Карбоновые кислоты
Карбоновые кислоты – органические соединения, в составе которых присутствует одна или несколько карбоксильных групп –COOH. Карбоксильная группа включает в себя две функциональные группы – карбонил >С=О и гидроксил –OH, связанных друг с другом непосредственно. Наличие кислотных свойств объясняется тем, что от группы –OH может сравнительно легко отщепляться протон.
Номенклатура и классификация
Кислотам дают систематические названия по названию углеводорода с добавлением суффикса -овая и слова кислота. Если кислота многоосновная, то применяют суффиксы -диовая, -триовая и т. д. Если карбоксильная группа не входит в состав главной углеродной цепи, название кислоты строят из названия этой структуры, суффикса -карбоновая и слова кислота. Например, для бензойной кислоты C6H5–COOH систематическое название – бензолкарбоновая кислота. Карбоновые кислоты классифицируют по двум структурным признакам: по числу карбоксильных групп кислоты и по характеру углеводородного радикала. По числу групп они подразделяются: на одноосновные (монокарбоновые) и многоосновные (дикарбоновые, трикарбоновые и т. д.). По углеводородному радикалу выделяют кислоты предельные, непредельные, ациклические, ароматические [8].
Строение и физические свойства
Карбоксильная группа сочетает в себе две функциональные группы – гидроксил и карбонил, которые взаимно влияют друг на друга и это влияние передается по системе сопряжения sp2-атомов O–C–O.
Электронное строение группы –СООН сообщает органическим кислотам химические и физические свойства. Дополнительная (по сравнению с фенолами и спиртами) поляризация связи О–Н диктуется смещением электронной плотности к карбонильному атому кислорода, что способствует подвжиности водородного атома и проявлению кислотных свойств. Ди- и трикарбоновые кислоты сильнее, чем монокарбоновые.
В водном растворе карбоновые кислоты диссоциируют на ионы:
R–COOH ⇄ RCOO– + H+.
Однако карбоновые кислоты в целом – слабые кислоты в водных растворах их соли сильно гидролизованы.
Атомы водорода и кислорода в карбоксильной группе –СООН способны к образованию межмолекулярных водородных связей, что во многом определяет физические свойства карбоновых кислот:
Образование димеров карбоновых кислот
Вследствие ассоциации молекул карбоновые кислоты имеют высокие температуры кипения и плавления. При нормальных условиях они существуют в жидком или твердом состоянии.
Химические свойства
Карбоновые кислоты при реакции с металлами или их осно́вными гидроксидами дают соли соответствующих металлов:
CH3COOH + NaOH = CH3COONa + H2O.
Карбоновые кислоты в присутствии кислого катализатора реагируют со спиртами, образуя сложные эфиры (реакция этерификации):
При нагревании аммонийных солей карбоновых кислот образуются их амиды:
Под действием тионилхлорида карбоновые кислоты превращаются в соответствующие хлорангидриды:
CH3COOH + SOCl2 = CH3COCl + HCl + SO2.
Карбоновые кислоты и их функциональные производные находятся в тесной взаимосвязи друг с другом. На схеме показаны возможные пути их взаимопревращений:
Методы получения
Окисление альдегидов и первичных спиртов – общий способ получения карбоновых кислот.
CH2–OH → R–CH=O → R–CO–OH.
Получение карбоновых кислот из цианидов (нитрилов) – это важный способ, позволяющий наращивать углеродную цепь при получении исходного цианида. Дополнительный атом углерода вводят в состав молекулы, используя реакцию замещения галогена в молекуле галогенуглеводорода цианидом натрия, например:
СН3–Вr + NaCN → CH3-CN + NaBr.
Образующийся нитрил уксусной кислоты (метилцианид) при нагревании легко гидролизуется с образованием ацетата аммония:
CH3CN + 2Н2О → CH3COONH4.
При подкислении раствора выделяется кислота:
CH3COONH4 + HCl → СН3СООН + NH4Cl.
Гидролиз сложных эфиров.
R–COOR1 + КОН → R–COOK + R'OH,
R–COOK + HCl → R–COOH + KCl.