Proprietà chimiche degli acidi carbossilici e metodi di preparazione. Preparazione all'Esame di Stato Unificato di Chimica

DEFINIZIONE

Vengono chiamate sostanze organiche le cui molecole contengono uno o più gruppi carbossilici legati ad un radicale idrocarburico acidi carbossilici.

I primi tre membri della serie omologa degli acidi carbossilici, compreso l'acido propionico, sono liquidi che hanno un odore pungente e sono altamente solubili in acqua. Anche i seguenti omologhi, a cominciare dall'acido butirrico, sono liquidi che hanno un forte odore sgradevole, ma sono scarsamente solubili in acqua. Gli acidi superiori, con un numero di atomi di carbonio pari o superiore a 10, sono solidi, inodori, insolubili in acqua. In generale, in una serie di omologhi, all'aumentare del peso molecolare, la solubilità in acqua diminuisce, la densità diminuisce e il punto di ebollizione aumenta (Tabella 1).

Tabella 1. Serie omologhe di acidi carbossilici.

Preparazione degli acidi carbossilici

Gli acidi carbossilici si ottengono dall'ossidazione di idrocarburi saturi, alcoli e aldeidi. Ad esempio, l'acido acetico - ossidando l'etanolo con una soluzione di permanganato di potassio in un ambiente acido quando riscaldato:

Proprietà chimiche degli acidi carbossilici

Le proprietà chimiche degli acidi carbossilici sono determinate principalmente dalle peculiarità della loro struttura. Pertanto, gli acidi idrosolubili possono dissociarsi in ioni:

R-COOH↔R-COO - + H + .

A causa della presenza di ioni H + nell'acqua, hanno un sapore aspro, sono in grado di cambiare il colore degli indicatori e condurre corrente elettrica. In soluzione acquosa, questi acidi sono elettroliti deboli.

Gli acidi carbossilici hanno proprietà chimiche caratteristiche delle soluzioni di acidi inorganici, vale a dire interagiscono con i metalli (1), i loro ossidi (2), idrossidi (3) e sali deboli (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 + H2O (3);

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

Una proprietà specifica degli acidi carbossilici saturi e insaturi, manifestata dal gruppo funzionale, è l'interazione con gli alcoli.

Gli acidi carbossilici reagiscono con gli alcoli quando riscaldati e in presenza di acido solforico concentrato. Ad esempio, se all'acido acetico vengono aggiunti alcol etilico e un po 'di acido solforico, quando riscaldato appare l'odore dell'acido etilacetico (acetato di etile):

CH3 -COOH + C2H5 OH ↔CH3 -C(O)-O-C2H5 + H2O.

Una proprietà specifica degli acidi carbossilici saturi, manifestata dal radicale, è la reazione di alogenazione (clorurazione).

Applicazione degli acidi carbossilici

Gli acidi carbossilici servono come materia prima per la produzione di chetoni, alogenuri acidi, esteri vinilici e altre importanti classi di composti organici.

L'acido formico trova largo impiego per ottenere esteri utilizzati in profumeria, nell'industria del cuoio (concia delle pelli), nell'industria tessile (come mordente per la tintura), come solvente e conservante.

Una soluzione acquosa (70-80%) di acido acetico è chiamata essenza di aceto e una soluzione acquosa al 3-9% è chiamata aceto da tavola. L'essenza viene spesso utilizzata per ottenere l'aceto in casa mediante diluizione.

Esempi di risoluzione dei problemi

ESEMPIO 1

ESEMPIO 2

Acidi carbossilici- sostanze organiche le cui molecole contengono uno o più gruppi carbossilici.

Il gruppo carbossilico (abbreviato come COOH) è un gruppo funzionale degli acidi carbossilici ed è costituito da un gruppo carbonilico e un gruppo ossidrile associato.

In base al numero di gruppi carbossilici, gli acidi carbossilici si dividono in monobasici, dibasici, ecc.

La formula generale degli acidi carbossilici monobasici è R—COOH. Un esempio di acido dibasico è l'acido ossalico HOOC—COOH.

In base al tipo di radicale, gli acidi carbossilici sono suddivisi in saturi (ad esempio acido acetico CH 3 COOH), insaturi [ad esempio acido acrilico CH 2 =CH—COOH, acido oleico CH 3 —(CH 2) 7 —CH =CH—(CH 2) 7 -COOH] e aromatico (ad esempio, benzoico C 6 H 5 -COOH).

Isomeri e omologhi

Gli acidi carbossilici saturi monobasici R-COOH sono isomeri di esteri (abbreviati R"-COOR") con lo stesso numero di atomi di carbonio. La formula generale per entrambi è C N H2 N O2.

Algoritmo per comporre i nomi degli acidi carbossilici

1. Trova la spina dorsale del carbonio: questa è la catena più lunga di atomi di carbonio, compreso l'atomo di carbonio del gruppo carbossilico.
2. Numerare gli atomi di carbonio nella catena principale, iniziando dall'atomo di carbonio carbossilico.
3. Assegna un nome al composto utilizzando l'algoritmo per gli idrocarburi.
4. Alla fine del nome aggiungere il suffisso “-ov”, la desinenza “-aya” e la parola “acid”.

Nelle molecole degli acidi carbossilici P-gli elettroni degli atomi di ossigeno del gruppo ossidrile interagiscono con gli elettroni del legame -del gruppo carbonilico, a seguito dei quali aumenta la polarità del legame O-H, il legame -nel gruppo carbonilico si rafforza, la carica parziale (+) sull'atomo di carbonio diminuisce e la carica parziale (+) sull'atomo di idrogeno aumenta.

Quest'ultimo promuove la formazione di forti legami idrogeno tra le molecole di acido carbossilico.

Le proprietà fisiche degli acidi carbossilici monobasici saturi sono in gran parte dovute alla presenza di forti legami idrogeno tra le molecole (più forti che tra le molecole di alcol). Pertanto i punti di ebollizione e la solubilità in acqua degli acidi sono superiori a quelli dei corrispondenti alcoli.

Proprietà chimiche degli acidi

Il rafforzamento del legame -nel gruppo carbonilico porta al fatto che le reazioni di addizione sono insolite per gli acidi carbossilici.

1. Combustione:
   

   CH3COOH + 2O22CO2 + 2H2O

2. Proprietà acide.
   A causa dell'elevata polarità del legame OH, gli acidi carbossilici in una soluzione acquosa si dissociano notevolmente (più precisamente, reagiscono in modo reversibile con esso):

   HCOOH HCOO - + H + (più precisamente HCOOH + H 2 O HCOO - + H 3 O +)

   
   Tutti gli acidi carbossilici sono elettroliti deboli. All'aumentare del numero di atomi di carbonio, la forza degli acidi diminuisce (a causa di una diminuzione della polarità del legame OH); al contrario, l'introduzione di atomi di alogeno nel radicale idrocarburico porta ad un aumento della forza dell'acido. Sì, di fila

   HCOOH CH3COOH C2H5COOH

   
   la forza degli acidi diminuisce e in serie

   Crescente.

   Gli acidi carbossilici presentano tutte le proprietà inerenti agli acidi deboli:

   Mg + 2CH 3 COOH (CH 3 COO) 2 Mg + H 2
   CaO + 2CH 3 COOH (CH 3 COO) 2 Ca + H 2 O
   NaOH + CH3COOH CH3COONa + H2O
   K2CO3+2CH3COOH2CH3CUOCO+H2O+CO2

3. Esterificazione (reazione degli acidi carbossilici con alcoli che porta alla formazione di un estere):
   
   Anche gli alcoli polivalenti, come il glicerolo, possono entrare nella reazione di esterificazione. Gli esteri formati dal glicerolo e dagli acidi carbossilici superiori (acidi grassi) sono grassi.

   I grassi sono miscele di trigliceridi. Gli acidi grassi saturi (palmitico C 15 H 31 COOH, stearico C 17 H 35 COOH) formano grassi solidi di origine animale e gli acidi grassi insaturi (oleico C 17 H 33 COOH, linoleico C 17 H 31 COOH, ecc.) formano grassi liquidi (oli) di origine vegetale.

4. Sostituzione in un radicale idrocarburico:
   
   La sostituzione avviene nella posizione -.

   La particolarità dell'acido formico HCOOH è che questa sostanza è un composto bifunzionale; è sia un acido carbossilico che un'aldeide:
   
   Pertanto, l'acido formico, tra le altre cose, reagisce con una soluzione di ammoniaca di ossido d'argento (reazione specchio d'argento; reazione qualitativa):
   

   HCOOH + Ag 2 O (soluzione di ammoniaca) CO 2 + H 2 O + 2Ag

Preparazione degli acidi carbossilici

.
O

//
Il gruppo di atomi -C è chiamato gruppo carbossilico o carbossile.
\

OH
Gli acidi organici contenenti un gruppo carbossilico nella molecola sono monobasici. La formula generale di questi acidi è RCOOH.

Gli acidi carbossilici contenenti due gruppi carbossilici sono detti dibasici. Questi includono, ad esempio, gli acidi ossalico e succinico.

Esistono anche acidi carbossilici polibasici contenenti più di due gruppi carbossilici. Questi includono, ad esempio, l'acido citrico tribasico. A seconda della natura del radicale idrocarburico, gli acidi carbossilici si dividono in saturi, insaturi e aromatici.

Gli acidi carbossilici saturi o saturi sono, ad esempio, l'acido propanoico (propionico) o il già noto acido succinico.

Ovviamente gli acidi carbossilici saturi non contengono P-legami in un radicale idrocarburico.

Nelle molecole di acidi carbossilici insaturi, il gruppo carbossilico è associato a un radicale idrocarburico insaturo, insaturo, ad esempio nelle molecole di acido acrilico (propenoico) CH2=CH-COOH o oleico CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2) 7-COOH e altri acidi.

Come si può vedere dalla formula dell'acido benzoico, è aromatico, poiché contiene un anello aromatico (benzenico) nella molecola.

Nomenclatura e isomeria

Abbiamo già considerato i principi generali della formazione dei nomi degli acidi carbossilici, così come di altri composti organici. Soffermiamoci più in dettaglio sulla nomenclatura degli acidi carbossilici mono- e dibasici. Il nome di un acido carbossilico è formato dal nome dell'alcano corrispondente (alcano con lo stesso numero di atomi di carbonio nella molecola) con l'aggiunta del suffisso -ov, della desinenza -aya e della parola acido. La numerazione degli atomi di carbonio inizia dal gruppo carbossilico. Per esempio:

Molti acidi hanno anche nomi storicamente stabiliti o banali (Tabella 6).

Dopo la nostra prima conoscenza con il vario e interessante mondo degli acidi organici, considereremo più in dettaglio gli acidi carbossilici monobasici saturi.

È chiaro che la composizione di questi acidi sarà riflessa dalla formula generale C n H 2n O2, o C n H 2n +1 COOH, o RCOOH.

Proprietà fisiche degli acidi carbossilici monobasici saturi

Gli acidi inferiori, cioè gli acidi con un peso molecolare relativamente piccolo contenenti fino a quattro atomi di carbonio per molecola, sono liquidi dal caratteristico odore pungente (ricordate l'odore dell'acido acetico). Gli acidi contenenti da 4 a 9 atomi di carbonio sono liquidi oleosi viscosi dall'odore sgradevole; contenente più di 9 atomi di carbonio per molecola - solidi che non si dissolvono in acqua. I punti di ebollizione degli acidi carbossilici monobasici saturi aumentano all'aumentare del numero di atomi di carbonio nella molecola e, di conseguenza, all'aumentare del peso molecolare relativo. Ad esempio, il punto di ebollizione dell'acido formico è 101 °C, dell'acido acetico è 118 °C e dell'acido propionico è 141 °C.

L'acido carbossilico più semplice, HCOOH formico, avente un peso molecolare relativo piccolo (46), in condizioni normali è un liquido con un punto di ebollizione di 100,8 °C. Allo stesso tempo, il butano (MR(C4H10) = 58) nelle stesse condizioni è gassoso e ha un punto di ebollizione di -0,5 °C. Questa discrepanza tra punti di ebollizione e pesi molecolari relativi è spiegata dalla formazione di dimeri di acido carbossilico, in cui due molecole di acido sono collegate da due legami idrogeno. La presenza di legami idrogeno diventa chiara se si considera la struttura delle molecole di acido carbossilico.

Le molecole di acidi carbossilici monobasici saturi contengono un gruppo polare di atomi - carbossilico (pensa a cosa causa la polarità di questo gruppo funzionale) e un radicale idrocarburico praticamente non polare. Il gruppo carbossilico è attratto dalle molecole d'acqua, formando con esse legami idrogeno.

Gli acidi formico e acetico sono illimitatamente solubili in acqua. È ovvio che con un aumento del numero di atomi in un radicale idrocarburico diminuisce la solubilità degli acidi carbossilici.

Conoscendo la composizione e la struttura delle molecole dell'acido carbossilico, non sarà difficile per noi comprendere e spiegare le proprietà chimiche di queste sostanze.

Proprietà chimiche

Le proprietà generali caratteristiche della classe degli acidi (sia organici che inorganici) sono dovute alla presenza nelle molecole di un gruppo ossidrile contenente un legame altamente polare tra atomi di idrogeno e ossigeno. Queste proprietà ti sono ben note. Consideriamoli nuovamente usando l'esempio degli acidi organici idrosolubili.

1. Dissociazione con formazione di cationi idrogeno e anioni del residuo acido. Più precisamente, questo processo è descritto da un'equazione che tiene conto della partecipazione delle molecole d'acqua ad esso.

L'equilibrio di dissociazione degli acidi carbossilici è spostato a sinistra; la stragrande maggioranza di essi sono elettroliti deboli. Tuttavia, il sapore aspro, ad esempio, degli acidi formico e acetico è spiegato dalla dissociazione in cationi idrogeno e anioni di residui acidi.

È ovvio che la presenza nelle molecole degli acidi carbossilici dell'idrogeno “acido”, cioè dell'idrogeno del gruppo carbossilico, determina anche altre proprietà caratteristiche.

2. Interazione con metalli nell'intervallo di tensione elettrochimica fino all'idrogeno. Pertanto, il ferro riduce l'idrogeno dall'acido acetico:

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

3. Interazione con ossidi basici per formare sale e acqua:

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

4. Reazione con idrossidi metallici per formare sale e acqua (reazione di neutralizzazione):

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

5. Interazione con sali di acidi più deboli, con formazione di questi ultimi. Pertanto, l'acido acetico sostituisce l'acido stearico dallo stearato di sodio e l'acido carbonico dal carbonato di potassio.

6. L'interazione degli acidi carbossilici con gli alcoli per formare esteri è la reazione di esterificazione già nota a voi (una delle reazioni più importanti caratteristiche degli acidi carbossilici). L'interazione degli acidi carbossilici con gli alcoli è catalizzata da cationi idrogeno.

La reazione di esterificazione è reversibile. L'equilibrio si sposta verso la formazione dell'estere in presenza di agenti disidratanti e la rimozione dell'estere dalla miscela di reazione.

Nella reazione inversa dell'esterificazione, chiamata idrolisi dell'estere (reazione di un estere con acqua), si formano un acido e un alcol. È ovvio che gli alcoli polivalenti, ad esempio il glicerolo, possono anche reagire con gli acidi carbossilici, cioè entrare in una reazione di esterificazione:

Tutti gli acidi carbossilici (eccetto l'acido formico), insieme al gruppo carbossilico, contengono un residuo idrocarburico nelle loro molecole. Naturalmente, ciò non può che influenzare le proprietà degli acidi, che sono determinate dalla natura del residuo idrocarburico.

7. Reazioni di addizione con un legame multiplo: in esse entrano acidi carbossilici insaturi; ad esempio, la reazione di aggiunta di idrogeno è l'idrogenazione. Quando l'acido oleico viene idrogenato, si forma acido stearico saturo.

Gli acidi carbossilici insaturi, come altri composti insaturi, aggiungono alogeni tramite un doppio legame. Ad esempio, l'acido acrilico scolorisce l'acqua bromo.

8. Reazioni di sostituzione (con alogeni): possono entrarvi acidi carbossilici saturi; ad esempio, facendo reagire l'acido acetico con il cloro, si possono ottenere diversi acidi clorurati:

Quando si alogenano acidi carbossilici contenenti più di un atomo di carbonio nel residuo idrocarburico, è possibile la formazione di prodotti con diverse posizioni dell'alogeno nella molecola. Quando una reazione avviene tramite un meccanismo di radicali liberi, qualsiasi atomo di idrogeno nel residuo idrocarburico può essere sostituito. Se la reazione viene effettuata in presenza di piccole quantità di fosforo rosso, procede in modo selettivo: l'idrogeno viene sostituito solo in UN-posizione (nell'atomo di carbonio più vicino al gruppo funzionale) nella molecola dell'acido. Imparerai le ragioni di questa selettività studiando chimica in un istituto di istruzione superiore.

Gli acidi carbossilici formano vari derivati ​​funzionali quando sostituiscono il gruppo ossidrile. Quando questi derivati ​​vengono idrolizzati, si forma nuovamente acido carbossilico.

Il cloruro dell'acido carbossilico può essere preparato facendo reagire cloruro di fosforo (III) o cloruro di tionile (SOCl 2) con acido. Le anidridi dell'acido carbossilico vengono preparate facendo reagire le anidridi del cloro con i sali dell'acido carbossilico. Gli esteri sono formati dall'esterificazione degli acidi carbossilici con alcoli. L'esterificazione è catalizzata da acidi inorganici.

Questa reazione viene avviata dalla protonazione del gruppo carbossilico - l'interazione di un catione idrogeno (protone) con la coppia elettronica solitaria dell'atomo di ossigeno. La protonazione di un gruppo carbossilico comporta un aumento della carica positiva sull'atomo di carbonio in esso contenuto:

Modalità di ottenimento

Gli acidi carbossilici possono essere ottenuti mediante ossidazione di alcoli primari e aldeidi.

Gli acidi carbossilici aromatici si formano dall'ossidazione degli omologhi del benzene.

Anche l'idrolisi di vari derivati ​​dell'acido carbossilico produce acidi. Pertanto, l'idrolisi di un estere produce un alcol e un acido carbossilico. Come accennato in precedenza, le reazioni di esterificazione e idrolisi catalizzate da acido sono reversibili. L'idrolisi dell'estere sotto l'influenza di una soluzione acquosa di alcali procede in modo irreversibile; in questo caso, dall'estere non si forma un acido, ma il suo sale. Durante l'idrolisi dei nitrili si formano prima le ammidi, che vengono poi convertite in acidi. Gli acidi carbossilici sono formati dall'interazione di composti organici di magnesio con monossido di carbonio (IV).

Rappresentanti individuali degli acidi carbossilici e loro significato

L'acido formico (metano) HCOOH è un liquido dall'odore pungente e con punto di ebollizione di 100,8 °C, altamente solubile in acqua. L'acido formico è velenoso e provoca ustioni se entra in contatto con la pelle! Il liquido urticante secreto dalle formiche contiene questo acido. L'acido formico ha proprietà disinfettanti e trova quindi il suo utilizzo nell'industria alimentare, conciaria, farmaceutica e medica. Viene utilizzato anche nella tintura di tessuti e carta.

L'acido acetico (etanoico) CH3COOH è un liquido incolore dal caratteristico odore pungente, miscibile con acqua in qualsiasi rapporto. Le soluzioni acquose di acido acetico sono commercializzate con il nome di aceto (soluzione al 3-5%) ed essenza di aceto (soluzione al 70-80%) e sono ampiamente utilizzate nell'industria alimentare. L'acido acetico è un buon solvente per molte sostanze organiche e viene quindi utilizzato nell'industria della tintura, della concia e delle pitture e vernici. Inoltre, l'acido acetico è una materia prima per la produzione di molti composti organici tecnicamente importanti: da esso, ad esempio, si ottengono sostanze utilizzate per controllare le erbe infestanti - erbicidi.

L'acido acetico è il componente principale dell'aceto di vino, al quale è dovuto l'odore caratteristico. È un prodotto dell'ossidazione dell'etanolo e si forma da esso quando il vino viene conservato all'aria.

I rappresentanti più importanti degli acidi monobasici saturi superiori sono gli acidi palmitico C15H31COOH e stearico C17H35COOH. A differenza degli acidi inferiori, queste sostanze sono solide e scarsamente solubili in acqua.

Tuttavia, i loro sali - stearati e palmitati - sono altamente solubili e hanno un effetto detergente, motivo per cui sono anche chiamati saponi. È chiaro che queste sostanze sono prodotte su larga scala.

Tra gli acidi carbossilici superiori insaturi, l'acido oleico C17H33COOH, o (CH2)7COOH, è di massima importanza. È un liquido simile all'olio senza sapore né odore. I suoi sali sono ampiamente utilizzati nella tecnologia.

Il rappresentante più semplice degli acidi carbossilici dibasici è l'acido ossalico (etanoico) HOOC-COOH, i cui sali si trovano in molte piante, ad esempio acetosa e acetosa. L'acido ossalico è una sostanza cristallina incolore altamente solubile in acqua. Viene utilizzato per la lucidatura dei metalli, nell'industria della lavorazione del legno e della pelletteria.

1. L'acido elaidico insaturo C17H33COOH è un isomero trans dell'acido oleico. Scrivi la formula strutturale di questa sostanza.

2. Scrivi un'equazione per la reazione di idrogenazione dell'acido oleico. Dai un nome al prodotto di questa reazione.

3. Scrivi un'equazione per la reazione di combustione dell'acido stearico. Quale volume di ossigeno e aria (n.a.) sarà necessario per bruciare 568 g di acido stearico?

4. Una miscela di acidi grassi solidi - palmitico e stearico - è chiamata stearina (è da questo che vengono prodotte le supposte di stearina). Quale volume d'aria (n.d.) sarà necessario per bruciare una candela stearica da duecento grammi se la stearina contiene masse uguali di acido palmitico e stearico? Quale volume di anidride carbonica (n.o.) e massa di acqua si formano in questo caso?

5. Risolvere il problema precedente a condizione che la candela contenga quantità uguali (stesso numero di moli) di acido stearico e palmitico.

6. Per rimuovere le macchie di ruggine trattarle con una soluzione di acido acetico. Componi equazioni molecolari e ioniche per le reazioni che si verificano in questo caso, tenendo conto che la ruggine contiene ossido e idrossido di ferro (III) - Fe2O3 e Fe(OH)3. Perché tali macchie non si rimuovono con l'acqua? Perché scompaiono se trattati con una soluzione acida?

7. Il bicarbonato di sodio NaHC03 aggiunto all'impasto senza lievito viene prima “spento” con acido acetico. Esegui questa reazione a casa e scrivi la sua equazione, sapendo che l'acido carbonico è più debole dell'acido acetico. Spiegare la formazione della schiuma.

8. Sapendo che il cloro è più elettronegativo del carbonio, disporre i seguenti acidi: acido acetico, propionico, cloroacetico, dicloroacetico e tricloroacetico in ordine crescente di proprietà acide. Giustifica il tuo risultato.

9. Come possiamo spiegare che l'acido formico reagisce in una reazione “a specchio d'argento”? Scrivi un'equazione per questa reazione. Quale gas può essere rilasciato in questo caso?

10. Quando 3 g di acido carbossilico monobasico saturo hanno reagito con magnesio in eccesso, sono stati rilasciati 560 ml (n.s.) di idrogeno. Determinare la formula dell'acido.

11. Fornisci le equazioni di reazione che possono essere utilizzate per descrivere le proprietà chimiche dell'acido acetico. Dai un nome ai prodotti di queste reazioni.

12. Suggerire un semplice metodo di laboratorio mediante il quale è possibile riconoscere gli acidi propanoico e acrilico.

13. Scrivi un'equazione per la reazione di produzione del formiato di metile, un estere di metanolo e acido formico. In quali condizioni dovrebbe essere effettuata questa reazione?

14. Compilare formule strutturali di sostanze con la composizione C3H602. In quali classi di sostanze possono essere classificate? Indica le equazioni di reazione caratteristiche di ciascuna di esse.

15. La sostanza A - un isomero dell'acido acetico - è insolubile in acqua, ma può subire idrolisi. Qual è la formula strutturale della sostanza A? Nomina i prodotti della sua idrolisi.

16. Componi le formule strutturali delle seguenti sostanze:

a) acetato di metile;
b) acido ossalico;
c) acido formico;
d) acido dicloroacetico;
e) acetato di magnesio;
f) acetato di etile;
g) formiato di etile;
h) acido acrilico.

17*. Un campione di acido organico monobasico saturo del peso di 3,7 g è stato neutralizzato con una soluzione acquosa di bicarbonato di sodio. Facendo passare il gas liberato attraverso acqua di calce si ottengono 5,0 g di sedimento. Quale acido è stato preso e qual è stato il volume di gas rilasciato?

Acidi carbossilici in natura

Gli acidi carbossilici sono molto comuni in natura. Si trovano nella frutta e nelle piante. Sono presenti negli aghi, nel sudore, nell'urina e nel succo di ortica. Sai, si scopre che la maggior parte degli acidi forma esteri che hanno odori. Così l'odore dell'acido lattico, contenuto nel sudore umano, attira le zanzare, che lo percepiscono a notevole distanza. Pertanto, non importa quanto cerchi di scacciare la fastidiosa zanzara, lei sente comunque bene la sua vittima. Oltre al sudore umano, l'acido lattico si trova nei sottaceti e nei crauti.

E le scimmie femmine, per attirare un maschio, secernono acido acetico e propionico. Il naso sensibile di un cane può sentire l'odore dell'acido butirrico, che ha una concentrazione di 10–18 g/cm3.

Molte specie vegetali sono in grado di produrre acido acetico e butirrico. E alcune erbe infestanti ne approfittano e, rilasciando sostanze, eliminano le loro concorrenti, sopprimendone la crescita e talvolta provocandone la morte.

Anche gli indiani usavano l'acido. Per distruggere il nemico, inzupparono le frecce con un veleno mortale, che si rivelò essere un derivato dell'acido acetico.

E qui sorge spontanea una domanda: gli acidi rappresentano un pericolo per la salute umana? Dopotutto, l'acido ossalico, che è molto diffuso in natura e si trova nell'acetosa, nelle arance, nel ribes e nei lamponi, per qualche motivo non ha trovato applicazione nell'industria alimentare. Si scopre che l'acido ossalico è duecento volte più forte dell'acido acetico e può persino corrodere i piatti e i suoi sali, accumulandosi nel corpo umano, formano pietre.

Gli acidi hanno trovato ampia applicazione in tutte le sfere della vita umana. Sono utilizzati in medicina, cosmetologia, industria alimentare, agricoltura e per le necessità domestiche.

Per scopi medici vengono utilizzati acidi organici come lattico, tartarico e ascorbico. Probabilmente ognuno di voi ha usato la vitamina C per rafforzare il corpo: questo è proprio l'acido ascorbico. Non solo aiuta a rafforzare il sistema immunitario, ma ha anche la capacità di eliminare agenti cancerogeni e tossine dal corpo. L'acido lattico viene utilizzato per la cauterizzazione poiché è altamente igroscopico. Ma l'acido tartarico agisce come un blando lassativo, come antidoto per l'avvelenamento da alcali e come componente necessario per preparare il plasma per le trasfusioni di sangue.

Ma gli appassionati di procedure cosmetiche dovrebbero sapere che gli acidi della frutta contenuti negli agrumi hanno un effetto benefico sulla pelle, poiché, penetrando in profondità, possono accelerare il processo di rinnovamento cutaneo. Inoltre, l'odore degli agrumi ha un effetto tonico sul sistema nervoso.

Hai notato che bacche come mirtilli rossi e mirtilli rossi vengono conservate a lungo e rimangono fresche. Sai perché? Si scopre che contengono acido benzoico, che è un eccellente conservante.

Ma in agricoltura l'acido succinico ha trovato largo impiego, poiché può essere utilizzato per aumentare la produttività delle piante coltivate. Può anche stimolare la crescita delle piante e accelerarne lo sviluppo.

Nella tabella 19.10 mostra alcuni composti organici legati agli acidi carbossilici. Una caratteristica degli acidi carbossilici è la presenza di acido carbossilico in essi.

Tabella 19.10. Acidi carbossilici

(vedi scansione)

gruppo funzionale. Un gruppo carbossilico è costituito da un gruppo carbonilico legato a un gruppo ossidrile. Gli acidi organici con un gruppo carbossilico sono chiamati acidi monocarbossilici. I loro nomi sistematici hanno il suffisso -ov(aya). Gli acidi organici con due gruppi carbossilici sono chiamati acidi dicarbossilici. I loro nomi sistematici hanno il suffisso -diov(aya).

Gli acidi monocarbossilici alifatici saturi formano una serie omologa, caratterizzata dalla formula generale. Gli acidi dicarbossilici alifatici insaturi possono esistere sotto forma di vari isomeri geometrici (vedere Sezione 17.2).

Proprietà fisiche

I membri inferiori della serie omologa degli acidi monocarbossilici saturi in condizioni normali sono liquidi con un caratteristico odore pungente. Ad esempio, l'acido etanoico (acetico) ha un caratteristico odore di "aceto". L'acido acetico anidro è un liquido a temperatura ambiente. Si congela in una sostanza ghiacciata chiamata acido acetico glaciale.

Tutti gli acidi dicarbossilici elencati nella tabella. 19.10, a temperatura ambiente sono sostanze cristalline bianche. I membri inferiori della serie degli acidi monocarbossilici e dicarbossilici sono solubili in acqua. La solubilità degli acidi carbossilici diminuisce all'aumentare del loro peso molecolare relativo.

Allo stato liquido e in soluzioni non acquose, le molecole di acidi monocarbossilici dimerizzano a seguito della formazione di legami idrogeno tra loro:

Il legame idrogeno negli acidi carbossilici è più forte che negli alcoli. Ciò si spiega con l'elevata polarità del gruppo carbossilico, dovuta al ritiro degli elettroni dall'atomo di idrogeno verso l'atomo di ossigeno carbonilico:

Di conseguenza, gli acidi carbossilici hanno punti di ebollizione relativamente alti (Tabella 19.11).

Tabella 19.11. Punti di ebollizione dell'acido acetico e degli alcoli con pesi molecolari relativi simili

Metodi di ottenimento in laboratorio

Gli acidi monocarbossilici possono essere ottenuti da alcoli primari e aldeidi mediante ossidazione utilizzando una soluzione acidificata di bicromato di potassio prelevata in eccesso:

Gli acidi monocarbossilici e i loro sali possono essere ottenuti mediante idrolisi di nitrili o ammidi:

La preparazione degli acidi carbossilici mediante reazione con reagenti di Grignard e anidride carbonica è descritta nella sezione. 19.1.

L'acido benzoico può essere preparato mediante ossidazione della catena laterale metilica del metilbenzene (vedere Sezione 18.2).

Inoltre, l'acido benzoico può essere preparato dalla benzaldeide utilizzando la reazione di Cannischaro. In questa reazione, la benzaldeide viene trattata con una soluzione di idrossido di sodio al 40-60% a temperatura ambiente. L'ossidazione e la riduzione simultanee portano alla formazione di acido benzoico e, di conseguenza, fenilmetanolo:

Ossidazione

La reazione di Cannizzaro è caratteristica delle aldeidi che non hanno atomi di idrogeno -. Questo è il nome dato agli atomi di idrogeno attaccati ad un atomo di carbonio adiacente al gruppo aldeidico:

Poiché il metanale non ha atomi di idrogeno α, può subire la reazione di Cannizzaro. Le aldeidi contenenti almeno un atomo di idrogeno subiscono una condensazione aldolica catalizzata da acido in presenza di una soluzione di idrossido di sodio (vedi sopra).

Proprietà chimiche

Sebbene il gruppo carbossilico contenga un gruppo carbonilico, gli acidi carbossilici non subiscono alcune delle reazioni che avvengono con aldeidi e chetoni. Ad esempio, non subiscono reazioni di addizione o condensazione. Ciò è spiegato dal fatto che l'atomo

il carbonio nel gruppo carbossilico ha una carica meno positiva rispetto al gruppo aldeidico o chetonico.

Acidità. L’allontanamento della densità elettronica dall’atomo di idrogeno carbossilico indebolisce il legame OH. Di conseguenza, il gruppo carbossilico è in grado di astrarre (perdere) un protone. Pertanto, gli acidi monocarbossilici si comportano come acidi monobasici. Nelle soluzioni acquose di questi acidi si stabilisce il seguente equilibrio:

Lo ione carbossilato può essere considerato un ibrido di due strutture di risonanza:

Altrimenti può essere pensato come

La delocalizzazione dell'elettrone tra gli atomi del gruppo carbossilato stabilizza lo ione carbossilato. Pertanto, gli acidi carbossilici sono molto più acidi degli alcoli. Tuttavia, a causa della natura covalente delle molecole di acido carbossilico, l’equilibrio di cui sopra è fortemente spostato a sinistra. Pertanto, gli acidi carbossilici sono acidi deboli. Ad esempio, l'acido etanoico (acetico) è caratterizzato da una costante di acidità

I sostituenti presenti in una molecola di acido carbossilico influenzano notevolmente la sua acidità a causa dell'effetto induttivo che forniscono. Sostituenti come il cloro attirano verso se stessi la densità elettronica e, quindi, provocano un effetto induttivo negativo.L'estrazione della densità elettronica dall'atomo di idrogeno carbossilico porta ad un aumento dell'acidità dell'acido carbossilico. Al contrario, i sostituenti come i gruppi alchilici hanno proprietà di donazione di elettroni e creano un effetto induttivo positivo, indebolendo l’acido carbossilico:

L'effetto dei sostituenti sull'acidità degli acidi carbossilici si manifesta chiaramente nei valori di un numero di acidi indicati in Tabella. 19.12.

Tabella 19.12. Valori degli acidi carbossilici

Formazione di sali. Gli acidi carbossilici hanno tutte le proprietà degli acidi ordinari. Reagiscono con metalli reattivi, basi, alcali, carbonati e bicarbonati, formando i sali corrispondenti (Tabella 19.13). Le reazioni mostrate in questa tabella sono caratteristiche sia degli acidi carbossilici solubili che insolubili.

Come altri sali di acidi deboli, i sali carbossilati (sali di acidi carbossilici) reagiscono con acidi minerali presi in eccesso, formando gli acidi carbossilici genitori. Ad esempio, quando una soluzione di idrossido di sodio viene aggiunta a una sospensione di acido benzoico insolubile in acqua, l'acido si dissolve a causa della formazione di benzoato di sodio. Se alla soluzione risultante viene aggiunto acido solforico, l'acido benzoico precipita:

Tabella 19.13. Formazione di sali da acidi carbossilici

Esterificazione. Quando una miscela di acido carbossilico e alcol viene riscaldata in presenza di acido minerale concentrato, si forma un estere. Questo processo, chiamato esterificazione, richiede la scomposizione delle molecole di alcol. Ci sono due possibilità.

1. Scissione dell'alcossidrogeno. In questo caso, l'atomo di ossigeno dell'alcol (dal gruppo ossidrile) entra nella molecola dell'etere risultante:

2. Scissione degli alchiliidrossili. In questo tipo di scissione, l'atomo di ossigeno dell'alcol entra in una molecola d'acqua:

Quale di questi casi si realizza concretamente può essere determinato sperimentalmente eseguendo l'esterificazione con un alcol contenente l'isotopo 180 (vedi Sezione 1.3), cioè utilizzando un tag isotopico. La determinazione del peso molecolare relativo dell'estere risultante mediante spettrometria di massa indica se in esso è presente l'etichetta isotopica dell'ossigeno-18. In questo modo si è scoperto che l'esterificazione con la partecipazione di alcoli primari porta alla formazione di esteri marcati:

Ciò dimostra che la molecola di metanolo subisce la scissione del metossi-idrogeno durante la reazione in esame.

Alogenazione. Gli acidi carbossilici reagiscono con il pentacloruro di fosforo e il dicloruro di ossido di zolfo, formando cloruri acidi degli acidi corrispondenti. Per esempio

Sia il cloruro di benzoile che l'ossido di tricloruro di fosforo sono liquidi che devono essere separati l'uno dall'altro. Pertanto, per la clorurazione degli acidi carbossilici, è più conveniente utilizzare l'ossido di zolfo dicloruro: ciò consente di rimuovere facilmente l'acido cloridrico gassoso e l'anidride solforosa dal cloruro di acido carbossilico liquido:

Soffiando cloro attraverso acido acetico bollente in presenza di catalizzatori come fosforo rosso o iodio e sotto l'influenza della luce solare

si forma acido monocloroetanoico (monocloroacetico):

Un'ulteriore clorurazione porta alla formazione di prodotti disostituiti e trisostituiti:

Recupero. Quando reagiscono con il litio in etere etilico secco, gli acidi carbossilici possono essere ridotti agli alcoli corrispondenti. Innanzitutto si forma un intermedio alcossido, la cui idrolisi porta alla formazione di alcol:

Gli acidi carbossilici non vengono ridotti da molti agenti riducenti comuni. Questi acidi non possono essere ridotti immediatamente alle corrispondenti aldeidi.

Ossidazione. Ad eccezione degli acidi metano (formico) ed etanoico (acetico), altri acidi carbossilici sono difficili da ossidare. L'acido formico e i suoi sali (formati) vengono ossidati con permanganato di potassio. L'acido formico è in grado di ridurre il reagente di Fehling e, se riscaldato in una miscela con una soluzione acquosa-ammoniaca di nitrato d'argento, forma uno “specchio d'argento”. L'ossidazione dell'acido formico produce anidride carbonica e acqua:

L'acido etandioico (ossalico) viene anche ossidato dal permanganato di potassio, formando anidride carbonica e acqua:

Disidratazione. La distillazione di un acido carbossilico con qualche tipo di agente disidratante, ad esempio un ossido, porta alla scissione di una molecola d'acqua da due molecole di acido e alla formazione di un'anidride dell'acido carbossilico:

Fanno eccezione in questo caso gli acidi formico e ossalico. La disidratazione dell'acido formico o del suo sale di potassio o di sodio con acido solforico concentrato porta alla formazione di monossido di carbonio e

La disidratazione del metanoato di sodio (formiato) con acido solforico concentrato è un metodo di laboratorio comune per la produzione di monossido di carbonio. La disidratazione dell'acido ossalico con acido solforico concentrato a caldo produce una miscela di monossido di carbonio e anidride carbonica:

Carbossilati

I sali di sodio e potassio degli acidi carbossilici sono sostanze cristalline bianche. Si dissolvono facilmente in acqua, formando forti elettroliti.

L'elettrolisi dei sali carbossilati di sodio o di potassio disciolti in una miscela acqua-metanolo porta alla formazione di alcani e anidride carbonica all'anodo e idrogeno al catodo.

All'anodo:

Al catodo:

Questo metodo di produzione degli alcani è chiamato sintesi elettrochimica di Kolbe.

La formazione di alcani avviene anche quando si riscalda una miscela di carbossilati di sodio o di potassio con idrossido di sodio o calce sodata. (La calce sodata è una miscela di idrossido di sodio e idrossido di calcio.) Questo metodo viene utilizzato, ad esempio, per produrre metano in laboratorio:

I carbossilati aromatici di sodio o potassio in condizioni simili formano areni:

Quando una miscela di carbossilati di sodio e cloruri acidi viene riscaldata, si formano anidridi dei corrispondenti acidi carbossilici:

Anche i carbossilati di calcio sono sostanze cristalline bianche e sono generalmente solubili in acqua. Quando vengono riscaldati, si formano

zione con bassa resa dei chetoni corrispondenti:

Quando una miscela di carbossilati di calcio e formiato di calcio viene riscaldata, si forma un'aldeide:

Anche i sali di ammonio degli acidi carbossilici sono sostanze cristalline bianche solubili in acqua. Se riscaldati fortemente, formano le ammidi corrispondenti: