Классификация карбоновых кислот: общая формула и применение

Карбоновые кислоты — что это за класс органических соединений

Определение

Карбоновые кислоты — это вещества, молекулы которых содержат одну или несколько карбоксильных групп COOH.

В химии насыщенные одноосновные карбоновые кислоты записываются в виде общей формулы:

NH2nO2

Карбоксильная группа включает две функциональные группы, которые взаимодействуют друг с другом:

• карбонил;
• гидроксил.

Кислород имеет электроотрицательность 3,5. Этот показатель выше, чем у водорода (ЭО = 2,1) и углерода (ЭО = 2,4). Наблюдается сдвиг электронной плотности в сторону более электроотрицательного атома кислорода. Состояние гибридизации sp2 присуще атому углерода карбоксильной группы. Сформируйте следующие соединения:

• три облигации;
• облигация TT.

История открытия, нахождение в природе

С давних времен люди знали о свойствах уксусной кислоты. Работы Джона Глаубера и Роберта Бойля описывают технику, в которой вещество получают путем сухой перегонки древесины, которую нагревают без доступа воздуха. О природе этого соединения не было известно до 19 века. По словам алхимиков, алкоголь в вине способствовал брожению вина, в результате чего частицы соли в виде винного камня или гидротартрата калия превращались в уксус.

В 18 веке процесс брожения был описан как результат комбинированной реакции кислоты и топлива в вине. Только в 1814 году благодаря исследованиям Якоба Барцелиуса был установлен состав уксусной кислоты. В 1845 году вещество было впервые синтезировано из угля немецким химиком Адольфом Вильгельмом Германом Кольбе. Первым муравьиную кислоту в 1670 году получил английский естествоиспытатель Джон Рей.

Карбоновые кислоты часто встречаются в мире природы:

• муравьиная кислота содержится в хвое, крапиве, выделениях медуз, пчел и муравьев;
• уксусная кислота — продукт ферментации уксусной кислоты;
• масляная кислота содержится в коровьем молоке и масле;
• валериановая кислота содержится в корне валерианы;
• энантовая кислота содержится в растении, которое называется омлет;
• капроновая кислота входит в состав животного масла, пальмового масла бабассу, пальмоядрового, кокосового, пальмового, розового, сивушного масла, козьего молока, некоторых сыров;
• пеларгоновая кислота содержится в масле пеларгонии и других растительных организмах семейства гераниевых, сивушном масле кормовых и картофельных сортов, японском воске, нефтепродуктах;
• лауриновая кислота выделяется из лаврового масла;
• миристиновая кислота входит в состав масла мускатного ореха;
• пентадециловая кислота в низких концентрациях содержится в жирах сливочного масла, рыбы, говядины и баранины.

Есть и другие типы подключений. Например, пальмитиновая кислота содержится в глицеридах большинства животных жиров и растительных масел. Очень распространены такие кислоты, как маргариновая, стеариновая, арахисовая, эникозановая, бегеновая и другие.

Классификация карбоновых кислот, номенклатура

В зависимости от количества карбоксильных групп карбоновые кислоты подразделяются на:

1. Одноосновное, содержащее карбоксильную группу -COOH. Общая формула: CnH2n + 1COOH или CnH2nO2. Пример — уксусная кислота.

1. Многоосновные, которые включают две или более карбоксильных групп COOH. Общее уравнение для записи двухосновных соединений — CnH2n (COOH) 2 или CnH2n-2O4. Щавелевая кислота является примером.

Классификация карбоновых кислот по строению углеводородного радикала:

1. Насыщенные карбоновые кислоты. Связь карбоксильной группы COOH с предельным радикалом. Примером может служить этановая (уксусная) кислота CH3 — COOH.
2. Ненасыщенные карбоновые кислоты. Карбоксильная группа COOH связана с ненасыщенным радикалом. Примером может служить акриловая кислота CH2 = CH — COOH.
3. Ароматические кислоты отличаются наличием в молекуле бензольного кольца. В эту группу входит бензойная кислота C6H5COOH.
4. Циклические кислоты, в которых карбоксильная группа COOH связана с углеводородным кольцом. Например, циклопропанкарбоновая кислота: C3H5COOH.

Особенности строения и свойств муравьиной кислоты

Строение молекулы

Молекула муравьиной кислоты, в отличие от других карбоновых кислот, содержит в своем составе

Химические свойства

Муравьиная кислота вступает в реакции, характерные как для кислот, так и для альдегидов.

Обладая свойствами альдегида, он легко окисляется до угольной кислоты:

В частности, HCOOH окисляется раствором аммиака Ag2O и гидроксида меди (II) Cu (OH) 2, т.е дает качественные реакции на альдегидную группу:

При нагревании с концентрированной H2SO4 муравьиная кислота разлагается на окись углерода (II) и воду:

Муравьиная кислота значительно сильнее других алифатических кислот, поскольку содержащаяся в ней карбоксильная группа связана с атомом водорода, а не с электронодонорным алкильным радикалом.

Способы получения предельных монокарбоновых кислот

Окисление спиртов и альдегидов

Общая схема окисления спиртов и альдегидов:

В качестве окислителей используются KMnO4, K2Cr2O7, HNO3 и другие реагенты.

Например:

5С2Н5ОН + 4KMnO4 + 6H2S04 → 5СН3СООН + 2K2SO4 + 4MnSO4 + 11Н2O

Гидролиз эфира

3. Окислительный разрыв двойных и тройных связей в алкенах и алкинах

Способы получения НСООН (специфические)

Взаимодействие оксида углерода (II) с гидроксидом натрия

СO + NaOH → HCOONa формиат натрия

2HCOONa + H2SO4 → 2НСООН + Na2SO4

2. Декарбоксилирование щавелевой кислоты

Способы получения СН3СООН (специфические)

Каталитическое окисление бутана

2. Синтез из ацетилена

3. Каталитическое карбонилирование метанола

Уксусное брожение этанола

Так получается пищевая уксусная кислота.

Получение высших карбоновых кислот

Гидролиз натуральных жиров

Непредельные монокарбоновые кислоты

Самые важные представители

Общая формула алкеновых кислот:

CH2 = CH-COOH пропеновая кислота (акриловая

Высшие непредельные кислоты

Радикалы этих кислот содержатся в растительных маслах.

C17H33COOH — олеиновая кислота или цис-октадиен-9-овая кислота

Транс-изомер олеиновой кислоты называется элаидиновой кислотой.

C17H31COOH — линолевая кислота, или цис, цис-октадиен-9,12-овая

C17H29COOH — линоленовая кислота или цис, цис, цис-октадекатриен-9,12,15-овая кислота

Отдельные представители дикарбоновых кислот

Предельные дикарбоновые кислоты HOOC-R-COOH

HOOC-CH2-COOH пропандиовая кислота (малоновая), (соли и сложные эфиры — малонаты)

HOOC- (CH2) 2-COOH бутадиеновая кислота (янтарная), (соли и сложные эфиры — сукцинаты)

HOOC- (CH2) 3-COOH пентадионовая кислота (глутаровая), (соли и сложные эфиры — глютораты)

HOOC- (CH2) 4-COOH гексадиовая кислота (адипиновая), (соли и сложные эфиры — адипаты)

Дикарбоновые кислоты во многом похожи на монокарбоновые кислоты, но они сильнее.

Например, щавелевая кислота почти в 200 раз сильнее уксусной кислоты.

Дикарбоновые кислоты ведут себя как двухосновные и образуют две серии солей: кислотную и среднюю:

HOOC-COOH + NaOH → HOOC-COONa + H2O

HOOC-COOH + 2NaOH → NaOOC-COONa + 2H2O

При нагревании щавелевая и малоновая кислоты легко декарбоксилируются:

Химические и физические свойства

В жидкостях и растворах молекулы карбоновых кислот образуют межмолекулярные водородные связи. Эти связи являются причиной притяжения и ассоциации молекул карбоновых кислот. За счет водородных связей молекулы вещества объединяются в димеры.

Это взаимодействие приводит к хорошей растворимости в воде и высоким температурам кипения, которые характерны для низших карбоновых кислот. С увеличением молекулярной массы растворимость кислот в воде снижается из-за ослабления водородных связей.

Определение

Структурная изомерия — это изомерия углеродного скелета и межклассовая изомерия, характерная для насыщенных карбоновых кислот.

Определение

Структурные изомеры — это соединения, которые имеют идентичный состав и различаются порядком связи атомов в молекуле, то есть различаются структурой молекул.

Для карбоновых кислот, содержащих четыре и более атомов углерода, характерна изомерия углеродного скелета. Примером может служить формула C4H8O2, соответствующая бутановой и 2-метилпропановой кислотам.

Бутановая или масляная кислота:

Изомасляная кислота (2-метилпропановая:

Определение

Межклассовые изомеры — это вещества разных классов органических значений с разными структурами и идентичными молекулярными формулами.

Карбоновые кислоты являются изомерами сложных эфиров.

Одноосновные насыщенные сложные эфиры и карбоновые кислоты имеют общую формулу:

CnH2nO2

Используя эту общую формулу, вы можете написать формулы для межклассовых изомеров: уксусной кислоты и метилформиата.

Уксусная кислота:

CH3 — COOH

Метиловый эфир муравьиной кислоты:

HCOOCH3

Другие распространенные типы полифункциональных соединений также могут иметь общую формулу CnH2nO2:

• альдегидные спирты;
• ненасыщенные диолы;
• циклические диэфиры.

Карбоновые кислоты обладают следующими химическими свойствами:

• кислотные свойства, замена водорода на металл;
• замена группы ОН;
• замещение атома водорода в алкильном радикале;
• образование сложных эфиров — этерификация.

Появление кислотных свойств в карбоновых кислотах объясняется сдвигом электронной плотности у карбонильного атома кислорода и вызванной этим процессом дополнительной поляризации (по отношению к спиртам и фенолам) связи О — Н.

Карбоновые кислоты — слабые электролиты. Попадая в водный раствор, соединения до некоторой степени диссоциируют на ионы.

Реакция 1

R — COOH⇆R-COO- + H+

возможна химическая реакция между карбоновыми кислотами и большинством оснований. В процессе взаимодействия образуются соли карбоновых кислот и воды.

Реакция 2

CH3COOH + NaOH = CH3COONa + H2O

Карбоновые кислоты химически реагируют со следующими веществами:

• щелочь;
• амфотерные гидроксиды;
• водный раствор аммиака;
• нерастворимые основания.

Растворение осадка гидроксида меди (II) уксусной кислотой:

Реакция 3

Образование ацетата аммония реакцией уксусной кислоты и водного раствора аммиака:

CH3COOH + NH3 = CH3COONH4

Карбоновые кислоты могут химически реагировать с активными металлами. Этот процесс приводит к образованию солей карбоновых кислот и водорода.

При взаимодействии уксусной кислоты с кальцием образуются ацетат кальция и водород:

Карбоновая кислота и основные оксиды реагируют с образованием солей карбоновой кислоты и воды.

Ацетат бария и воду можно получить реакцией уксусной кислоты с оксидом бария:

Реакция 4

Уксусная кислота реагирует с оксидом меди (II):

2СН3СООН + CuO = H2О + (CH3COO) 2Cu

Карбоновые кислоты реагируют с солями кислот, которые являются более слабыми, нерастворимыми и летучими.

Растворяют карбонат кальция уксусной кислотой:

Примечание

Качественная реакция на карбоновые кислоты может наблюдаться, когда соединения вступают в контакт с содой, то есть бикарбонатом натрия или другими бикарбонатами. В результате химического взаимодействия выделяется углекислый газ.

Карбоновые кислоты вступают в реакции нуклеофильного замещения группы ОН. В результате химического процесса образуются функциональные производные карбоновых кислот:

• сложные эфиры;
• амиды;
• ангидриды;
• галогениды.

Когда карбоновые кислоты действуют с пента- или трихлоридом фосфора, группы ОН заменяются атомом галогена.

Реакция уксусной кислоты и пентахлорида фосфора сопровождается выделением хлорида уксусной кислоты:

Образование солей аммония при реакции аммиака и карбоновых кислот:

Нагревание солей аммония и карбоновых кислот приводит к разложению вещества на амид и воду:

В процессе этерификации карбоновые кислоты реагируют с одновалентными и поливалентными спиртами. Продукты реакции — сложные эфиры.

Примером реакции этерификации является взаимодействие этанола и уксусной кислоты, приводящее к высвобождению этилацетата или этилацетата уксусной кислоты:

Примечание

Между фенолом и карбоновыми кислотами нет реакции этерификации. Для получения фенольных эфиров используется косвенный метод.

Используя оксид фосфора (V), карбоновую кислоту можно дегидратировать, то есть удалить из нее воду. В результате химической реакции получается ангидрид карбоновой кислоты.

Обезвоживание уксусной кислоты при воздействии оксида фосфора приводит к образованию уксусного ангидрида:

Замена атома водорода в атоме углерода, ближайшем к карбоксильной группе, происходит по определенной схеме. Карбоксильная группа вызывает другую поляризацию связи C — H на атоме углерода, ближайшем к карбоксильной группе (положение α). По этой причине атом водорода в положении α легко вступает в реакции замещения углеводородного радикала. В присутствии красного фосфора в качестве катализатора происходит химическая реакция между карбоновыми кислотами и галогенами.

Реакция уксусной кислоты и брома с добавлением красного фосфора:

Муравьиная кислота обладает рядом специфических свойств. Это связано с особой структурой состава. Вещество содержит, помимо карбоксила, альдегидную группу. В связи с этим для кислоты характерны все свойства, которыми обладают альдегиды.

Муравьиная кислота окисляется аммиачным раствором оксида серебра. В результате химической реакции металлическое серебро осаждается (реакция серебряного зеркала).

Окисление муравьиной кислоты гидроксидом меди (II) приводит к образованию красного осадка оксида меди (I):

Окисление муравьиной кислоты хлором с образованием диоксида углерода:

Реакция 5

Окисление муравьиной кислоты перманганатом калия с выделением диоксида углерода:

5HCOOH + 2KMnO4 + 3H2SO4 → 5CO2 + 2MnSO4 + K2SO4 + 8H2O

В процессе нагрева серная кислота действует на муравьиную кислоту. В результате этой реакции соединение разлагается и образуется окись углерода:

Как и муравьиная кислота, бензойная кислота обладает уникальными химическими свойствами.

Разложение бензойной кислоты происходит при повышении температуры. В результате химической реакции образуются бензол и углекислый газ:

Карбоксильная группа электроноакцепторная. Особенность этой группы заключается в уменьшении электронной плотности на бензольном кольце и в том, что это метаориентатор.

Замена в бензольном кольце:

Щавелевая кислота обладает рядом характеристик. Соединение проявляет особые свойства, вступая в химические реакции.

При повышении температуры щавелевая кислота разлагается. В результате выделяются окись углерода и углекислый газ:

Окисление щавелевой кислоты происходит, когда соединение подвергается воздействию перманганата калия. При этом образуется углекислый газ:

К ненасыщенным кислотам относятся акриловая и олеиновая кислоты. Эти соединения обладают некоторыми характеристиками, которые проявляются в ходе химических реакций.

Вода и бромистый водород присоединяются к акриловой кислоте по схеме, которая противоречит правилу Марковникова, поскольку карбоксильная группа поглощает электроны.

Ненасыщенные кислоты способны связывать с собой галогены и водород.

Добавление водорода к олеиновой кислоте:

При воздействии ненасыщенных кислот водный раствор перманганата калия меняет цвет. При этом происходит окисление связи, и в атомах углерода двойной связи образуются две гидроксидные группы.

Предельные одноосновные карбоновые кислоты и свойства

Карбоновые кислоты — это органические вещества, молекулы которых содержат одну или несколько карбоксильных групп -COOH, связанных с углеводородным радикалом или атомом водорода.

— карбоксильная группа

Гомологический ряд

НСООН метан (муравьиная кислота)

CH3COOH этан (уксусный)

С2Н5СООН пропан (пропионовый)

С3Н7СООН бутан (масло)

4Н9СООН пентан

С15Н31СООН пальмитиновая

17Н35СООН стеариновая

Физические свойства

Низшие карбоновые кислоты жидкие с резким запахом и растворимы в воде.

Высшие карбоновые кислоты представляют собой твердые вещества без запаха, не растворимые в воде. Муравьиная кислота средней силы, уксусная кислота слабая.

Химические свойства

Диссоциация (слабые кислоты, изменение цвета индикаторов)

CH3COOH CH3COO— + H+

2. Взаимодействие с металлами

2CH3COOH + Mg → (CH3 –COО) 2Mg + H2

3. С оксидами

CH3COOH + MgO → (CH3 –COO) 2Mg + H2O

С гидроксидами

CH3COOH + NaOH → CH3COONa + H2O

5. С солями более слабых и более летучих кислот

2CH3COOH + Na2CO3 → CH3COONa + H2CO3 (разлагается на H2O и CO2)

Со спиртами (реакция этерификации)

CH3COOH + 2Н5ОН → СН3СООС2Н5 + Н2О

ацетат этила

Применение уксусной кислоты

получение лекарств, волокон, пластмасс, солей, фруктовых эссенций, растворителей в пищевой промышленности.

Общая формула

Классификация

(т.е количество карбоксильных групп в молекуле):

(монокарбоновая) RCOOH; Например:

CH3CH2CH2COOH;

(дикарбоновая) R (COOH) 2; Например:

HOOC-CH2-COOH пропандиовая кислота (малоновая

(трикарбоксилат) R (COOH) 3 и т д

предел; например: CH3CH2COOH;

ненасыщенный; например: CH2 = CHCOOH пропеновая кислота (акриловая

, Например:

, Например:

Предельные монокарбоновые кислоты

(одноосновные насыщенные карбоновые кислоты) — карбоновые кислоты, в которых насыщенный углеводородный радикал объединен с карбоновой группой -COOH.

У всех есть общая формула

Номенклатура

Систематические названия одноосновных насыщенных карбоновых кислот даются по имени корреспондента с добавлением суффикса — и слова

1 метановая кислота (муравьиная

CH3COOH этановая кислота (уксусная

3. СН3СН2СООН пропановая кислота (пропионовая

Изомерия

Скелетная изомерия в углеводородном радикале возникает, начиная с бутановой кислоты, которая имеет два изомера:

Межклассовая изомерия проявляется начиная с уксусной кислоты:

— уксусная кислота CH3-COOH;

— метилформиат H-COO-CH3 (метиловый эфир муравьиной кислоты);

— гидроксиэтаналь HO-CH2-COH (гидроксиуксусный альдегид);

— Гидроксиэтиленоксид HO-CHO-CH2.

Гомологический ряд

Банальное имя	Название ИЮПАК	Формула
Муравьиная кислота	Метановая кислота
Уксусная кислота	Этановая кислота
Пропионовая кислота	Пропановая кислота
Масляная кислота	Бутановая кислота
Валериановая кислота	Пентановая кислота
Капроновая кислота	Гексановая кислота
Энантовая кислота	Гептановая кислота
Каприловая кислота	Октановая кислота
Пеларгоновая кислота	Нонановая кислота
Каприновая кислота	Декановая кислота
Ундециловая кислота	Ундекановая кислота
Пальмитиновая кислота	Гексадекановая кислота
Стеариновая кислота	Октадекановая кислота

Кислотные остатки и кислотные радикалы

Кислота	Кислотный остаток	Кислотный радикал (ацил)
UNLO муравьиной	НСОО- формат
CH3COOH уксусный	CH3COO- ацетат
CH3CH2COOH пропионовый	CH3CH2COO- пропионат
СН3 (СН2) 2COOH масло	CH3 (CH2) 2СОО- бутират
СН3 (СН2) 3COOH валериана	CH3 (CH2) 3COO- валериато
СН3 (СН2) 4COOH нейлон	CH3 (CH2) 4СОО- капронат

Электронное строение молекул карбоновых кислот

Показанный в формуле сдвиг электронной плотности в сторону карбонильного атома кислорода вызывает сильную поляризацию связи О — Н, в результате чего облегчается отрыв атома водорода в виде протона — процесс кислотного диссоциация происходит в водных растворах:

RCOOH ↔ RCOO- + H+

В карбоксилат-ионе (RCOO-) p происходит сопряжение неподеленной пары электронов атома кислорода гидроксильной группы с p-облаками, образующими связь, в результате связь делокализована, и отрицательный заряд равномерно распределяется между два атома кислорода:

В этом отношении реакции присоединения не характерны для карбоновых кислот, в отличие от альдегидов.

Физические свойства

Температуры кипения кислот намного выше, чем температуры кипения спиртов и альдегидов с таким же числом атомов углерода, что объясняется образованием циклических и линейных ассоциатов между молекулами кислоты за счет водородных связей:

Химические свойства

Кислотные свойства

Сила кислот уменьшается в следующем порядке:

НСООН → СН3СООН → C2H6COOH → …

1. Реакции нейтрализации

CH3COOH + KOH → CH3COOK + Н2O

2. Реакции с основными оксидами

2HCOOH + CaO → (НСОО) 2Са + Н2O

3. Реакции с металлами

2СН3СН2СООН + 2Na → 2СН3СН2COONa + H2↑

4. Карбоновые кислоты

Реакции с солями более слабых кислот (включая карбонаты и бикарбонаты)

2СН3СООН + Na2CO3 → 2CH3COONa + CO2 ↑ + Н2O

2НСООН + Mg (HCO3) 2 → (НСОО) 2Мg + 2СO2 ↑ + 2Н2O

(НСООН + НСО3- → НСОО- + СO2 + Н2O)

5. Реакции с аммиаком

CH3COOH + NH3 → CH3COONH4

II. Замена группы -OH

1. Взаимодействие со спиртами (реакции этерификации)

Реакция с NH3 при нагревании (образуются амиды кислот)

Амиды кислот
гидролизуется с образованием кислот:

или их соли:

Образование галогенангидридов

Они имеют первостепенное значение. Хлорирующие реагенты — PCl3, PCl5, тионилхлорид SOCl2.

Образование ангидридов кислот (межмолекулярная дегидратация)

Ангидриды кислот также образуются при взаимодействии хлорангидридов с безводными солями карбоновых кислот; в этом случае можно получить смешанные ангидриды различных кислот; Например: