Химични свойства на карбоксилните киселини и методи за получаване. Подготовка за Единен държавен изпит по химия

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Наричат ​​се органични вещества, чиито молекули съдържат една или повече карбоксилни групи, свързани с въглеводороден радикал карбоксилни киселини.

Първите три члена на хомоложната серия от карбоксилни киселини, включително пропионовата киселина, са течности, които имат остра миризма и са силно разтворими във вода. Следните хомолози, като се започне с маслена киселина, също са течности, които имат силна неприятна миризма, но са слабо разтворими във вода. Висшите киселини с брой въглеродни атоми 10 или повече са твърди, без мирис, неразтворими във вода. Като цяло, в серия от хомолози, с увеличаване на молекулното тегло, разтворимостта във вода намалява, плътността намалява и точката на кипене се повишава (Таблица 1).

Таблица 1. Хомоложна серия от карбоксилни киселини.

Получаване на карбоксилни киселини

Карбоксилните киселини се получават чрез окисление на наситени въглеводороди, алкохоли и алдехиди. Например, оцетна киселина - чрез окисляване на етанол с разтвор на калиев перманганат в кисела среда при нагряване:

Химични свойства на карбоксилните киселини

Химичните свойства на карбоксилните киселини се определят преди всичко от особеностите на тяхната структура. Така водоразтворимите киселини могат да се дисоциират на йони:

R-COOH↔R-COO - + H + .

Поради наличието на H + йон във водата, те имат кисел вкус, могат да променят цвета на индикаторите и да провеждат електрически ток. Във воден разтвор тези киселини са слаби електролити.

Карбоксилните киселини имат химични свойства, характерни за разтвори на неорганични киселини, т.е. взаимодействат с метали (1), техните оксиди (2), хидроксиди (3) и слаби соли (4):

2CH 3 -COOh + Zn → (CH 3 COO) 2 Zn + H 2 (1);

2CH3-COOH + CuO→ (CH3COO) 2Cu + H2O (2);

R-COOH + KOH → R-COOK + H 2 O (3);

2CH 3 -COOH + NaHCO 3 → CH 3 COONa + H 2 O + CO 2 (4).

Специфично свойство на наситени и ненаситени карбоксилни киселини, проявено от функционалната група, е взаимодействието с алкохоли.

Карбоксилните киселини реагират с алкохоли при нагряване и в присъствието на концентрирана сярна киселина. Например, ако към оцетната киселина се добавят етилов алкохол и малко сярна киселина, тогава при нагряване се появява миризмата на етил оцетна киселина (етилацетат):

CH 3 -COOH + C 2 H 5 OH ↔CH 3 -C(O)-O-C 2 H 5 + H 2 O.

Специфично свойство на наситените карбоксилни киселини, проявено от радикала, е реакцията на халогениране (хлориране).

Приложение на карбоксилни киселини

Карбоксилните киселини служат като суровина за производството на кетони, киселинни халиди, винилови естери и други важни класове органични съединения.

Мравчената киселина се използва широко за получаване на естери, използвани в парфюмерията, в кожарската промишленост (щавене на кожа), в текстилната промишленост (като оцветител за боядисване), като разтворител и консервант.

Воден разтвор (70-80%) на оцетна киселина се нарича оцетна есенция, а 3-9% воден разтвор се нарича трапезен оцет. Есенцията често се използва за получаване на оцет у дома чрез разреждане.

Примери за решаване на проблеми

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Карбоксилни киселини- органични вещества, чиито молекули съдържат една или повече карбоксилни групи.

Карбоксилната група (съкратено СООН) е функционална група от карбоксилни киселини и се състои от карбонилна група и свързана хидроксилна група.

В зависимост от броя на карбоксилните групи карбоксилните киселини се делят на едноосновни, двуосновни и др.

Общата формула на едноосновните карбоксилни киселини е R—COOH. Пример за двуосновна киселина е оксаловата киселина HOOC—COOH.

Въз основа на вида на радикала карбоксилните киселини се разделят на наситени (например оцетна киселина CH 3 COOH), ненаситени (например акрилова киселина CH 2 =CH—COOH, олеинова киселина CH 3 —(CH 2) 7 —CH =CH-(CH2)7-COOH] и ароматни (например бензоена C6H5-COOH).

Изомери и хомолози

Едноосновните наситени карбоксилни киселини R-COOH са изомери на естери (съкратено R"-COOR") с еднакъв брой въглеродни атоми. Общата формула и за двете е C н H 2 н O2.

Алгоритъм за съставяне на имената на карбоксилни киселини

1. Намерете въглеродния скелет - това е най-дългата верига от въглеродни атоми, включително въглеродния атом на карбоксилната група.
2. Номерирайте въглеродните атоми в главната верига, като започнете с карбоксилния въглероден атом.
3. Назовете съединението, като използвате алгоритъма за въглеводороди.
4. В края на името добавете наставката „-ов“, окончанието „-ая“ и думата „киселина“.

В молекули на карбоксилни киселини стр-електроните на кислородните атоми на хидроксилната група взаимодействат с електроните на -връзката на карбонилната група, в резултат на което полярността на O-H връзката се увеличава, -връзката в карбонилната група се засилва, частичният заряд (+) на въглеродния атом намалява и частичният заряд (+) на водородния атом се увеличава.

Последният насърчава образуването на силни водородни връзки между молекулите на карбоксилната киселина.

Физичните свойства на наситените едноосновни карбоксилни киселини до голяма степен се дължат на наличието на силни водородни връзки между молекулите (по-силни, отколкото между алкохолни молекули). Следователно точките на кипене и разтворимостта във вода на киселините са по-високи от тези на съответните алкохоли.

Химични свойства на киселините

Укрепването на -връзката в карбонилната група води до факта, че реакциите на добавяне са нехарактерни за карбоксилните киселини.

1. Изгаряне:
   

   CH 3 COOH + 2O 2 2CO 2 + 2H 2 O

2. Киселинни свойства.
   Поради високата полярност на O-H връзката, карбоксилните киселини във воден разтвор забележимо се дисоциират (по-точно, реагират обратимо с него):

   HCOOH HCOO - + H + (по-точно HCOOH + H 2 O HCOO - + H 3 O +)

   
   Всички карбоксилни киселини са слаби електролити. С увеличаването на броя на въглеродните атоми силата на киселините намалява (поради намаляване на полярността на връзката O-H); напротив, въвеждането на халогенни атоми във въглеводородния радикал води до увеличаване на силата на киселината. Да, подред

   HCOOH CH 3 COOH C 2 H 5 COOH

   
   силата на киселините намалява, а в сер

   Повишаване на.

   Карбоксилните киселини проявяват всички свойства, присъщи на слабите киселини:

   Mg + 2CH 3 COOH (CH 3 COO) 2 Mg + H 2
   CaO + 2CH 3 COOH (CH 3 COO) 2 Ca + H 2 O
   NaOH + CH 3 COOH CH 3 COONa + H 2 O
   K 2 CO 3 + 2CH 3 COOH 2CH 3 COOK + H 2 O + CO 2

3. Естерификация (реакция на карбоксилни киселини с алкохоли, водеща до образуването на естер):
   
   Многовалентните алкохоли, като глицерол, също могат да влязат в реакцията на естерификация. Естерите, образувани от глицерол и висши карбоксилни киселини (мастни киселини), са мазнини.

   Мазнините са смес от триглицериди. Наситените мастни киселини (палмитинова C 15 H 31 COOH, стеаринова C 17 H 35 COOH) образуват твърди мазнини от животински произход, а ненаситените мастни киселини (олеинова C 17 H 33 COOH, линолова C 17 H 31 COOH и др.) образуват течни мазнини (масла) от растителен произход.

4. Заместване във въглеводороден радикал:
   
   Заместването става в позиция -.

   Особеността на мравчената киселина HCOOH е, че това вещество е бифункционално съединение; то е както карбоксилна киселина, така и алдехид:
   
   Следователно мравчената киселина, наред с други неща, реагира с амонячен разтвор на сребърен оксид (реакция със сребърно огледало; качествена реакция):
   

   HCOOH + Ag 2 O (разтвор на амоняк) CO 2 + H 2 O + 2Ag

Получаване на карбоксилни киселини

.
О

//
Групата от -C атоми се нарича карбоксилна група или карбоксил.
\

ОХ
Органичните киселини, съдържащи една карбоксилна група в молекулата, са едноосновни. Общата формула на тези киселини е RCOOH.

Карбоксилните киселини, съдържащи две карбоксилни групи, се наричат ​​двуосновни. Те включват например оксалова и янтарна киселини.

Съществуват и многоосновни карбоксилни киселини, съдържащи повече от две карбоксилни групи. Те включват например триосновна лимонена киселина. В зависимост от естеството на въглеводородния радикал карбоксилните киселини се делят на наситени, ненаситени и ароматни.

Наситени или наситени карбоксилни киселини са например пропановата (пропионовата) киселина или вече познатата ни янтарна киселина.

Очевидно наситените карбоксилни киселини не съдържат П-връзки във въглеводороден радикал.

В молекулите на ненаситени карбоксилни киселини карбоксилната група е свързана с ненаситен, ненаситен въглеводороден радикал, например в молекули на акрил (пропенова) CH2=CH-COOH или олеинова CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2) 7-COOH и други киселини.

Както може да се види от формулата на бензоената киселина, тя е ароматна, тъй като съдържа ароматен (бензен) пръстен в молекулата.

Номенклатура и изомерия

Вече разгледахме общите принципи на формирането на имената на карбоксилните киселини, както и на други органични съединения. Нека се спрем по-подробно на номенклатурата на моно- и двуосновните карбоксилни киселини. Името на карбоксилна киселина се образува от името на съответния алкан (алкан със същия брой въглеродни атоми в молекулата) с добавяне на наставката -ов, окончанието -ая и думата киселина. Номерирането на въглеродните атоми започва с карбоксилната група. Например:

Много киселини също имат исторически установени или тривиални имена (Таблица 6).

След първото ни запознаване с разнообразния и интересен свят на органичните киселини, ще разгледаме по-подробно наситените едноосновни карбоксилни киселини.

Ясно е, че съставът на тези киселини ще бъде отразен от общата формула C n H 2n O2, или C n H 2n +1 COOH, или RCOOH.

Физични свойства на наситени едноосновни карбоксилни киселини

Нисшите киселини, т.е. киселините с относително малко молекулно тегло, съдържащи до четири въглеродни атома на молекула, са течности с характерна остра миризма (помнете миризмата на оцетна киселина). Киселините, съдържащи от 4 до 9 въглеродни атома, са вискозни маслени течности с неприятна миризма; съдържащи повече от 9 въглеродни атома на молекула - твърди вещества, които не се разтварят във вода. Точките на кипене на наситените едноосновни карбоксилни киселини се повишават с увеличаване на броя на въглеродните атоми в молекулата и, следователно, с увеличаване на относителното молекулно тегло. Например точката на кипене на мравчената киселина е 101 °C, на оцетната киселина е 118 °C, а на пропионовата киселина е 141 °C.

Най-простата карбоксилна киселина, мравчена HCOOH, с малко относително молекулно тегло (46), при нормални условия е течност с точка на кипене 100,8 °C. В същото време бутанът (MR(C4H10) = 58) при същите условия е газообразен и има точка на кипене от -0,5 °C. Това несъответствие между точките на кипене и относителните молекулни тегла се обяснява с образуването на димери на карбоксилна киселина, в които две молекули на киселина са свързани с две водородни връзки. Появата на водородни връзки става ясна при разглеждане на структурата на молекулите на карбоксилната киселина.

Молекулите на наситените моноосновни карбоксилни киселини съдържат полярна група от атоми - карбоксил (помислете какво причинява полярността на тази функционална група) и практически неполярен въглеводороден радикал. Карбоксилната група се привлича от водните молекули, образувайки водородни връзки с тях.

Мравчената и оцетната киселина са неограничено разтворими във вода. Очевидно е, че с увеличаване на броя на атомите във въглеводороден радикал, разтворимостта на карбоксилните киселини намалява.

Познавайки състава и структурата на молекулите на карбоксилната киселина, няма да ни е трудно да разберем и обясним химичните свойства на тези вещества.

Химични свойства

Общите свойства, характерни за класа киселини (както органични, така и неорганични), се дължат на присъствието в молекулите на хидроксилна група, съдържаща силно полярна връзка между водородни и кислородни атоми. Тези свойства са ви добре познати. Нека ги разгледаме отново на примера на водоразтворимите органични киселини.

1. Дисоциация с образуването на водородни катиони и аниони на киселинния остатък. По-точно този процес се описва с уравнение, което отчита участието на водните молекули в него.

Равновесието на дисоциация на карбоксилните киселини е изместено наляво; по-голямата част от тях са слаби електролити. Независимо от това, киселият вкус на, например, мравчена и оцетна киселина се обяснява с дисоциацията на водородни катиони и аниони на киселинни остатъци.

Очевидно е, че наличието на "киселинен" водород в молекулите на карбоксилните киселини, т.е. водородът на карбоксилната група, определя и други характерни свойства.

2. Взаимодействие с метали в електрохимичния диапазон на напрежение до водород. Така желязото редуцира водорода от оцетна киселина:

2CH3-COOH + Fe -> (CHgCOO)2Fe + H2

3. Взаимодействие с основни оксиди за образуване на сол и вода:

2R-COOH + CaO -> (R-COO)2Ca + H20

4. Реакция с метални хидроксиди за образуване на сол и вода (реакция на неутрализация):

R-COOH + NaOH -> R-COONa + H20 3R-COOH + Ca(OH)2 -> (R-COO)2Ca + 2H20

5. Взаимодействие със соли на по-слаби киселини, с образуването на последните. Така оцетната киселина измества стеариновата киселина от натриевия стеарат и въглеродната киселина от калиевия карбонат.

6. Взаимодействието на карбоксилни киселини с алкохоли за образуване на естери е вече известната ви реакция на естерификация (една от най-важните реакции, характерни за карбоксилните киселини). Взаимодействието на карбоксилни киселини с алкохоли се катализира от водородни катиони.

Реакцията на естерификация е обратима. Равновесието се измества към образуването на естер в присъствието на обезводняващи агенти и отстраняването на естера от реакционната смес.

При обратната реакция на естерификация, наречена естерна хидролиза (реакция на естер с вода), се образуват киселина и алкохол. Очевидно е, че поливалентните алкохоли, например глицеролът, също могат да реагират с карбоксилни киселини, т.е. да влязат в реакция на естерификация:

Всички карбоксилни киселини (с изключение на мравчената киселина), заедно с карбоксилната група, съдържат въглеводороден остатък в своите молекули. Разбира се, това не може да не повлияе на свойствата на киселините, които се определят от естеството на въглеводородния остатък.

7. Реакции на присъединяване при кратна връзка - в тях влизат ненаситени карбоксилни киселини; например реакцията на добавяне на водород е хидрогениране. Когато олеиновата киселина се хидрогенира, се образува наситена стеаринова киселина.

Ненаситените карбоксилни киселини, подобно на други ненаситени съединения, добавят халогени чрез двойна връзка. Например акриловата киселина обезцветява бромната вода.

8. Реакции на заместване (с халогени) - в него могат да влязат наситени карбоксилни киселини; например чрез взаимодействие на оцетна киселина с хлор могат да се получат различни хлорирани киселини:

При халогениране на карбоксилни киселини, съдържащи повече от един въглероден атом във въглеводородния остатък, е възможно образуването на продукти с различни позиции на халогена в молекулата. Когато протича реакция чрез механизъм на свободните радикали, всички водородни атоми във въглеводородния остатък могат да бъдат заменени. Ако реакцията се извършва в присъствието на малки количества червен фосфор, тогава тя протича селективно - водородът се замества само в А-позиция (при въглеродния атом, който е най-близо до функционалната група) в киселинната молекула. Причините за тази избирателност ще научите, когато изучавате химия във висше учебно заведение.

Карбоксилните киселини образуват различни функционални производни при заместване на хидроксилната група. Когато тези производни се хидролизират, отново се образува карбоксилна киселина.

Хлоридът на карбоксилната киселина може да се получи чрез взаимодействие на фосфорен (III) хлорид или тионил хлорид (SOCl 2) с киселина. Анхидридите на карбоксилната киселина се получават чрез взаимодействие на хлорни анхидриди със соли на карбоксилна киселина. Естерите се образуват при естерификация на карбоксилни киселини с алкохоли. Естерификацията се катализира от неорганични киселини.

Тази реакция се инициира от протониране на карбоксилната група - взаимодействието на водороден катион (протон) с несподелената електронна двойка на кислородния атом. Протонирането на карбоксилна група води до увеличаване на положителния заряд на въглеродния атом в нея:

Методи за получаване

Карбоксилните киселини могат да бъдат получени чрез окисляване на първични алкохоли и алдехиди.

Ароматните карбоксилни киселини се образуват при окисление на бензенови хомолози.

Хидролизата на различни производни на карбоксилни киселини също произвежда киселини. По този начин хидролизата на естер произвежда алкохол и карбоксилна киселина. Както бе споменато по-горе, киселинно катализираните реакции на естерификация и хидролиза са обратими. Хидролизата на естера под въздействието на воден разтвор на алкали протича необратимо; в този случай от естера се образува не киселина, а нейната сол. При хидролизата на нитрилите първо се образуват амиди, които след това се превръщат в киселини. Карбоксилните киселини се образуват при взаимодействието на органични магнезиеви съединения с въглероден оксид (IV).

Отделни представители на карбоксилните киселини и тяхното значение

Мравчената (метанова) киселина HCOOH е течност с остра миризма и точка на кипене 100,8 °C, силно разтворима във вода. Мравчената киселина е отровна и причинява изгаряния при контакт с кожата! Жилната течност, отделяна от мравките, съдържа тази киселина. Мравчената киселина има дезинфекционни свойства и затова намира приложение в хранително-вкусовата, кожарската и фармацевтичната промишленост, както и в медицината. Използва се и при боядисване на тъкани и хартия.

Оцетната (етанова) киселина CH3COOH е безцветна течност с характерен остър мирис, смесима с вода във всяко съотношение. Водните разтвори на оцетна киселина се продават под наименованието оцет (3-5% разтвор) и оцетна есенция (70-80% разтвор) и се използват широко в хранително-вкусовата промишленост. Оцетната киселина е добър разтворител за много органични вещества и затова се използва в боядисването, дъбене и в производството на бои и лакове. Освен това оцетната киселина е суровина за производството на много технически важни органични съединения: от нея например се получават вещества, използвани за борба с плевелите - хербициди.

Оцетната киселина е основният компонент на винения оцет, чиято характерна миризма се дължи на нея. Той е продукт на окислението на етанола и се образува от него, когато виното се съхранява на въздух.

Най-важните представители на висшите наситени едноосновни киселини са палмитинова C15H31COOH и стеаринова C17H35COOH киселини. За разлика от нисшите киселини, тези вещества са твърди и слабо разтворими във вода.

Техните соли обаче - стеарати и палмити - са силно разтворими и имат детергентно действие, поради което се наричат ​​още сапуни. Ясно е, че тези вещества се произвеждат в голям мащаб.

От ненаситените висши карбоксилни киселини най-голямо значение има олеиновата киселина C17H33COOH или (CH2)7COOH. Това е маслоподобна течност без вкус и мирис. Солите му намират широко приложение в техниката.

Най-простият представител на двуосновните карбоксилни киселини е оксаловата (етандиова) киселина HOOC-COOH, чиито соли се намират в много растения, например киселец и киселец. Оксаловата киселина е безцветно кристално вещество, което е силно разтворимо във вода. Използва се за полиране на метали, в дървообработващата и кожарската промишленост.

1. Ненаситената елаидова киселина C17H33COOH е транс-изомер на олеиновата киселина. Напишете структурната формула на това вещество.

2. Напишете уравнение за реакцията на хидрогениране на олеинова киселина. Назовете продукта на тази реакция.

3. Напишете уравнение за реакцията на горене на стеаринова киселина. Какъв обем кислород и въздух (n.a.) ще са необходими за изгаряне на 568 g стеаринова киселина?

4. Смес от твърди мастни киселини - палмитинова и стеаринова - се нарича стеарин (именно от него се правят стеариновите супозитории). Какъв обем въздух (n.a.) ще е необходим за изгаряне на стеаринова свещ от двеста грама, ако стеаринът съдържа равни маси палмитинова и стеаринова киселина? Какъв обем въглероден диоксид (n.o.) и маса вода се образуват в този случай?

5. Решете предишната задача, при условие че свещта съдържа равни количества (еднакъв брой молове) стеаринова и палмитинова киселина.

6. За да премахнете петна от ръжда, третирайте ги с разтвор на оцетна киселина. Съставете молекулни и йонни уравнения за протичащите в този случай реакции, като вземете предвид, че ръждата съдържа железен (III) оксид и хидроксид - Fe2O3 и Fe(OH)3. Защо такива петна не се премахват с вода? Защо изчезват при третиране с киселинен разтвор?

7. Содата за хляб NaHC03, добавена към тестото без мая, първо се „гаси“ с оцетна киселина. Направете тази реакция у дома и напишете нейното уравнение, като знаете, че въглеродната киселина е по-слаба от оцетната киселина. Обяснете образуването на пяна.

8. Знаейки, че хлорът е по-електроотрицателен от въглерода, подредете следните киселини: оцетна, пропионова, хлороцетна, дихлороцетна и трихлороцетна киселина в реда на увеличаване на киселинните свойства. Обосновете резултата си.

9. Как можем да обясним, че мравчената киселина реагира в реакция на "сребърно огледало"? Напишете уравнение за тази реакция. Какъв газ може да се отдели в този случай?

10. Когато 3 g наситена едноосновна карбоксилна киселина реагират с излишък от магнезий, се отделят 560 ml (n.s.) водород. Определете формулата на киселината.

11. Дайте реакционни уравнения, които могат да се използват за описание на химичните свойства на оцетната киселина. Назовете продуктите от тези реакции.

12. Предложете прост лабораторен метод, чрез който можете да разпознаете пропановата и акриловата киселина.

13. Напишете уравнение за реакцията на получаване на метилформиат - естер на метанол и мравчена киселина. При какви условия трябва да се проведе тази реакция?

14. Съставете структурни формули на вещества със състав C3H602. В какви класове вещества могат да бъдат класифицирани? Дайте уравненията на реакцията, характерни за всяка от тях.

15. Веществото А - изомер на оцетната киселина - е неразтворимо във вода, но може да претърпи хидролиза. Каква е структурната формула на вещество А? Назовете продуктите от неговата хидролиза.

16. Съставете структурните формули на следните вещества:

а) метил ацетат;
б) оксалова киселина;
в) мравчена киселина;
г) дихлороцетна киселина;
д) магнезиев ацетат;
f) етилацетат;
ж) етилформиат;
з) акрилова киселина.

17*. Проба от наситена едноосновна органична киселина с тегло 3,7 g се неутрализира с воден разтвор на натриев бикарбонат. При преминаване на освободения газ през варовита вода се получава 5,0 g утайка. Каква киселина е взета и какъв е обемът на отделения газ?

Карбоксилни киселини в природата

Карбоксилните киселини са много разпространени в природата. Те се намират в плодовете и растенията. Те присъстват в иглите, потта, урината и сока от коприва. Знаете ли, оказва се, че по-голямата част от киселините образуват естери, които имат миризми. По този начин миризмата на млечна киселина, която се съдържа в човешката пот, привлича комарите, те я усещат на доста голямо разстояние. Затова, колкото и да се опитвате да прогоните досадния комар, той все пак усеща добре жертвата си. Освен в човешката пот, млечна киселина има в киселите краставички и киселото зеле.

А женските маймуни, за да привлекат мъжки, отделят оцетна и пропионова киселина. Чувствителният нос на кучето може да надуши маслена киселина, чиято концентрация е 10–18 g/cm3.

Много растителни видове са способни да произвеждат оцетна и маслена киселина. И някои плевели се възползват от това и, като отделят вещества, елиминират своите конкуренти, потискат растежа им и понякога причиняват смъртта им.

Индианците също са използвали киселина. За да унищожат врага, те напоили стрелите със смъртоносна отрова, която се оказала производна на оцетната киселина.

И тук възниква естествен въпрос: представляват ли киселините опасност за човешкото здраве? В края на краищата, оксаловата киселина, която е широко разпространена в природата и се намира в киселец, портокали, касис и малини, по някаква причина не е намерила приложение в хранително-вкусовата промишленост. Оказва се, че оксаловата киселина е двеста пъти по-силна от оцетната и дори може да корозира съдовете, а нейните соли, натрупвайки се в човешкото тяло, образуват камъни.

Киселините са намерили широко приложение във всички сфери на човешкия живот. Използват се в медицината, козметологията, хранително-вкусовата промишленост, селското стопанство и за битови нужди.

За медицински цели се използват органични киселини като млечна, винена и аскорбинова. Вероятно всеки от вас е използвал витамин С за укрепване на тялото - това е точно аскорбиновата киселина. Той не само помага за укрепване на имунната система, но също така има способността да премахва канцерогените и токсините от тялото. Млечната киселина се използва за каутеризация, тъй като е силно хигроскопична. Но винената киселина действа като леко слабително, като антидот при алкално отравяне и като компонент, необходим за приготвяне на плазма за кръвопреливане.

Но любителите на козметичните процедури трябва да знаят, че плодовите киселини, съдържащи се в цитрусовите плодове, имат благоприятен ефект върху кожата, тъй като, прониквайки дълбоко, те могат да ускорят процеса на обновяване на кожата. В допълнение, миризмата на цитрусови плодове има тонизиращ ефект върху нервната система.

Забелязали ли сте, че горски плодове като боровинки и червени боровинки се съхраняват дълго време и остават свежи. Знаеш ли защо? Оказва се, че съдържат бензоена киселина, която е отличен консервант.

Но в селското стопанство янтарната киселина намери широко приложение, тъй като може да се използва за увеличаване на производителността на култивирани растения. Освен това може да стимулира растежа на растенията и да ускори тяхното развитие.

В табл 19.10 показва някои органични съединения, свързани с карбоксилните киселини. Характерна особеност на карбоксилните киселини е наличието на карбоксилна киселина в тях.

Таблица 19.10. Карбоксилни киселини

(виж сканиране)

функционална група. Карбоксилната група се състои от карбонилна група, свързана с хидроксилна група. Органичните киселини с една карбоксилна група се наричат ​​монокарбоксилни киселини. Систематичните им наименования имат наставката -ов(ая). Органичните киселини с две карбоксилни групи се наричат ​​дикарбоксилни киселини. Систематичните им имена имат наставката -диов(ая).

Наситените алифатни монокарбоксилни киселини образуват хомоложна серия, която се характеризира с общата формула. Ненаситените алифатни дикарбоксилни киселини могат да съществуват под формата на различни геометрични изомери (вижте раздел 17.2).

Физични свойства

По-ниските членове на хомоложната серия от наситени монокарбоксилни киселини при нормални условия са течности с характерна остра миризма. Например, етанова (оцетна) киселина има характерна миризма на "оцет". Безводната оцетна киселина е течност при стайна температура. Той замръзва в ледено вещество, наречено ледена оцетна киселина.

Всички дикарбоксилни киселини, изброени в табл. 19.10, при стайна температура те са бели кристални вещества. Нисшите членове на редицата монокарбоксилни и дикарбоксилни киселини са разтворими във вода. Разтворимостта на карбоксилните киселини намалява с увеличаване на относителната им молекулна маса.

В течно състояние и в неводни разтвори молекулите на монокарбоксилните киселини се димеризират в резултат на образуването на водородни връзки между тях:

Водородната връзка в карбоксилните киселини е по-силна, отколкото в алкохолите. Това се обяснява с високата полярност на карбоксилната група, поради изтеглянето на електрони от водородния атом към карбонилния кислороден атом:

В резултат на това карбоксилните киселини имат относително високи точки на кипене (Таблица 19.11).

Таблица 19.11. Точки на кипене на оцетна киселина и алкохоли с подобни относителни молекулни тегла

Лабораторни методи за получаване

Монокарбоксилните киселини могат да бъдат получени от първични алкохоли и алдехиди чрез окисляване с помощта на подкиселен разтвор на калиев дихромат, взет в излишък:

Монокарбоксилните киселини и техните соли могат да бъдат получени чрез хидролиза на нитрили или амиди:

Получаването на карбоксилни киселини чрез реакция с реактиви на Гринярд и въглероден диоксид е описано в раздел. 19.1.

Бензоената киселина може да се получи чрез окисление на метиловата странична верига на метилбензен (вижте раздел 18.2).

Освен това бензоената киселина може да се получи от бензалдехид с помощта на реакцията на Cannischaro. При тази реакция бензалдехидът се третира с 40-60% разтвор на натриев хидроксид при стайна температура. Едновременното окисление и редукция води до образуването на бензоена киселина и съответно фенилметанол:

Окисляване

Реакцията на Cannizzaro е характерна за алдехидите, които нямат -водородни атоми. Това е името, дадено на водородните атоми, свързани с въглероден атом, съседен на алдехидната група:

Тъй като метаналът няма -водородни атоми, той може да претърпи реакцията на Канизаро. Алдехидите, съдържащи поне един -водороден атом, претърпяват киселинно катализирана алдолна кондензация в присъствието на разтвор на натриев хидроксид (виж по-горе).

Химични свойства

Въпреки че карбоксилната група съдържа карбонилна група, карбоксилните киселини не претърпяват някои от реакциите, които протичат с алдехиди и кетони. Например, те не претърпяват реакции на добавяне или кондензация. Това се обяснява с факта, че атомът

въглеродът в карбоксилната група има по-малко положителен заряд, отколкото в алдехидната или кето групата.

Киселинност. Издърпването на електронната плътност от карбоксилния водороден атом отслабва връзката O-H. В резултат на това карбоксилната група е в състояние да абстрахира (загуби) протон. Следователно монокарбоксилните киселини се държат като едноосновни киселини. Във водните разтвори на тези киселини се установява следното равновесие:

Карбоксилатният йон може да се счита за хибрид на две резонансни структури:

В противен случай може да се мисли като

Делокализацията на електрона между атомите на карбоксилатната група стабилизира карбоксилатния йон. Следователно карбоксилните киселини са много по-киселинни от алкохолите. Въпреки това, поради ковалентната природа на молекулите на карбоксилната киселина, горното равновесие е силно изместено наляво. Следователно карбоксилните киселини са слаби киселини. Например, етанова (оцетна) киселина се характеризира с константа на киселинност

Заместителите, присъстващи в молекулата на карбоксилната киселина, значително влияят на нейната киселинност поради индуктивния ефект, който осигуряват. Заместители като хлора привличат електронната плътност към себе си и следователно причиняват отрицателен индуктивен ефект.Издърпването на електронната плътност от карбоксилния водороден атом води до повишаване на киселинността на карбоксилната киселина. За разлика от тях, заместителите като алкиловите групи имат електронодонорни свойства и създават положителен индуктивен ефект.Те отслабват карбоксилната киселина:

Ефектът на заместителите върху киселинността на карбоксилните киселини се проявява ясно в стойностите за редица киселини, посочени в табл. 19.12.

Таблица 19.12. Стойности на карбоксилната киселина

Образуване на соли. Карбоксилните киселини имат всички свойства на обикновените киселини. Те реагират с реактивни метали, основи, основи, карбонати и бикарбонати, образувайки съответните соли (Таблица 19.13). Реакциите, показани в тази таблица, са характерни както за разтворими, така и за неразтворими карбоксилни киселини.

Подобно на други соли на слаби киселини, карбоксилатните соли (соли на карбоксилни киселини) реагират с минерални киселини, взети в излишък, образувайки изходните карбоксилни киселини. Например, когато разтвор на натриев хидроксид се добави към суспензия на неразтворима бензоена киселина във вода, киселината се разтваря поради образуването на натриев бензоат. Ако след това се добави сярна киселина към получения разтвор, бензоената киселина се утаява:

Таблица 19.13. Образуване на соли от карбоксилни киселини

Естерификация. Когато смес от карбоксилна киселина и алкохол се нагрява в присъствието на концентрирана минерална киселина, се образува естер. Този процес, наречен естерификация, изисква разграждането на алкохолните молекули. Има две възможности.

1. Разцепване на алкоксиводород. В този случай алкохолният кислороден атом (от хидроксилната група) влиза в молекулата на получения етер:

2. Алкилхидроксилно разцепване. При този тип разцепване алкохолният кислороден атом влиза във водна молекула:

Кой от тези случаи се реализира конкретно може да се определи експериментално чрез извършване на естерификация с помощта на алкохол, съдържащ изотоп 180 (виж раздел 1.3), т.е. с помощта на изотопен етикет. Определянето на относителното молекулно тегло на получения естер с помощта на масспектрометрия показва дали в него присъства изотопният маркер кислород-18. По този начин беше открито, че естерификацията с участието на първични алкохоли води до образуването на белязани естери:

Това показва, че молекулата на метанола претърпява метокси-водородно разделяне по време на разглежданата реакция.

Халогениране. Карбоксилните киселини реагират с фосфорен пентахлорид и серен оксид дихлорид, образувайки киселинни хлориди на съответните киселини. Например

Както бензоил хлоридът, така и фосфорният трихлорид оксид са течности, които трябва да бъдат отделени един от друг. Следователно, за хлориране на карбоксилни киселини е по-удобно да се използва дихлорид на серен оксид: това прави възможно лесното отстраняване на газообразния хлороводород и серен диоксид от течния хлорид на карбоксилната киселина:

Чрез продухване на хлор през кипяща оцетна киселина в присъствието на катализатори като червен фосфор или йод и под въздействието на слънчева светлина

образува се монохлороетанова (монохлороцетна) киселина:

По-нататъшното хлориране води до образуването на двузаместени и тризаместени продукти:

Възстановяване. При взаимодействие с литий в сух диетилов етер карбоксилните киселини могат да се редуцират до съответните алкохоли. Първо се образува алкоксидно междинно съединение, чиято хидролиза води до образуването на алкохол:

Карбоксилните киселини не се редуцират от много обичайни редуциращи агенти. Тези киселини не могат веднага да се редуцират до съответните алдехиди.

Окисляване. С изключение на метанова (мравчена) и етанова (оцетна) киселини, другите карбоксилни киселини трудно се окисляват. Мравчената киселина и нейните соли (формати) се окисляват с калиев перманганат. Мравчената киселина е в състояние да редуцира реагента на Фелинг и при нагряване в смес с водно-амонячен разтвор на сребърен нитрат образува "сребърно огледало". Окислението на мравчена киселина произвежда въглероден диоксид и вода:

Етандиовата (оксаловата) киселина също се окислява от калиев перманганат, образувайки въглероден диоксид и вода:

Дехидратация. Дестилацията на карбоксилна киселина с някакъв вид дехидратиращ агент, например оксид, води до разделянето на водна молекула от две киселинни молекули и образуването на анхидрид на карбоксилна киселина:

Мравчената и оксаловата киселина са изключение в този случай. Дехидратирането на мравчена киселина или нейната калиева или натриева сол с концентрирана сярна киселина води до образуването на въглероден окис и

Дехидратирането на натриев метаноат (формат) с концентрирана сярна киселина е обичаен лабораторен метод за производство на въглероден окис. При дехидратиране на оксалова киселина с гореща концентрирана сярна киселина се получава смес от въглероден оксид и въглероден диоксид:

Карбоксилати

Натриевите и калиеви соли на карбоксилните киселини са бели кристални вещества. Лесно се разтварят във вода, образувайки силни електролити.

Електролизата на натриеви или калиеви карбоксилатни соли, разтворени в смес вода-метанол, води до образуването на алкани и въглероден диоксид на анода и водород на катода.

На анода:

На катода:

Този метод за производство на алкани се нарича електрохимичен синтез на Колбе.

Образуването на алкани се получава и при нагряване на смес от натриеви или калиеви карбоксилати с натриев хидроксид или натриева вар. (Содовата вар е смес от натриев хидроксид и калциев хидроксид.) Този метод се използва например за производство на метан в лабораторията:

Ароматните натриеви или калиеви карбоксилати при подобни условия образуват арени:

При нагряване на смес от натриеви карбоксилати и киселинни хлориди се образуват анхидриди на съответните карбоксилни киселини:

Калциевите карбоксилати също са бели кристални вещества и обикновено са разтворими във вода. При нагряване се образуват

ция с нисък добив на съответните кетони:

При нагряване на смес от калциеви карбоксилати и калциев формиат се образува алдехид:

Амониевите соли на карбоксилните киселини също са бели кристални вещества, разтворими във вода. При силно нагряване те образуват съответните амиди: