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 группойПерераспределение 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 OКарбоновые кислоты сильнее угольной кислоты, поэтому они способны разлагать карбонаты:
CH 3 COOH + Na 2 CO 3 = CH 3 COONa + CO 2 + H 2 O2. 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 + 2HClПри 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.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Органические вещества, молекулы которых содержат одну или несколько карбоксильных групп, соединенных с углеводородным радикалом, называют карбоновыми кислотами .
Первые три члена гомологического ряда карбоновых кислот, включая пропионовую кислоту, — жидкости, имеющие резкий запах, хорошо растворимые в воде. Следующие гомологи, начиная с масляной кислоты, — также жидкости, обладающие резким неприятным запахом, но плохо растворимые в воде. Высшие кислоты, с числом атомов углерода 10 и более, представляют собой твердые вещества, без запаха, нерастворимые в воде. В целом, в ряду гомологов с увеличением молекулярной массы уменьшается растворимость в воде, уменьшается плотность и возрастает температура кипения (табл. 1).
Таблица 1. Гомологический ряд карбоновых кислот.
Получение карбоновых кислот
Карбоновые кислоты получают окислением предельных углеводородов, спиртов, альдегидов. Например, уксусную кислоту - окислением этанола раствором перманганата калия в кислой среде при нагревании:
Химические свойства карбоновых кислот
Химические свойства карбоновых кислот обусловлены в первую очередь особенностями их строения. Так, растворимые в воде кислоты способны диссоциировать на ионы:
R-COOH↔R-COO — + H + .
Благодаря наличию в воде иона H + они имеют кислый вкус, способны менять окраску индикаторов и проводить электрический ток. В водном растворе эти кислоты - слабые электролиты.
Карбоновые кислоты обладают химическими свойствами, характерными для растворов неорганических кислот, т.е. взаимодействуют с металлами (1), их оксидами (2), гидроксидами (3) и слабыми солями (4):
2CH 3 -COOh + Zn → (CH 3 COO) 2 Zn + H 2 (1);
2CH 3 -COOH + CuO→ (CH 3 COO) 2 Cu + H 2 O (2);
R-COOH + KOH → R-COOK + H 2 O (3);
2CH 3 -COOH + NaHCO 3 → CH 3 COONa + H 2 O + CO 2 (4).
Специфическое свойство предельных, а также непредельных карбоновых кислот, проявляемое за счет функциональной группы, — взаимодействие со спиртами.
Карбоновые кислоты взаимодействуют со спиртами при нагревании и в присутствии концентрированной серной кислоты. Например, если к уксусной кислоте прилить этиловый спирт и немного серной кислоты, то при нагревании появляется запах этилового эфира уксусной кислоты (этилацетата):
CH 3 -COOH + C 2 H 5 OH ↔CH 3 -C(O)-O-C 2 H 5 + H 2 O.
Специфическое свойство предельных карбоновых кислот, проявляемое за счет радикала, — реакция галогенирования (хлорирования).
Применение карбоновых кислот
Карбоновые кислоты служат исходным сырьем для получения кетонов, галогенангидридов, виниловых эфиров и других важных классов органических соединений.
Муравьиная кислота широко применяется для получения сложных эфиров, используемых в парфюмерии, в кожевенном деле (дубление кож), текстильной промышленности (как протрава при крашении), в качестве растворителя и консерванта.
Водный раствор (70-80%-ной) уксусной кислоты называется уксусной эссенцией, а 3-9%-ный водный раствор - столовым уксусом. Эссенция нередко используется для получения уксуса в домашних условиях путем разведения.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
Задание | С помощью каких химических реакций можно осуществить следующие превращения:
а) CH 4 → CH 3 Cl → CH 3 OH → HCHO → HCOOH → HCOOK. Напишите уравнения реакций, укажите условия их протекания. |
Ответ | а) Хлорирование метана на свету приводит к получению хлорметана:
CH 4 + Cl 2 →CH 3 Cl + HCl. Галогенпроизводные алканов подвергаются гидролизу в водной или щелочной среде с образованием спиртов: CH 3 Cl + NaOH→CH 3 OH + NaCl. В результате окисления первичных спиртов, например, дихроматом калия в кислой среде в присутствии катализатора (Cu, CuO, Pt, Ag) образуются альдегиды: CH 3 OH+ [O] →HCHO. Альдегиды легко окисляются до соответствующих карбоновых кислот, например, перманганатом калия: HCHO + [O] →HCOOH. Карбоновые кислоты, проявляют все свойства, присущие слабым минеральным кислотам, т.е. способны взаимодействовать с активными металлами с образованием солей: 2HCOOH+ 2K→2HCOOK + H 2 . |
ПРИМЕР 2
Задание | Напишите уравнения реакций между следующими веществами: а) 2-метилпропановой кислотой и хлором; б) уксусной кислотой и пропанолом-2; в) акриловой кислотой и бромной водой; г) 2-метилбутановой кислотой и хлоридом фосфора (V). Укажите условия протекания реакций. |
Ответ | а) в результате реакции взаимодействия между 2-метилпропановой кислотой и хлором происходит замещение атома водорода в углеводородном радикале, находящемся в a-положение; образуется 2-метил-2-хлорпропановая кислота
H 3 C-C(CH 3)H-COOH + Cl 2 → H 3 C-C(CH 3)Cl-COOH + HCl (kat = P). б) в результате реакции взаимодействия между уксусной кислотой и пропанолом-2 происходит образование сложного эфира - изопропиловый эфир уксусной кислоты. CH 3 -COOH + CH 3 -C(OH)H-CH 3 → CH 3 -C(O)-O-C(CH 3)-CH 3 . в) в результате реакции взаимодействия между акриловой кислотой и бромной водой присоединение галогена по месту двойной связи в соответствии с правилом Марковникова; образуется 2,3-дибромпропановая кислота CH 2 =CH-COOH + Br 2 → CH 2 Br-CHBr-COOH г) в результате реакции взаимодействия между 2-метилбутановой кислотой и хлоридом фосфора (V) образуется соответствующий хлорангидрид CH 3 -CH 2 -C(CH 3)H-COOH + PCl 5 →CH 3 -CH 2 -C(CH 3)H-COOCl + POCl 3 + HCl. |
Карбоновые кислоты. Непредельные (ненасыщенные) карбоновые кислоты - соединения, в углеводородном радикале которых имеются кратные связи. В зависимости от их числа и природы различают: 1) алкеновые карболовые кислоты с общей формулой C*H2*-iCOOH, имеющие одну двойную связь; 2) алкадиеновые карбоновые кислоты с общей формулой СяНгя-зСООН, имеющие две двойные связи; 3) алкатриеновые карбоновые кислоты с общей формулой СяНгл-зСООН, имеющие три двойные связи; 4) алкиновые карбоновые кислоты с общей формулой ОД^-эСООН, имеющие одну тройную связь. Способ получения. 1. Окисление непредельных альдегидов: акролеин акриловая кислота 2. Дегидрогалогенирование галогенкарбоновых кислот: СН2-СН2-СН2-СООН + 2КОН - сн2=сн-сн2-соок+2И2о+ка 3. Дегидратация р-оксикислот: Физические свойства. Ненасыщенные карбоновые кислоты с числом атомов углерода 10 и более, имеющие ^^-конфигурацию, в отличие от предельных карбоновых кислот при обычных условиях являются жидкостями. 7/?а«оизомеры непредельных карбоновых кислот с любым числом атомов углерода являются кристаллическими веществами. . В табл. 29.3 указаны физические свойства некоторых представителей непредельных карбоновых кислот. Таблица 29.3. Физические свойства некоторых представителей непредельных карбоновых кислот Название кислоты Формула Температура плавления, °С Температура дпвниж, °С Акриловая С2Н3-СООН 12,1 140,9 Пропиоловая С2Н - СООН 17,6 144 Кро тоновая (тране- из ом ер) С3Н5-СООН 71,4-71,7 185 Название кислоты Формул» Температура плавления, °С Температура X) Изокро тоновая (tfuc- изомер) С3Н5-СООН 15,5 169 Олеиновая (цис-изомер) С17Н33СООН 13,4 228/15 Эландиновая (транс-изомер) С17Н33СООН 44 234/15 Линолевая Ci7H3iCOOH -5 149Д Линоленовая C,7H29COOH -11,3 184/4 Последние четыре кислоты кипят при низких давлениях (указаны в мм рт. ст. через дробь). Химические свойства. Наличие в углеводородном радикале двойных и тройных связей влияет на силу карбоновых кислот. Если у пропионовой кислоты константа диссоциации К- = 1,34 Ю, то у акриловой кислоты она приблизительно в 4 раза больше (#=5,6* 10"5), а у пропиоловой кислоты она больше в тысячу раз (К= 1,35 ИГ1). Наличие кратных связей в молекулах непредельных карбоновых кислот обусловливает их способность вступать в реакции присоединения и полимеризации и особенности протекания реакций окисления. 1. Реакции присоединения: 2. Реакции полимеризации: соон соон 3. Реакции окисления: а) при осторожном окислении образуются диоксикислоты акриловая диоксипропноновая кислота кислота б) при энергичном окислении происходит разрыв молекулы по месту кратной связи с образованием смеси одноосновной и двухосновной кислот: СНз-СН«СН-СООН гротоповая кислота СН эСООН+НООС - СООН уксусная щавелевая кислота кислота [О} Отдельные представители. Акриловая (пропеновая) кислота СН2=СН - СООН представляет собой жидкость с резким запахом, смешивается с водой во всех отношениях. Широко используется для получения различных полимеров. Олеиновая кислота С8Н,7СН=СН - (СН^-СООН содержится в виде глидеридов в большинстве растительных масел и животных жиров, получается их гидролизом, представляет собой бесцветную маслянистую жидкость, легко окисляющуюся на воздухе, растворимую в органических растворителях и несме-шивающуюся с водой. Используется для производства парфюмерных и косметических средств, пеноочистителей, смачивателей и пластификаторов. Линолевая кислота СН3 - (СН2)3 - (СН2 - СН - СН)2 - (СН2)7 -- СООН. Содержится в виде глицеридов в растительных маслах, получается их гидролизом, представляет собой светло-желтую жидкость, хорошо растворимую в органических растворителях и нерастворимую в воде. Легко окисляется и полимеризуется на воздухе. Линоленовая кислота - маслянистая жидкость светло-желтого цвета, нерастворимая в воде и хорошо растворимая в органических растворителях. Содержится в виде глицеридов в растительных маслах и получается в результате их гидролиза. Легко окисляется и полимеризуется. Линолевая и линоленовая кислоты в организме человека и животных не синтезируются, но необходимы для жизнедеятельности, в организм поступают с пищей, поэтому они относятся к так называемым незаменимым жирным кислотам.
Способы получения . 1 . Окисление альдегидов и первичных спиртов - общий способ получения карбоновых кислот. В качестве окислителей применяются />K М n О 4 и K 2 С r 2 О 7 .
2 Другой общий способ - гидролиз галогензамещенных углеводородов, содержащих, три атома галогена у одного атома углерода. При этом образуются спирты, содержащие группы ОН у одного атома углерода - такие спирты неустойчивы и отщепляют воду с образованием карбоновой кислоты:/>
ЗNаОН | ||||
R-CCl 3 | → | R — COOH + Н 2 О | ||
-3NaCl |
3 . 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:/>
СН 3 -В r + NaCN → CH 3 — CN + NaBr .
Образующийся нитрил уксусной кислоты (метилцианид) при нагревании легко гидролизуется с образованием ацетата аммония:
CH 3 CN + 2Н 2 О → CH 3 COONH 4 .
При подкислении раствора выделяется кислота:
CH 3 COONH 4 + HCl → СН 3 СООН + NH 4 Cl .
4 . Использование реактива Гриньяра по схеме:/>
Н 2 О
R
—
MgBr
+ СО 2 →
R
—
COO
—
MgBr
→
R
—
COOH
+
Mg
(OH
)
Br
5 . Гидролиз сложных эфиров:/>
R — COOR 1 + КОН → R — COOK + R ‘ OH ,
R — COOK + HCl → R — COOH + KCl .
6 . Гидролиз ангидридов кислот:/>
(RCO ) 2 O + Н 2 О → 2 RCOOH .
7 . Для отдельных кислот существуют специфические способы получения./>
Муравьиную кислоту получают нагреванием оксида углерода ( II ) с порошкообразным гидроксидом натрия под давлением и обработкой полученного формиата натрия сильной кислотой:
Уксусную кислоту получают каталитическим окислением бутана кислородом воздуха:
2С 4 Н 10 + 5 O 2 → 4СН 3 СООН + 2Н 2 О.
Для получения бензойной кислоты можно использовать окисление монозамешенных гомологов бензола кислым раствором перманганата калия:
5С 6 Н 5 -СН 3 + 6 KMnO 4 + 9 H 2 SO 4 = 5С 6 Н 5 СООН + 3 K 2 SO 4 + 6 MnSO 4 + 14 H 2 O .
Кроме того, бензойную кислоту можно получить из бензальдегида с помощью реакции Канниццаро . В этой реакции бензальдегид обрабатывают 40-60%-ным раствором гидроксида натрия при комнатной температуре. Одновременное окисление и восстановление приводит к образованию бензойной кислоты и соответственно фенилметанола (бензилового спирта):
Химические свойства . Карбоновые кислоты - более сильные кислоты, чем спирты, поскольку атом водорода в карбоксильной группе обладает повышенной подвижностью благодаря влиянию группы СО. В водном растворе карбоновые кислоты диссоциируют:/>
RCOOH RCOO — + Н +
Тем не менее из-за ковалентного характера молекул карбоновых кислот указанное выше равновесие диссоциации достаточно сильно сдвинуто влево. Таким образом, карбоновые кислоты - это, как правило, слабые кислоты. Например, этановая (уксусная) кислота характеризуется константой диссоциации К а = 1,7*10 -5 . />
Заместители, присутствующие в молекуле карбоновой кислоты, сильно влияют на ее кислотность вследствие оказываемого ими индуктивного эффекта . Такие заместители, как хлор или фенильный радикал оттягивают на себя электронную плотность и, следовательно, вызывают отрицательный индуктивный эффект (-/). Оттягивание электронной плотности от карбоксильного атома водорода приводит к повышению кислотности карбоновой кислоты. В отличие от этого такие заместители, как алкильные группы, обладают электронодонорными свойствами и создают положительный индуктивный эффект, +I. Они понижают кислотность. Влияние заместителей на кислотность карбоновых кислот наглядно проявляется в значениях констант диссоциации K a для ряда кислот. Кроме того, на силу кислоты оказывает влияние наличие сопряженной кратной связи.
Карбоновые кислоты Формула K a |
Пропионовая CH 3 CH 2 COOH 1,3*10 -5 |
Масляная CH 3 CH 2 CH 2 COOH 1,5*10 -5 |
Уксусная CH 3 COOH 1,7*10 -5 |
Кротоновая CH 3 — CH = CH — COOH 2,0*10 -5 |
Винилуксусная CH 2 =CH-CH 2 COOH 3,8*10 -5 |
Акриловая CH 2 =CH-COOH 5,6*10 -5 |
Муравьиная HCOOH 6,1*10 -4 |
Бензойная C 6 H 5 COOH 1,4*10 -4 |
Хлоруксусная CH 2 ClCOOH 2,2*10 -3 |
Тетроновая CH 3 — C ≡ C — COOH 1,3*10 -3 |
Дихлоруксусная CHCl 2 COOH 5,6*10 -2 |
Щавелевая HOOC — COOH 5,9*10 -2 |
Трихлоруксусная CCl 3 COOH 2,2*10 -1 |
Взаимное влияние атомов в молекулах дикарбоновых кислот приводит к тому, что они являются более сильными, чем одноосновные.
2. Образование солей. Карбоновые кислоты обладают всеми свойствами обычных кислот. Они реагируют с активными металлами, основными оксидами, основаниями и солями слабых кислот:
2 RCOOH + М g → (RCOO ) 2 Mg + Н 2 ,
2 RCOOH + СаО → (RCOO ) 2 Ca + Н 2 О,
RCOOH + NaOH → RCOONa + Н 2 О,
RCOOH + NaHCO 3 → RCOONa + Н 2 О + СО 2 .
Карбоновые кислоты - слабые, поэтому сильные минеральные кислоты вытесняют их из соответствующих солей:
CH 3 COONa + HCl → СН 3 СООН + NaCl .
Соли карбоновых кислот в водных растворах гидролизованы:
СН 3 СООК + Н 2 О СН 3 СООН + КОН.
Отличие карбоновых кислот от минеральных заключается в возможности образования ряда функциональных производных.
3 . Образование функциональных производных карбоновых кислот. При замещении группы ОН в карбоновых кислотах различными группами (/>X ) образуются функциональные производные кислот, имеющие общую формулу R -СО- X ; здесь R означает алкильную либо арильную группу. Хотя нитрилы имеют другую общую формулу ( R - CN ), обычно их также рассматривают как производные карбоновых кислот, поскольку они могут быть получены из этих кислот.
Хлорангидриды получают действием хлорида фосфора ( V ) на кислоты:
R-CO-OH + РС l 5 → R-CO-Cl + РОС l 3 + HCl .
Соединение примеры |
Кислота Этановая(уксусная) Бензойная кислота хлорангидрит кислоты Этаноилхлорид Бензоилхлорид (ацетилхлорид) ангидрид кислоты Этановый(уксусный) бензойный ангидрит Ангидрит сложый эфир Этилэтаноат(этилацетат) Метилбензоат амид
Этанамид(ацетамид) Бензамид Нитрил Этаннитрил Бензонитрил (ацетонитрил) |
Ангидриды образуются из карбоновых кислот при действии водоотнимающих средств:
2 R — CO — OH + Р 2 О 5 → (R — CO -) 2 O + 2НРО 3 .
Сложные эфиры образуются при нагревании кислоты со спиртом в присутствии серной кислоты (обратимая реакция этерификации):
Механизм реакции этерификации был установлен методом "меченых атомов".
Сложные эфиры можно также получить при взаимодействии хлорангидридов кислот и алкоголятов щелочных металлов:
R-CO-Cl + Na-O-R’ → R-CO-OR’ + NaCl .
Реакции хлорангидридов карбоновых кислот с аммиаком приводят к образованию амидов :
СН 3 -СО-С l + CН 3 → СН 3 -СО-CН 2 + HCl .
Кроме того, амиды могут быть получены при нагревании аммонийных солей карбоновых кислот:
При нагревании амидов в присутствии водоотнимающих средств они дегидратируются с образованием нитрилов :
Р 2 0 5 | ||
CH 3 — CO — NH 2 |
→ |
CH 3 — C ≡ N + Н 2 О |
Функциональные производные низших кислот — летучие жидкости. Все они легко гидролизуются с образованием исходной кислоты:
R-CO-X + Н 2 О →R-CO-OH + НХ .
В кислой среде эти реакции могут быть обратимы. Гидролиз в щелочной среде необратим и приводит к образованию солей карбоновых кислот, например:
R-CO-OR ‘ + NaOH → R-CO-ONa + R’OH.
4 . Ряд свойств карбоновых кислот обусловлен наличием углеводородного радикала. Так, при действии галогенов на кислоты в присутствии красного фосфора образуются галогензамещенные кислоты, причем на галоген замещается атом водорода при соседнем с карбоксильной группой атоме углерода (а-атоме):/>
р кр | ||
СН 3 -СН 2 -СООН + Вr 2 |
→ |
СН 3 -СНВr-СООН + НВr |
Непредельные карбоновые кислоты способны к реакциям присоединения:
СН 2 =СН-СООН + Н 2 → СН 3 -СН 2 -СООН,
СН 2 =СН-СООН + С l 2 → СН 2 С l -СНС l -СООН,
СН 2 =СН-СООН + HCl → СН 2 С l -СН 2 -СООН,
СН 2 =СН-СООН + Н 2 O → НО-СН 2 -СН 2 -СООН,
Две последние реакции протекают против правила Марковникова.
Непредельные карбоновые кислоты и их производные способны к реакциям полимеризации .
5 . Окислительно-восстановительные реакции карбоновых кислот./>
Карбоновые кислоты при действии восстановителей в присутствии катализаторов способны превращаться в альдегиды, спирты и даже углеводороды:
Муравьиная кислота НСООН отличается рядом особенностей, поскольку в ее составе есть альдегидная группа:
Муравьиная кислота - сильный восстановитель и легко окисляется до СО 2 . Она дает реакцию "серебряного зеркала" :
НСООН + 2OH → 2Ag + (NH 4) 2 CO 3 + 2NH 3 + H 2 O,
или в упрощенном виде:
C Н 3 НСООН + Аg 2 О → 2Аg + СО 2 + Н 2 О.
Кроме того, муравьиная кислота окисляется хлором:
НСООН + Сl 2 → СО 2 + 2 HCl .
В атмосфере кислорода карбоновые кислоты окисляются до СО 2 и Н 2 О:
СН 3 СООН + 2О 2 → 2СО 2 + 2Н 2 О.
6 . Реакции декарбоксширования . Насыщенные незамещенные монокарбоновые кислоты из-за большой прочности связи С-С при нагревании декарбоксилируются с трудом. Для этого необходимо сплавление соли щелочного металла карбоновой кислоты со щелочью:/>
Появление электронодонорных заместителей в углеводородном радикале способствует реакции декарбоксилирования :
Двухосновные карбоновые кислоты легко отщепляют СО 2 при нагревании:
Урок поможет вам получить представление о теме «Химические свойства предельных одноосновных карбоновых кислот» (школьная программа по химии 10 класса). В ходе занятия вы узнаете про химические свойства предельных карбоновых кислот, которые обусловлены наличием в их молекуле карбоксиловой группы.
Тема: Карбонильные соединения. Карбоновые кислоты
Урок: Химические свойства предельных одноосновных карбоновых кислот
Из названия этих соединений можно предположить, что им характерны кислотные свойства.
Кислотные свойства
Кислотные свойства - способность к отщеплению иона водорода.
⇆ +H +
В чем проявляются кислотные свойства карбоновых кислот?
1. Наличие свободного иона водорода в растворах кислот обуславливает их кислый вкус и взаимодействие с индикаторами.
2. Кислоты взаимодействуют с активными металлами, выделяя водород:
2СН 3 СOOH + Mg →(СН 3 СOO) 2 Mg + H 2 .
этанат магния
(ацетат магния)
3. Реакции c основаниями:
СН 3 СOOH + NaOH → СН 3 СOONa + H 2 O.
4. Реакции с основными оксидами:
2СН 3 СOOH + ZnO → (СН 3 СOO) 2 Zn + H 2 O.
5. Реакции с солями более слабых кислот:
Электролит - вещество, диссоциирующее на ионы в растворе или расплаве.
Сильный электролит - электролит, диссоциирующий на ионы полностью.
Слабый электролит - электролит, диссоциирующий на ионы частично.
Карбоновые кислоты → слабые электролиты:
СН 3 СООН СН 3 СОО - + Н +
От чего зависит сила карбоновой кислоты?
1. От строения
Чем больше положительный заряд на атоме водорода в молекуле кислоты, тем более сильным электролитом она будет. Наличие электронодонорных углеводородных радикалов рядом с карбоксильной группой уменьшает способность кислоты диссоциировать.
2. От наличия других групп в молекуле
Введение электроноакцепторных заместителей увеличивает положительный заряд на атоме водорода и силу кислоты.
Нуклеофильное замещение (реакция этерификации)
Карбоновые кислоты взаимодействуют со спиртами в присутствии катализатора - серной кислоты, образуя сложные эфиры .
Декарбоксилирование - удаление карбоксильной группы.
1. При нагревании с твердыми щелочами соли карбоновых кислот дают алкан с числом атомов углерода на единицу меньше, а карбоксильная группа удаляется в виде карбоната:
RCOONa тв + NaOH тв RH + Na 2 CO 3 .
2. Твердые соли карбоновых кислот со щелочноземельными металлами при нагревании дают кетон и карбонат:
(СН 3 СОО) 2 Са СН 3 -СО-СН 3 + СаСО 3 .
3. Бензойная кислота при прокаливании разлагается на бензол и углекислый газ:
Ph-COOH PhH + CO 2 .
4. При электролизе водных растворов солей карбоновых кислот на аноде выделяется углекислый газ, а углеводородные радикалы объединяются в алкан (реакция Кольбе):
2RCOONa + Н 2 О → R-R + 2CO 2 + 2NaOH.
При электролизе без диафрагмы (с неразделенным катодным и анодным пространством) гидроксид натрия взаимодействует с углекислым газом, и одним из продуктов является гидрокарбонат:
2RCOONa + Н 2 О →R-R + 2NaHCO 3 .
Подведение итога урока
При помощи данного урока вы смогли самостоятельно изучить тему «Химические свойства предельных одноосновных карбоновых кислот» (школьная программа по химии 10 класса). В ходе занятия вы узнали химические свойства предельных карбоновых (органических) кислот, которые обусловлены наличием в их молекуле карбоксильной группы.
Список литературы
1. Рудзитис Г.Е. Химия. Основы общей химии. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г. Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. - 14-е издание. - М.: Просвещение, 2012.
2. Химия. 10 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений/ В.В. Еремин, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин и др. - М.: Дрофа, 2008. - 463 с.
3. Химия. 11 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений/ В.В. Еремин, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин и др. - М.: Дрофа, 2010. - 462 с.
4. Хомченко Г.П., Хомченко И.Г. Сборник задач по химии для поступающих в вузы. - 4-е изд. - М.: РИА «Новая волна»: Издатель Умеренков, 2012. - 278 с.
Домашнее задание
1. №№ 2, 4 (с. 113) Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г. Химия: Органическая химия. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень/ Г. Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. - 14-е издание. - М.: Просвещение, 2012.
2. Какие две кислоты имеют общую молекулярную формулу С 4 Н 8 О 2. Назовите их.
3. Какая из кислот монохлоруксусная или уксусная должна быть сильнее? Почему?