Органические кислоты

Классификация. По числу карбоксильных групп карбоновые кислоты делят на монокарбоновые, или одноосновные (одна группа —СООН), дикарбоновые, или двухосновные (две группы —СООН), и т. д. В зависимости от строения углеводородного радикала, с которым связана карбоксильная группа, карбоновые кислоты бывают алифатическими (например, уксусная или акриловая), алициклическими (например, циклогексанкарбоновая) или ароматическими (бензойная, фталевая).

Если в углеводородном радикале карбоновых кислот атом (атомы) водорода замещен на другие функциональные группы, то такие кислоты называются гетерофункциональными. Среди них различают галогенкарбоновые (например, CH₂Cl—СООН), нитрокислоты (например, NО₂—С₆Н₄СООН), аминокислоты (см. "Азотсодержащие соединения”), оксикислоты (например, СН₃—СН(ОН)—СООН) и др.

Карбоновые кислоты с числом атомов углерода выше 6 называют высшими (жирными) кислотами.

Номенклатура. В основе названий карбоновых кислот лежат названия соответствующих углеводородов. Наличие карбоксильной группы отражается окончанием -овая. Карбоновые кислоты часто имеют тривиальные названия: муравьиная, уксусная и др. (см. табл.).

Названия ароматических кислот производят от бензойной кислоты, например:

1. Изомерия углеродной цепи. Она начинается с бутановой кислоты (С₃Н₇СООН), которая существует в виде двух изомеров: масляной и изомасляной (2-метилпропановой) кислот.

2. Изомерия положения кратной связи, например:

СН₂==СН—СН₂—СООН СН₃—СН==СН—СООН

3. Цис-, транс-изомерия, например:

4. Межклассовая изомерия: например, масляной кислоте (СН₃—СН₂—CH₂—СООН) изомерны метиловый эфир пропановой кислоты (СН₃—СН₂—СО—О—СНз) и этиловый эфир уксусной кислоты (СН₃—СО—О —CH₂—СН₃).

5. У гетерофункционалъных кислот возможна изомерия, связанная с положением функциональных групп, например, существуют три изомера хлормасляной кислоты: 2-хлорбутановая, 3-хлорбутановая и 4-хлорбутановая.

Для гетерофункциональных кислот возможна также оптическая изомерия.

Способы получения. 1. Окисление альдегидов и первичных спиртов — общий способ получения карбоновых кислот:

2. Другой общий способ — гидролиз галогензамещенных углеводородов, содержащих три атома галогена у одного атома углерода:

3. Взаимодействие реактива Гриньяра с СО₂:

4. Гидролиз сложных эфиров:

5. Гидролиз ангидридов кислот:

6. Для отдельных кислот существуют специфические способы получения:

Физические свойства. Насыщенные алифатические монокарбоновые кислоты образуют гомологический ряд, который характеризуется общей формулой С_nН_2n+1СООН. Низшие члены этого ряда (С₁— С₉) представляют собой жидкости, обладающие характерным острым запахом. Средние представители ряда—вязкие, "маслообразные” жидкости; начиная с С₁₀ — твердые вещества.

Строение. Карбоксильная группа СООН состоит из карбонильной группы С==O и гидроксильной группы ОН, которые оказывают взаимное влияние друг на друга. В группе СО атом углерода несет частичный положительный заряд и притягивает к себе неподеленную электронную пару атома кислорода в группе ОН. При этом электронная плотность на атоме кислорода уменьшается и связь O-Н ослабляется (увеличиваются кислотные свойства):

Химические свойства. 1. Диссоциация кислот. В водном растворе карбоновые кислоты диссоциируют:

Однако это равновесие диссоциации сильно сдвинуто влево, поэтому карбоновые кислоты, как правило, слабые кислоты.

2. Образование солей. Карбоновые кислоты обладают всеми свойствами обычных кислот: реагируют с активными металлами, основными оксидами, основаниями:

3. Образование функциональных производных. 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.

Хлорангидриды получают действием хлорида фосфора (V) на кислоты:

Сложные эфиры образуются при нагревании кислоты со спиртом в присутствии серной кислоты (обратимая реакция этерификации):

Реакции хлорангидридов карбоновых кислот с аммиаком приводят к образованию амидов:

Например:

Общая формула амидов RCONH₂. Функциональная группа СONH₂ называется амидогруппой.

Названия амидов производят от названий кислот, из которых они образовались, с добавлением слова амид.

К амидам кислот относится мочевина. Это конечный продукт азотистого обмена в организме человека и животных. Образуется при распаде белков и выделяется вместе с мочой. Мочевину можно рассматривать как полный амид угольной кислоты:

4. Ряд свойств карбоновых кислот обусловлен наличием углеводородного радикала. Так, при действии галогенов на свету образуются a -галогензамещенные кислоты:

5. Окислительно-восстановительные реакции карбоновых кислот.

Муравьиная кислота — сильный восстановитель и легко окисляется до СО₂. Она дает реакцию "серебряного зеркала”:

Номенклатура и изомерия. Названия сложных эфиров производят от названия углеводородного радикала и названия кислоты, в котором вместо окончания -овая используют суффикс -am, например:

1. Изомерия углеродной цепи начинается по кислотному остатку с бутановой кислоты, по спиртовому остатку — с пропилового спирта, например, этилбутирату изомерны этилизобутират, пропилацетат и изопропилацетат.

2. Изомерия положения сложноэфирной группировки —СО—О—. Этот вид изомерии начинается со сложных эфиров, в молекулах которых содержится не менее 4 атомов углерода, например этилацетат и метилпропионат.

3. Межклассовая изомерия, например, метилацетату изомерна пропановая кислота.

Химические свойства сложных эфиров. 1. Реакция гидролиза, или омыления. Так, как реакция этерификации является обратимой, поэтому в присутствии кислот протекает обратная реакция гидролиза:

2. Реакция присоединения. Сложные эфиры, имеющие в своем составе непредельную кислоту или спирт, способны к реакциям присоединения.

3. Реакция восстановления. Восстановление сложных эфиров водородом приводит к образованию двух спиртов:

4. Реакция образования амидов. Под действием аммиака сложные эфиры превращаются в амиды кислот и спирты:

Жиры. Среди сложных эфиров особое место занимают природные эфиры — жиры и масла, которые образованы трехатомным спиртом глицерином и высшими жирными кислотами, содержащими четное число углеродных атомов. Жиры входят в состав растительных и животных организмов и служат одним из источников энергии живых организмов, которая выделяется при окислении жиров.

Общая формула жиров:

где R', R", R"' — углеродные радикалы.

1. Масляная к-та СН₃ — (CH₂)₂ — СООН

2. Капроновая к-та СН₃ — (CH₂)₄ — СООН

3. Пальмитиновая к-та СН₃ — (CH₂)₁₄ — СООН

4. Стеариновая к-та СН₃ — (CH₂)₁₆ — СООН

5. Олеиновая к-та С₁₇Н₃₃СООН

СН₃—(СН₂)₇—СН === СН—(СН₂)₇—СООН

6. Линолевая к-та С₁₇Н₃₁СООН

СН₃—(СН₂)₄—СН = СН—СН₂—СН = СН—СООН

7. Линоленовая к-та С₁₇Н₂₉СООН

СН₃СН₂СН = CHCH₂CH == CHCH₂CH = СН(СН₂)₄СООН

Химические свойства. 1. Гидролиз, или омыление, жиров происходит под действием воды (обратимо) или щелочей (необратимо). При щелочном гидролизе образуются соли высших жирных кислот, называемые мылами.

2. Гидрогенизацией жиров называется процесс присоединения водорода к остаткам непредельных кислот, при этом жиры из жидких превращаются в твердые.

Мыла — это соли высших карбоновых кислот. Обычные мыла состоят главным образом из смеси солей пальмитиновой, стеариновой и олеиновой кислот. Натриевые соли образуют твердые мыла, калиевые соли — жидкие мыла.