризуются в результате образования между ними водородных связей:

Водородная связь в кислотах сильнее, чем в , поэтому температуры кипения кислот больше температур кипения соответствующих спиртов.

В водных растворах кислоты образуют линейные димеры:

Химические свойства

Для насыщенных монокарбоновых кислот характерна высокая реакционная способность. Это определяется главным образом реакциями карбоксильной группы (разрыв связей О-Н и С-О), а также реакциями замещения атомов «Н» у α-углеродного атома:

Реакции с разрывом связи О-Н (кислотные свойства, обусловленные подвижностью атома водорода карбоксильной группы)

Предельные монокарбоновые кислоты обладают всеми свойствами обычных кислот.

1.Диссоциация

В водных растворах монокарбоновые кислоты ведут себя как одноосновные кислоты: происходит их ионизация с образованием иона водорода и карбоксилат-иона:

Карбоксилат-ион построен симметрично, отрицательный заряд делокализован между атомами кислорода карбоксильной группы:

Делокализация стабилизирует карбоксилат-ион.

Карбоновые кислоты являются слабыми кислотами. Наиболее сильной в гомологическом ряду насыщенных кислот является муравьиная кислота, в которой группа -СООН связана с атомом . Алкильные радикалы в молекулах следующих членов гомологического ряда обладают положительным индукционным эффектом (+1) и уменьшают положительный заряд на атоме углерода карбоксильной группы. Это в свою очередь ослабляет полярность связи О-Н и тем в большей степени, чем больше УВ радикал. Поэтому в гомологическом ряду кислот их сила уменьшается с ростом числа атомов углерода в молекуле:

2.Образование солей:

а) взаимодействие с активными :

2НСООН + Mg → (HCOO) 2 Mg + H 2

2CH 3 COOH + CaO → (CH 3 COO) 2 Ca + H 2 O

CH 3 COOH + NH 3 → CH 3 COONH 4

CH 3 COOH + NH 4 OH → CH 3 COONH 4 + H 2 O

д) взаимодействие с солями более слабых кислот (карбонатами и гидрокарбонатами):

2CH 3 COOH + Na 2 CO 3 → 2CH 3 COONa + CO 2 + H 2 O

CH 3 CH 2 CH 2 COOH + NaHCO 3 → CH 3 CH 2 CH 2 COONa + CO 2 + H 2 O

II . Реакции с разрывом связи С-О (замещение ОН-группы)

Скачать рефераты по другим темам можно

Тема: Карбоновые кислоты

План лекции:

1. Понятие о карбоновых кислотах.
2. Гомологический ряд карбоновых кислот.
3. Одноосновные предельные карбоновые кислоты.
4. Изомерия и номенклатура.
5. Нахождение в природе.
6. Физические и химические свойства карбоновых кислот.

Карбоновые кислоты очень распространены в быту и промышленности. Уксусная кислота – одна из первых кислот, которая была известна человеку. Уже в древние времена она была выделена из уксуса, а последний получался при скисании вина.

С карбоновыми кислотами мы уже встречались при изучении химических свойств альдегидов. В молекулах карбоновых кислот содержится характерная группировка атомов – карбоксильная группа.

Карбоновые кислоты – это органические вещества, молекулы которых содержат одну или несколько карбоксильных групп, соединенных с углеводородным радикалом или водородным атомом.

Карбоновые кислоты классифицируют: а) в зависимости от числа карбоксильных групп в молекуле на одноосновные, двухосновные и многоосновные; б) в зависимости от природы радикала на предельные, непредельные и ароматические.

Одноосновные предельные карбоновые кислоты. Одноосновным предельным карбоновым кислотам можно дать такое определение:

К основным предельным карбоновым кислотам относятся органические вещества, в молекулах которых имеется одна карбоксильная группа, связанная с радикалом предельного углеводорода или с атомами водорода.

Строение молекул карбоновых кислот можно установить теми же методами, которые были рассмотрены при изучении альдегидов.

Атом водорода в гидроксильной группе карбоновых кислот гораздо более подвижен, чем в молекулах спиртов. Поэтому растворимые в воде карбоновые кислоты отщепляют ионы водорода и окрашивают лакмус в красный цвет:

RCOOH ↔ RCOO - + H +

Изомерия и номенклатура. Изомерия предельных одноосновных карбоновых кислот аналогична изомерии альдегидов.

Чаще всего употребляются исторически сложившиеся названия кислот (муравьиная, уксусная и т.д.). По международной номенклатуре их образуют от названия соответствующих углеродов с прибавлением окончания –овая и слова «кислота», например: метановая кислота .

Нахождение в природе

Муравьиная кислота содержится в муравьях, в крапиве и хвое ели. Ожог крапивой – результат действия муравьиной кислоты. Масляная (бутановая) кислота входит прогорклого масла, а валериановая (пентановая) кислота содержится в корнях валерианы.

Получение

В лаборатории карбоновые кислоты, как и не органические, можно получить из их солей, действуя на них серной кислотой при нагревании:

2CH 3 COONa + H 2 SO 4 → Na 2 SO 4 + 2CH 3 COOH

Физические свойства

Низшие карбоновые кислоты – жидкости с острым запахом, хорошо растворимые в воде. С повышением относительной молекулярной массы растворимость кислот в воде уменьшается, а температура кипения повышается. Высшие кислоты начиная с пеларгоновой (ионановой) CH 3 –(CH 2) 7 –COOH, – твердые вещества, без запаха, нерастворимые в воде.

Химические свойства.

Общие свойства карбоновых кислот аналогичны соответствующим свойствам неорганических кислот.

Карбоновые кислоты обладают и некоторыми специфическими свойствами, обусловленными наличием в их молекулах радикалов. Так, например, уксусная кислота реагирует с хлором:

Cl 2 + CH 3 COOH → ClCH 2 COOH + HCl

Муравьиная кислота по химическим свойствам от других карбоновых кислот.

1. Из одноосновных кислот муравьиная является самой сильной кислотой.

2. Из-за особенности строения молекул муравьиная кислота подобно альдегидам легко окисляется (реакция серебряного зеркала):

HCOOH + Ag 2 O → HOCOOH + 2Ag↓

HOCOOH ↔ H 2 O + CO 2

3. При нагревании с концентрированной серной кислотой муравьиная кислота отщепляет воду и образуется оксид углерода (II):

HCOOH → H 2 O + CO

Эта реакция используется для получения оксида углерода (II) в лаборатории.

Карбоновые кислоты сегодня используют во многих отраслях производства. Из них делают различные типы пластика и волокон, лекарства и моющие средства, их используют в качестве консервантов в пищевой и косметической промышленностях. Этот перечень можно продолжать очень долго. Однако и в природе органические кислоты встречаются повсеместно: в растениях, грибах, насекомых, животных, а также в продуктах их жизнедеятельности. Именно поэтому важно понимать, с чем имеешь дело, когда сталкиваешься с названием одной из них.

Карбоновыми кислотами являются органические соединения, в составе которых имеется хотя бы одна группа атомов -СООН, называемая карбоксильной. Номенклатура карбоновых кислот не кажется такой уж сложной, если имеешь представление о многообразии веществ этого класса и понимаешь принципы составления названий любых органических веществ.

Функциональная группа

Особенность карбоксильной группы заключается в том, что ее свойства почти не зависят от особенностей строения углеродного скелета молекулы кислоты, а также от наличия или отсутствия в группе заместителей.

Ее можно рассматривать как сложную группу, состоящую из двух простых: карбонила >С=О и гидроксила -ОН, влияющих друг на друга. Электронная плотность при этом смещается в сторону карбонильного кислорода и вызывает дополнительную поляризацию связи О-Н в гидроксогруппе. Вследствие этого на кислороде карбонила образуется избыточный отрицательный, а на водороде гидроксила - положительный заряды. Это приводит к появлению водородных связей между соседними молекулами кислот, а также возникновению димеров и ассоциатов. Именно этим объясняют их завышенные температуры кипения.

Классификация органических кислот

Прежде чем начинать разбираться в особенностях номенклатуры соединений этого класса, нужно сформировать представление о том, какими они бывают.

По типу углеводородного скелета:

• предельные - атомы С в молекуле кислоты связаны простыми одинарными связями;
• непредельные - в углеводородной цепи имеются С=С или С≡С;
• ароматические - в составе молекулы карбоновой кислоты имеется бензольное кольцо.

По числу групп -СООН:

• одноосновные - содержат одну группу;
• двухосновные - две;
• многоосновные - три и более группы -СООН.

Изомерия

Изомерия и номенклатура карбоновых кислот тесно связаны. Ведь у соединений с одинаковым составом, но имеющим различное строение, и названия будут отличаться. Для большинства карбоновых кислот типична структурная изомерия. Так, составу С 5 Η 10 О 2 соответствуют кислоты:

• пентановая СΗ 3 ―СΗ 2 ― СΗ 2 ―СΗ 2 ―СООΗ;
• 2-метилбутановая СΗ 3 ―СΗ 2 ―СΗ(СΗ 3)―СООΗ.

Если в молекулах имеются С=С или С≡С, то для них возможна изомерия положения. Например, 3-бутеновая и 2-бутеновая кислоты: СΗ 2 =СΗ―СΗ 2 ―СООΗ и СΗ 3 ―СΗ=СΗ―СООΗ.

Межклассовая изомерия также возможна. Карбоновым кислотам изомерны непредельные двухатомные спирты, гидроксикарбонильные соединения и сложные эфиры. Например, пентановой кислоте С 3 Н 9 -СООН соответствует несколько сложных эфиров:

• С 2 Η 5 ―СО―О―С 2 Η 5 ;
• СΗ 3 ―СО―О―С 3 Η 7 .

Кроме того, для молекул органических кислот характерна пространственная изомерия.

Тривиальная номенклатура

Самой первой номенклатурой карбоновых кислот была именно тривиальная. Названия, которые давались соединениям, никак не отображали особенностей строения молекулы, зато давали представление о том, где вещества содержатся или используются:

• муравьиная (НСООН) содержится в муравьях и вызывает жжение при их укусе;
• уксусная (СΗ 3 СООΗ) образуется в процессе превращения вина в уксус;
• масляная (С 3 Η 7 СООΗ) появляется в сливочном масле, когда оно становится прогорклым, и обуславливает его специфический запах;
• капроновая (С 5 Η 11 СООН) содержится в козьем молоке (от латинского caper - коза);
• яблочную (С 4 Н 6 О 5) назвали в соответствии с фруктом, в котором ее обнаружили;
• лимонная (С 6 Н 8 О 7) содержится в большом количестве в лимонах и других цитрусовых;
• винная (С 4 Н 6 О 6) образуется в скисшем соке большинства фруктов;
• салициловая (С 6 Η 4 (ОΗ)СООΗ) впервые получена из коры ивы (от латинского salix - ива).

И сегодня чаще всего употребляются названия, соответствующие именно тривиальной номенклатуре карбоновых кислот. Для молекул с более сложной структурой к тривиальному названию добавляют наименование заместителей.

Если в конце цепи имеется разветвление в виде метильной группы -СН 3 , то к названию кислоты добавляют приставку изо-: изовалериановая, изомасляная и др.

Если разветвления имеются в другой части углеродной цепи, то расположение присоединенной группы обозначают соответствующими прописными буквами греческого алфавита:

θ С― η С― ζ С― ε С― δ С― γ С― β С― α С―СООН

Пример. Назовите соединение СΗ 3 ―СΗ 2 ―СΗ(С 2 Η 5)―СΗ 2 ―СООΗ по тривиальной номенклатуре.

1. Последовательно обозначаются атомы С в главной цепи: δ СΗ 3 ― γ СΗ 2 ― β СΗ(С 2 Η 5)― α СН 2 ―СООН.
2. Записываются названия заместителей и буквами указывается их положение: β-этил.
3. Записывается тривиальное название органической кислоты, соответствующее главной цепи, в данном случае валериановая: β-этилвалериановая кислота.

Номенклатура ИЮПАК

По систематической номенклатуре карбоновые кислоты называют, используя следующие правила:

1. Выбирают главную углеводородную цепь, обязательно включающую карбоксильную группу. Как правило, она бывает самой длинной и включает максимально возможное число заместителей, функциональных групп, С=С и С≡С при их наличии.
2. Атомам С в главной цепочке присваивают последовательно номера, начиная с углерода в группе -СООН: 4 С- 3 С- 2 С- 1 СООН.
3. Название начинают составлять с перечисления заместителей в алфавитном порядке. Для этого цифрой отмечают положение заместителя (с каким атомом С из главной цепи он соединен) и через дефис записывают его название. Если содержится несколько однотипных заместителей, то их расположение указывают цифрами через запятую, а к названию приписывают умножающую приставку ди, три, тетра и т. д. Умножающая приставка на алфавитный порядок не влияет.
4. Длину цепи отражают названием соответствующего углеводорода (бутан, гексан, октан).
5. На присутствие карбоксильной функциональной группы -СООН указывают добавлением в конце записи -овая кислота.

5 СΗ 3 - 4 СΗ 2 - 3 СΗ(С 2 Η 5)- 2 СΗ 2 - 1 СООΗ 3-этилпентановая кислота

4 СН 3 - 3 СН(СН 3)- 2 С(СН 3) 2 - 1 СООН 2,2,3-триметилбутановая кислота

Пример: Назовите по систематической номенклатуре карбоновую кислоту СΗ 3 -СΗ(СΗ 3)―СН(С 2 Η 5)―СН 2 ―СООН.

1. Нумеруются атомы С в главной цепи: 5 СΗ 3 - 4 СΗ(СΗ 3)- 3 СΗ(С 2 Η 5)- 2 СΗ 2 - 1 СООН.
2. Записываются названия заместителей, и цифрами указываются их положения: 4-метил-3-этил.
3. Записывается название отвечающего главной цепи углеводорода. Пять атомов углерода - пентан: 4-метил-3-этилпентан.
4. Указывая на наличие -СООН, записывают -овая кислота: 4-метил-3-этилпентановая кислота.

Рациональная номенклатура

По правилам рациональной номенклатуры названия образуют из радикала, а точнее, соответствующего ему углеводорода, связанного с карбоксильной группой и словосочетания "карбоновая кислота":

• СΗ 3 -СООΗ метанкарбоновая кислота;
• С 3 Η 7 СООΗ пропанкарбоновая кислота;
• С 5 Η 11 СООΗ пентанкарбоновая кислота.

Иногда за основу названия берут уксусную кислоту и указывают присоединенные к ней радикалы:

• СΗ 3 ―СН 2 ―СООН метилуксусная кислота;
• СΗ 3 ―СΗ 2 ―СΗ(СΗ 3)―СООΗ метилэтилуксусная.

Однако называть соединения со сложными разветвленными молекулами бывает проблематично. Поэтому карбоновых кислот применяется редко.

Непредельные и ароматические карбоновые кислоты

За основу номенклатуры непредельных карбоновых кислот берут соответствующий алкен, алкин или диен и добавляют окончание -овая кислота. Нумерацию углерода в главной цепочке начинают с карбоксильной группы, а положение кратной связи записывают соответствующей цифрой:

• СΗ 2 =СΗ―СΗ 2 ―СООΗ 3-бутеновая кислота;
• СН 3 ―С≡С―СООН 2-бутиновая кислота.

Ароматические кислоты чаще всего называют производными бензойной кислоты. Например, м-метилбензойная кислота, п-бромбензойная кислота. Согласно наличие бензольного кольца отражают приставкой "фенил-".

Многоосновные карбоновые кислоты

От номенклатуры одноосновных карбоновых кислот составление с двумя и более группами -СООН отличается незначительно. В основе названия двухосновных кислот также стоит соответствующий углеводород, но перед окончанием -овая кислота записывается умножающая приставка ди. Например,

• СООН―СН 2 ―СН 2 ―СООН бутандиовая кислота;
• СООН―СН(СН 3)―СООН 2-метилпропандиовая кислота.

Если в молекуле содержится больше двух карбоксильных групп, то они уже обозначаются приставкой " карбокси-":

НООС-СН(СООН)-СООН 2-карбоксипропандиовая кислота.

Кислотные остатки и сложные эфиры

Эфиров различных карбоновых кислот в природе очень много. Это и жиры, и воски, и душистые вещества фруктов и цветов. Все они содержат сложноэфирную функциональную группу -СОО-. Существует два подхода к номенклатуре сложных эфиров карбоновых кислот.

В первом случае сначала записывают название радикала, занявшего место водорода в карбоксильной группе, а затем название кислотного остатка:

• СН 3 ―СОО―С 2 Η 5 этилацетат;
• НСОО―СН 3 метилформиат.

Во втором случае к названию радикала добавляют -овый эфир и записывают тривиальное наименование кислоты в родительном падеже:

• С 3 Н 5 ―СОО―СΗ 3 метиловый эфир масляной кислоты;
• СΗ 3 ―СОО―С 2 Η 5 этиловый эфир уксусной кислоты.

Названия карбоновых кислот и их остатков

Для того чтобы назвать любую органическую кислоту по правилам ИЮПАК, нужно знать всего несколько правил. Они уже рассматривались выше. Однако тривиальные названия кислот и наименования их остатков приходится заучивать или пользоваться шпаргалкой.

Подводя итог, можно отметить, что строение, изомерия, номенклатура карбоновых кислот рассмотрены выше довольно подробно. И после внимательного изучения материала не должно остаться вопросов о том, как правильно назвать ту или иную органическую кислоту. И напротив, услышав или прочитав на этикетке научное название вещества, можно сопоставить его с тривиальным и сделать для себя вывод о его вредности или безопасности.

Классификация

Органические карбоновые кислоты характеризуются наличием карбоксильной группы –СООН . Карбоновые кислоты классифицируют по числу карбоксильных групп и по строению углеводородного радикала. В зависимости от числа карбоксильных групп кислоты делят на одно-, двух, трех и многоосновные. В зависимости от строения углеводородного радикала кислоты делят на предельные, непредельные и ароматические. Радикалы, входящие в состав кислот, могут быть циклические и ациклические.

Предельные одноосновные кислоты

Одноосновные предельные карбоновые кислоты образуют гомологический ряд с общей формулой С n H 2n O 2 (n = 1,2,3...) или C n H 2n+1 COOH (n = 0,1,2...). Изомерия предельных одноосновных карбоновых кислот обусловлена только изомерией углеводородного радикала. Формулы и названия некоторых кислот приведены в таблице:

Предельные карбоновые кислоты
ФОРМУЛА	Название
	Тривиальное	по ИЮПАК
	муравьиная	метановая
	уксусная	этановая
	пропионовая	пропановая
	масляная	бутановая
	изомасляная, диметилуксусная	бутановая
	валериановая	пентановая
	изовалериановая	3-метилбутановая
	триметилуксусная	2,2-диметилпропановая

Физические свойства

Низшие кислоты (муравьиная, уксусная, пропионовая) – бесцветные остропахнущие жидкости, кислоты с числом атомов углерода от 4 до 9 – маслянистые жидкости с неприятным запахом, с числом атомов углерода больше 10 – твердые вещества. Растворимость кислот в воде резко уменьшается по мере увеличения числа атомов углерода в молекуле. Температуры кипения кислот возрастают по мере увеличения молекулярной массы, при этом температуры кипения кислот, содержащих одинаковое число атомов углерода и имеющих неразветвленный радикал, выше, чем у кислот с разветвленным радикалом. Кислоты кипят при значительно более высоких температурах, чем соответствующие им спирты. Это связано со значительно большей ассоциацией молекул кислот.

Химические свойства

Реакции кислот, обусловленные карбоксильной группой

Перераспределение электронной плотности в карбоксильной группе показано на рисунке:

В результате полярность связи О-Н настолько велика, что сравнительно легко протекает диссоциация кислоты:

Образующийся анион обладает повышенной стабильностью за счет резонанса:

Сила карбоновых кислот зависит от радикала, связанного с карбоксильной группой и определяется величиной положительного заряда на карбоксильном углероде. С увеличением этого заряда сила кислоты возрастает, с уменьшением – убывает. В свою очередь, величина этого заряда определяется знаками эффектов (индуктивного и мезомерного), действующих со стороны радикала. Так как положительный индуктивный эффект углеводородного радикала увеличивается с увеличением числа атомов углерода и с увеличением разветвленности радикала, сила соответствующих карбоновых кислот убывает. Муравьиная кислота относится к кислотам средней силы, все остальные одноосновные предельные кислоты – слабые. Растворимые в воде кислоты создают в растворе кислую среду, достаточную для изменения окраски индикаторов.

1. Карбоновые кислоты взаимодействуют с металлами, оксидами и гидроксидами металлов, образуя соли:

2CH 3 COOH + Zn = (CH 3 COO) 2 Zn + H 2 2CH 3 COOH + CaO = (CH 3 COO) 2 Ca + H 2 O CH 3 COOH + NaOH = CH 3 COONa + H 2 O

Карбоновые кислоты сильнее угольной кислоты, поэтому они способны разлагать карбонаты:

CH 3 COOH + Na 2 CO 3 = CH 3 COONa + CO 2 + H 2 O

2. При действии на карбоновые кислоты галогенидов фосфора или хлористого тионила гидроксил карбоксильной группы замещается на галоген и образуются галогенангидриды кислот:

3. Со спиртами карбоновые кислоты вступают в реакцию этерификации , в результате которой образуются сложные эфиры. Реакция протекает обратимо в кислой среде. Катализатором этерификации служат минеральные кислоты, например, серная. На первой стадии реакции протонируется кислород карбоксильной группы:

Затем образовавшийся катион подвергается нуклеофильной атаке молекулой спирта:

Промежуточный комплекс может обратимо терять молекулу воды и протон, превращаясь в результате в сложный эфир:

В щелочной среде сложный эфир необратимо гидролизуется с образованием спирта и соли исходной кислоты. Эта реакция называется омылением сложного эфира.

4. Карбоновые кислоты образуют функциональные производные , к которым относятся галогенангидриды, сложные эфиры, ангидриды, амиды и нитрилы кислот. Ангидриды, амиды и нитрилы непосредственно из кислот чаще всего получить невозможно, поэтому используют косвенные методы.

Ангидриды кислот получают нагреванием галогенангидрида и натриевой соли кислоты, например:

Амиды образуются при обработке галогенангидридов кислот аммиаком:

при сухой перегонке (нагревании) аммониевых солей карбоновых кислот:

или при неполном гидролизе нитрилов кислот:

Нитрилы получаются в результате нуклеофильного замещения атома галогена цианогруппой:

или при обезвоживании амида кислоты оксидом фосфора (V) при нагревании:

Большинство реакций с участием функциональных производных карбоновых кислот протекает по механизму нуклеофильного замещения S N 1 и S N 2, в котором функциональные производные являются субстратами. Например, в разбавленных водных растворах гидролиз хлорангидридов кислот проходит преимущественно по механизму S N 1, на первой, самой медленной стадии которого (именно эта стадия и определяет скорость всего процесса) происходит диссоциация исходного хлорангидрида:

На второй стадии следует быстрая нуклеофильная атака молекулы воды на карбоксильный углерод, и после ухода протона образуется конечный продукт гидролиза - карбоновая кислота:

При бимолекулярном замещении S N 2 нуклеофильная атака и уход иона хлора происходят одновременно:

Бимолекулярный механизм преобладает при низком содержании воды в реакционной системе. Ниже приведены некоторые реакции нуклеофильного замещения в функциональных производных кислот.

Галогенангидриды кислот разлагаются водой (гидролиз):

реагируют со спиртами с образованием сложных эфиров (алкоголиз):

Сложные эфиры получаются и при взаимодействии галогенангидридов с алкоголятами:

В результате взаимодействия галогенангидридов с солями карбоновых кислот образуются ангидриды, таким путем можно получить и смешанные ангидриды, содержащие остатки разных кислот:

При действии на галогенангидриды кислот аммиака (аммонолиз) образуются амиды:

Под действием пероксидов галогенангидриды кислот образуют перекиси ацилов:

Ангидриды кислот при нагревании с водой гидролизуются:

подвергаются алкоголизу при нагревании со спиртом, при этом образуется сложный эфир и кислота:

Под действием аммиака происходит аммонолиз ангидрида, в результате получается амид и соль кислоты:

Амиды кислот гидролизуются при кипячении с водными растворами кислот и щелочей:

Атом водорода в аминогруппе амида может замещаться металлом, например:

Получение кислот

Кислоты можно получить следующими способами:

1. Окислением первичных спиртов, например:

2. Окислением альдегидов различными окислителями, такими, как хромовая смесь, перманганат калия, гидроксид диамминсеребра, кислород - в схеме реакции окислитель показан как [O]:

3. Гидролизом ангидридов, галогенангидридов и нитрилов кислот.

4. С помощью металлорганических соединений, например:

5. С помощью магнийорганических соединений:

Особенности свойств муравьиной кислоты

Муравьиная кислота проявляет свойства альдегида и кислоты, т.к. содержит как карбоксильную группу (обведена синим цветом), так и альдегидную (обведена красным):

Муравьиная кислота - хороший восстановитель:

HCOOH + OH Ag + CO 2 + H 2 O - реакция серебряного зеркала HCOOH + HgCl 2 Hg + CO 2 + 2HCl

При нагревании с концентрированной серной кислотой муравьиная кислота дегидратируется с образованием СО:

Муравьиная кислота образует ортоэфиры - сложные эфиры нестабильной ортоформы кислоты:

Этиловый эфир ортрумуравьиной кислоты называется ортомуравьиный эфир :

Получают ортомуравьиный эфир кипячением этилата натрия с хлороформом по реакции:

Сложноэфирная конденсация

Сложноэфирная конденсация (по Кляйзену) протекает при действии алкоголятов щелочных металлов на сложные эфиры карбоновых кислот. Алкоголят-анионы, образующиеся в результате диссоциации:

отрывают протоны из -положения кислотного радикала сложного эфира:

Образовавшийся анион нуклеофильно атакует карбоксильный атом углерода другой молекулы сложного эфира:

Образовавшийся анион отщепляет алкоголят-ион и переходит в продукт конденсации:

который представляет собой сложный эфир (в данном примере - этиловый) 3-оксокислоты. Таким способом из этилацетата можно получить ацетоуксусный эфир (этиловый эфир 3-оксобутановой кислоты). В подобных условиях протекает конденсация сложных эфиров и кетонов, в которой кетон выступает в качестве метилекновой компоненты, а сложный эфир - в качестве карбонильной. При конденсации по-Кляйзену этилацетата и ацетона образуется ацетилацетон - пентандион-2,4.