カルボン酸の化学的性質と製造方法。 化学の統一国家試験の準備

意味

分子中に炭化水素ラジカルに結合したカルボキシル基が 1 つ以上含まれている物質を有機物質といいます。 カルボン酸.

プロピオン酸を含む、同族カルボン酸系列の最初の 3 つのメンバーは、刺激臭があり、水によく溶ける液体です。 酪酸をはじめとする以下の同族体も、強い不快臭を有する液体ですが、水に溶けにくいです。 炭素原子数が 10 以上の高級酸は固体で無臭で、水に不溶です。 一般に、一連の同族体では、分子量が増加すると、水への溶解度が低下し、密度が低下し、沸点が上昇します (表 1)。

表 1. カルボン酸の同族列。

カルボン酸の調製

カルボン酸は、飽和炭化水素、アルコール、アルデヒドの酸化によって得られます。 たとえば、酢酸 - 加熱時に酸性環境下で過マンガン酸カリウム溶液を用いてエタノールを酸化することにより、次のようになります。

カルボン酸の化学的性質

カルボン酸の化学的性質は、主にその構造の特殊性によって決まります。 したがって、水溶性の酸はイオンに解離する可能性があります。

R-COOH↔R-COO - + H + 。

水中にH + イオンが存在するため、酸味があり、インジケーターの色を変え、電流を流すことができます。 水溶液では、これらの酸は弱電解質になります。

カルボン酸は、無機酸の溶液に特徴的な化学的性質を持っています。 金属 (1)、その酸化物 (2)、水酸化物 (3)、および弱塩 (4) と相互作用します。

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)。

官能基によって示される飽和および不飽和カルボン酸の特有の特性は、アルコールとの相互作用です。

カルボン酸は、濃硫酸の存在下で加熱するとアルコールと反応します。 たとえば、酢酸にエチルアルコールと少量の硫酸を加えると、加熱すると酢酸エチル（酢酸エチル）の臭いが発生します。

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

ラジカルによって現れる飽和カルボン酸の特有の性質は、ハロゲン化 (塩素化) 反応です。

カルボン酸の応用

カルボン酸は、ケトン、酸ハロゲン化物、ビニルエステル、およびその他の重要な種類の有機化合物を製造するための原料として機能します。

ギ酸は、香水、皮革産業（革のなめし）、繊維産業（染色の媒染剤として）、溶剤および防腐剤として使用されるエステルを得るために広く使用されています。

酢酸の水溶液（70〜80％）はビネガーエッセンスと呼ばれ、3〜9％の水溶液はテーブルビネガーと呼ばれます。 エッセンスは、家庭で希釈して酢を得るためによく使用されます。

問題解決の例

例 1

例 2

カルボン酸- 分子に 1 つ以上のカルボキシル基が含まれる有機物質。

カルボキシル基 (COOH と略記) はカルボン酸の官能基であり、カルボニル基とそれに結合したヒドロキシル基から構成されます。

カルボン酸はカルボキシル基の数に基づいて一塩基性、二塩基性などに分類されます。

一塩基性カルボン酸の一般式は R-COOH です。 二塩基酸の例はシュウ酸HOOC-COOHである。

ラジカルの種類に基づいて、カルボン酸は飽和（例：酢酸 CH 3 COOH）、不飽和（例：アクリル酸 CH 2 =CH-COOH、オレイン酸 CH 3 -(CH 2) 7 -CH）に分類されます。 =CH-(CH 2 ) 7 -COOH]および芳香族(例えば、安息香酸C 6 H 5 -COOH)。

異性体と同族体

一塩基性飽和カルボン酸 R-COOH は、同じ数の炭素原子を持つエステルの異性体 (R"-COOR" と略します) です。両方の一般式は C です。 n H2 n O2。

カルボン酸の名前を合成するアルゴリズム

1. 炭素主鎖を見つけます。これは、カルボキシル基の炭素原子を含む、炭素原子の最も長い鎖です。
2. カルボキシル炭素原子から始めて、主鎖の炭素原子に番号を付けます。
3. 炭化水素のアルゴリズムを使用して化合物に名前を付けます。
4. 名前の最後に、接尾辞「-ov」、語尾「-aya」、および「acid」という単語を追加します。

カルボン酸の分子内 p水酸基の酸素原子の - 電子がカルボニル基の - 結合の電子と相互作用し、O-H 結合の極性が増加し、カルボニル基の - 結合が強化され、部分電荷（+）が生じます。炭素原子の部分電荷 (+) が減少し、水素原子の部分電荷 (+) が増加します。

後者は、カルボン酸分子間の強力な水素結合の形成を促進します。

飽和一塩基性カルボン酸の物理的特性は、主に分子間の強い水素結合（アルコール分子間よりも強い）の存在によるものです。 したがって、酸の沸点と水への溶解度は、対応するアルコールよりも高くなります。

酸の化学的性質

カルボニル基の - 結合が強化されると、カルボン酸には特有の付加反応が起こらなくなります。

1. 燃焼：
   

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

2. 酸性の性質。
   O-H 結合の極性が高いため、水溶液中のカルボン酸は顕著に解離します (より正確には、カルボン酸と可逆的に反応します)。

   HCOOH HCOO - + H + (より正確には HCOOH + H 2 O HCOO - + H 3 O +)

   
   すべてのカルボン酸は弱電解質です。 炭素原子の数が増加すると、酸の強度は減少します（O-H 結合の極性が減少するため）。 逆に、炭化水素ラジカルにハロゲン原子が導入されると、酸の強度が増加します。 はい、続けて

   HCOOH CH 3 COOH C 2 H 5 COOH

   
   酸の強さは減少し、シリーズでは

   増えています。

   カルボン酸は、弱酸に固有のすべての特性を示します。

   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. エステル化 (エステルの形成につながるカルボン酸とアルコールの反応):
   
   グリセロールなどの多価アルコールもエステル化反応に関与する可能性があります。 グリセロールと高級カルボン酸（脂肪酸）によって形成されるエステルは脂肪です。

   脂肪はトリグリセリドの混合物です。 飽和脂肪酸（パルミチン酸 C 15 H 31 COOH、ステアリン酸 C 17 H 35 COOH）は動物由来の固体脂肪を形成し、不飽和脂肪酸（オレイン酸 C 17 H 33 COOH、リノール酸 C 17 H 31 COOH など）は液体脂肪を形成します。植物由来の（油）。

4. 炭化水素ラジカルの置換:
   
   置換は - の位置で行われます。

   ギ酸 HCOOH の特徴は、この物質がカルボン酸とアルデヒドの両方である二官能性化合物であることです。
   
   したがって、特にギ酸は酸化銀のアンモニア溶液と反応します (銀鏡反応、定性反応)。
   

   HCOOH + Ag 2 O (アンモニア水) CO 2 + H 2 O + 2Ag

カルボン酸の調製

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○

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-C原子のグループは、カルボキシル基またはカルボキシルと呼ばれます。
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おお
分子内にカルボキシル基を 1 つ含む有機酸は一塩基性酸です。 これらの酸の一般式は RCOOH です。

カルボキシル基を 2 つ含むカルボン酸は二塩基性と呼ばれます。 これらには、例えば、シュウ酸およびコハク酸が含まれる。

2 つ以上のカルボキシル基を含む多塩基性カルボン酸もあります。 これらには、例えば、三塩基性クエン酸が含まれる。 炭化水素ラジカルの性質に応じて、カルボン酸は飽和、不飽和、芳香族に分類されます。

飽和または飽和カルボン酸は、例えば、プロパン酸（プロピオン酸）またはすでによく知られているコハク酸である。

当然のことながら、飽和カルボン酸には次のようなものは含まれません。 P-炭化水素ラジカルの結合。

不飽和カルボン酸の分子では、カルボキシル基は不飽和の不飽和炭化水素ラジカルと結合しています。たとえば、アクリル酸 (プロペン酸) CH2=CH-COOH またはオレイン酸 CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2) の分子では、カルボキシル基は不飽和の炭化水素ラジカルと結合しています。 7-COOH およびその他の酸。

安息香酸の式からわかるように、分子内に芳香環（ベンゼン）を含むため、芳香族です。

命名法と異性化

カルボン酸や他の有機化合物の名前の形成の一般原則についてはすでに検討しました。 一塩基性および二塩基性カルボン酸の命名法についてさらに詳しく見てみましょう。 カルボン酸の名前は、対応するアルカン (分子内に同じ数の炭素原子を持つアルカン) の名前に接尾辞 -ov、語尾の -aya、および酸という単語を追加して形成されます。 炭素原子の番号付けはカルボキシル基から始まります。 例えば：

多くの酸には、歴史的に確立された、または簡単な名前もあります (表 6)。

有機酸の多様で興味深い世界を初めて知った後、飽和一塩基性カルボン酸についてさらに詳しく考えていきます。

これらの酸の組成が一般式 C n H 2n O2、または C n H 2n +1 COOH、または RCOOH に反映されることは明らかです。

飽和一塩基性カルボン酸の物性

低級酸、つまり 1 分子あたり最大 4 個の炭素原子を含む分子量が比較的小さい酸は、特有の刺激臭を持つ液体です (酢酸の匂いを思い出してください)。 4 ～ 9 個の炭素原子を含む酸は、不快な臭気のある粘稠な油状液体です。 1 分子あたり 9 個を超える炭素原子を含む - 水に溶けない固体。 飽和一塩基性カルボン酸の沸点は、分子内の炭素原子の数が増加するにつれて増加し、その結果、相対分子量が増加するにつれて増加します。 たとえば、ギ酸の沸点は 101 °C、酢酸は 118 °C、プロピオン酸は 141 °C です。

最も単純なカルボン酸であるギ酸 HCOOH は、相対分子量が小さく (46)、通常の状態では沸点 100.8 °C の液体です。 同時に、同じ条件下のブタン (MR(C4H10) = 58) は気体で、沸点は -0.5 °C です。 沸点と相対分子量の間のこの不一致は、2 つの酸分子が 2 つの水素結合によって結合されているカルボン酸二量体の形成によって説明されます。 水素結合の発生は、カルボン酸分子の構造を考えると明らかになります。

飽和一塩基性カルボン酸の分子には、極性原子群であるカルボキシル（この官能基の極性の原因を考えてください）と、実質的には無極性の炭化水素ラジカルが含まれています。 カルボキシル基は水分子に引き寄せられ、水分子と水素結合を形成します。

ギ酸と酢酸は水に無制限に溶けます。 炭化水素ラジカルの原子数が増加すると、カルボン酸の溶解度が低下することは明らかです。

カルボン酸分子の組成と構造を知っていれば、これらの物質の化学的性質を理解して説明することは難しくありません。

化学的特性

このクラスの酸 (有機および無機の両方) に特徴的な一般的な特性は、分子内に水素原子と酸素原子の間に極性の高い結合を含むヒドロキシル基が存在することによるものです。 これらのプロパティはよく知られています。 水溶性有機酸を例にしてもう一度考えてみましょう。

1. 酸残基の水素カチオンとアニオンの形成を伴う解離。 より正確には、このプロセスは水分子の関与を考慮した方程式によって記述されます。

カルボン酸の解離平衡は左にシフトしており、カルボン酸の大部分は弱い電解質です。 それにもかかわらず、例えばギ酸や酢酸の酸味は、酸性残基の水素陽イオンと陰イオンへの解離によって説明されます。

カルボン酸の分子内の「酸性」水素、つまりカルボキシル基の水素の存在も、他の特徴的な特性を決定することは明らかです。

2. 水素までの電気化学電圧範囲における金属との相互作用。 したがって、鉄は酢酸から水素を還元します。

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

3. 塩基性酸化物との相互作用による塩と水の形成:

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

4. 金属水酸化物との反応により塩と水が形成されます (中和反応):

R-COOH + NaOH -> R-COONa + H2O 3R-COOH + Ca(OH)2 -> (R-COO)2Ca + 2H20

5. 弱酸の塩との相互作用、および後者の形成。 したがって、酢酸はステアリン酸ナトリウムからステアリン酸を置き換え、炭酸カリウムから炭酸を置き換えます。

6. カルボン酸とアルコールとの相互作用によるエステルの形成は、すでに知られているエステル化反応です (カルボン酸に特徴的な最も重要な反応の 1 つ)。 カルボン酸とアルコールの相互作用は、水素カチオンによって触媒されます。

エステル化反応は可逆的です。 平衡は、脱水剤の存在下でのエステルの形成および反応混合物からのエステルの除去へと移行する。

エステル加水分解 (エステルと水の反応) と呼ばれるエステル化の逆反応では、酸とアルコールが形成されます。 グリセロールなどの多価アルコールもカルボン酸と反応する、つまりエステル化反応を起こすことができることは明らかです。

すべてのカルボン酸 (ギ酸を除く) は、カルボキシル基とともに分子内に炭化水素残基を含みます。 もちろん、これは炭化水素残基の性質によって決定される酸の性質に影響を与えざるを得ません。

7. 多重結合での付加反応 - 不飽和カルボン酸が結合します。 たとえば、水素を付加する反応は水素化です。 オレイン酸が水素添加されると、飽和ステアリン酸が形成されます。

不飽和カルボン酸は、他の不飽和化合物と同様に、二重結合を介してハロゲンを付加します。 たとえば、アクリル酸は臭素水を変色させます。

8. 置換反応（ハロゲンによる） - 飽和カルボン酸が入る可能性があります。 たとえば、酢酸と塩素を反応させると、さまざまな塩素化酸が得られます。

炭化水素残基に複数の炭素原子を含むカルボン酸をハロゲン化すると、分子内のハロゲンの位置が異なる生成物が生成する可能性があります。 フリーラジカル機構を介して反応が起こると、炭化水素残基内の水素原子が置換される可能性があります。 反応が少量の赤リンの存在下で行われる場合、反応は選択的に進行します - 水素は赤リンの中でのみ置換されます。 あ酸分子内の（官能基に最も近い炭素原子の）位置。 この選択性の理由は、高等教育機関で化学を学ぶときにわかります。

カルボン酸は、ヒドロキシル基を置換すると、さまざまな機能性誘導体を形成します。 これらの誘導体が加水分解されると、再びカルボン酸が生成されます。

カルボン酸塩化物は、塩化リン(III)または塩化チオニル(SOCl 2)を酸と反応させることによって調製できます。 カルボン酸無水物は、無水塩素とカルボン酸塩を反応させることによって調製されます。 エステルは、カルボン酸とアルコールのエステル化によって形成されます。 エステル化は無機酸によって触媒されます。

この反応は、カルボキシル基のプロトン化、つまり水素陽イオン (プロトン) と酸素原子の孤立電子対の相互作用によって開始されます。 カルボキシル基のプロトン化は、その中の炭素原子の正電荷の増加を伴います。

入手方法

カルボン酸は、第一級アルコールとアルデヒドの酸化によって得られます。

芳香族カルボン酸は、ベンゼン同族体の酸化によって形成されます。

さまざまなカルボン酸誘導体の加水分解でも酸が生成されます。 したがって、エステルの加水分解によりアルコールとカルボン酸が生成されます。 上で述べたように、酸触媒によるエステル化反応と加水分解反応は可逆的です。 アルカリ水溶液の影響下でのエステルの加水分解は不可逆的に進行し、この場合、酸ではなく、その塩がエステルから形成される。 ニトリルの加水分解中に、最初にアミドが形成され、次に酸に変換されます。 カルボン酸は、有機マグネシウム化合物と一酸化炭素 (IV) の相互作用によって形成されます。

カルボン酸の個々の代表とその重要性

ギ (メタン) 酸 HCOOH は刺激臭のある液体で、沸点は 100.8 °C で、水によく溶けます。 ギ酸は有毒で、皮膚に触れると火傷を引き起こします。 アリが分泌する刺痛液にはこの酸が含まれています。 ギ酸には消毒作用があるため、食品、皮革、製薬産業、および医薬品に使用されています。 布地や紙の染色にも使用されます。

酢酸（エタン酸）CH3COOH は、特有の刺激臭を持つ無色の液体で、任意の比率で水と混和します。 酢酸の水溶液は、ビネガー (3 ～ 5% 溶液) およびビネガー エッセンス (70 ～ 80% 溶液) という名前で販売されており、食品業界で広く使用されています。 酢酸は多くの有機物質に対して優れた溶媒であるため、染色、なめし、塗料およびワニス産業で使用されます。 さらに、酢酸は多くの技術的に重要な有機化合物を製造するための原料です。たとえば、雑草の防除に使用される物質 (除草剤) が酢酸から得られます。

ワインビネガーの主成分は酢酸で、独特の匂いは酢酸によるものです。 これはエタノールの酸化生成物であり、ワインが空気中で保存されるときに生成されます。

高級飽和一塩基酸の最も重要な代表は、パルミチン酸 C15H31COOH およびステアリン酸 C17H35COOH 酸です。 低級酸とは異なり、これらの物質は固体であり、水に溶けにくいです。

ただし、それらの塩であるステアリン酸塩とパルミチン酸塩は溶解性が高く、洗浄効果があるため、石鹸とも呼ばれます。 これらの物質が大規模に生産されていることは明らかです。

不飽和高級カルボン酸の中で、オレイン酸 C17H33COOH、または (CH2)7COOH が最も重要です。 無味無臭の油状の液体です。 その塩は技術分野で広く使用されています。

二塩基性カルボン酸の最も単純な代表はシュウ酸（エタン二酸）HOOC-COOHであり、その塩は多くの植物、例えばスイバやスイバに見られます。 シュウ酸は無色の結晶物質で、水によく溶けます。 金属の研磨、木工、皮革産業で使用されます。

1. 不飽和エライジン酸 C17H33COOH はオレイン酸のトランス異性体です。 この物質の構造式を書きなさい。

2. オレイン酸の水素化反応の方程式を書きます。 この反応の生成物に名前を付けてください。

3. ステアリン酸の燃焼反応の方程式を書きます。 568 g のステアリン酸を燃焼するには、どのくらいの量の酸素と空気 (n.a.) が必要ですか?

4. 固体脂肪酸（パルミチン酸とステアリン酸）の混合物はステアリンと呼ばれます（ステアリン坐剤はこれから作られます）。 ステアリンに同じ質量のパルミチン酸とステアリン酸が含まれている場合、200 グラムのステアリン酸キャンドルを燃やすのに必要な空気の量 (n.a.) はどれくらいですか? この場合、どのくらいの体積の二酸化炭素（no.）と水の質量が生成されますか？

5. ろうそくに同量（同じモル数）のステアリン酸とパルミチン酸が含まれているという条件で、前の問題を解きます。

6. 錆汚れを除去するには、酢酸溶液で処理します。 さびには酸化鉄(III)と水酸化鉄(Fe2O3とFe(OH)3)が含まれていることを考慮して、この場合に起こる反応の分子方程式とイオン方程式を作成します。 なぜこのような汚れは水では落ちないのでしょうか？ なぜ酸性溶液で処理すると消えてしまうのでしょうか？

7. 酵母を含まない生地にベーキング (ベーキング) ソーダ NaHC03 を加え、まず酢酸で「急冷」します。 炭酸が酢酸より弱いことを知った上で、この反応を自宅で行い、方程式を書きます。 泡の形成について説明します。

8. 塩素は炭素よりも電気陰性度が高いことを知って、酢酸、プロピオン酸、クロロ酢酸、ジクロロ酢酸、トリクロロ酢酸を酸性の高い順に並べてください。 結果を正当化します。

9. ギ酸が「銀の鏡」反応で反応することはどのように説明できますか? この反応の方程式を書きます。 この場合、どのようなガスが発生する可能性がありますか?

10. 3 g の飽和一塩基性カルボン酸が過剰のマグネシウムと反応すると、560 ml (n.s.) の水素が放出されました。 酸の式を決定します。

11. 酢酸の化学的性質を説明するために使用できる反応方程式を教えてください。 これらの反応の生成物に名前を付けてください。

12. プロパン酸とアクリル酸を識別できる簡単な実験方法を提案してください。

13. メタノールとギ酸のエステルであるギ酸メチルを生成する反応の方程式を書きます。 この反応はどのような条件で行えばよいのでしょうか?

14. C3H602 の組成を持つ物質の構造式を作成します。 それらはどのような種類の物質に分類できますか? それぞれの特徴的な反応方程式を与えてください。

15. 酢酸の異性体である物質 A は水に不溶ですが、加水分解を受ける可能性があります。 物質Aの構造式は何ですか? その加水分解生成物に名前を付けてください。

16. 次の物質の構造式を組み立ててください。

a) 酢酸メチル;
b) シュウ酸;
c) ギ酸;
d) ジクロロ酢酸;
e) 酢酸マグネシウム。
f) 酢酸エチル;
g) ギ酸エチル;
h) アクリル酸。

17*。 ３．７ｇの重さの飽和一塩基性有機酸のサンプルを重炭酸ナトリウムの水溶液で中和した。 遊離ガスを石灰水に通すことにより、５．０ｇの沈殿物を得た。 どのような酸が採取され、放出されたガスの量はどれくらいでしょうか?

自然界のカルボン酸

カルボン酸は自然界に非常に一般的です。 それらは果物や植物に含まれています。 それらは針、汗、尿、イラクサ汁に含まれています。 ご存知のとおり、酸の大部分は臭いのあるエステルを形成することがわかりました。 したがって、人間の汗に含まれる乳酸の匂いが蚊を引き寄せるのですが、蚊はかなり離れた場所でもそれを感知します。 したがって、迷惑な蚊をどれだけ追い払おうとしても、蚊は自分の被害者であることをよく感じています。 人間の汗に加えて、乳酸はピクルスやザワークラウトにも含まれています。

そしてメスのサルはオスを誘引するために酢酸とプロピオン酸を分泌します。 犬の敏感な鼻は、濃度 10 ～ 18 g/cm3 の酪酸の匂いを嗅ぐことができます。

多くの植物種は酢酸と酪酸を生成できます。 そして、一部の雑草はこれを利用し、物質を放出することで競合相手を排除し、成長を抑制し、場合によっては枯死させます。

インディアンも酸を使用しました。 敵を倒すために、彼らは致命的な毒を矢に浸しましたが、その毒は酢酸の誘導体であることが判明しました。

ここで当然の疑問が生じます:酸は人間の健康に危険をもたらすのでしょうか? 結局のところ、自然界に広く存在し、スイバ、オレンジ、カラント、ラズベリーに含まれるシュウ酸は、何らかの理由で食品業界では用途が見つかりませんでした。 シュウ酸は酢酸の200倍も強く、食器を腐食させたり、シュウ酸の塩分が人体に蓄積して石を形成したりすることが判明した。

酸は人間の生活のあらゆる領域に広く応用されています。 これらは、医学、美容学、食品産業、農業、家庭のニーズに使用されています。

医療目的では、乳酸、酒石酸、アスコルビン酸などの有機酸が使用されます。 おそらく、皆さんは体を強化するためにビタミンCを使用しました - これはまさにアスコルビン酸です。 免疫システムを強化するだけでなく、発がん物質や毒素を体から除去する能力もあります。 乳酸は吸湿性が高いため、焼灼に使用されます。 しかし、酒石酸は、軽い下剤として、アルカリ中毒の解毒剤として、また輸血用の血漿を調製するために必要な成分として作用します。

しかし、美容処置のファンは、柑橘系の果物に含まれるフルーツ酸が肌に有益な効果をもたらし、深く浸透して肌の再生プロセスを促進できることを知っておく必要があります。 さらに、柑橘類の香りは神経系を強壮する効果があります。

クランベリーやリンゴンベリーなどのベリー類は、長期間保存されても新鮮なままであることに気づきましたか。 なぜなのかご存知ですか？ 優れた防腐剤である安息香酸が含まれていることがわかりました。

しかし、農業では、コハク酸は栽培植物の生産性を高めるために使用できるため、広く使用されています。 また、植物の成長を刺激し、発育を促進することもできます。

テーブル内 19.10 は、カルボン酸に関連するいくつかの有機化合物を示しています。 カルボン酸の特徴は、カルボン酸が存在することです。

表19.10 カルボン酸

(スキャンを参照)

機能グループ。 カルボキシル基は、カルボニル基とヒドロキシル基が結合したものです。 カルボキシル基を 1 つ持つ有機酸をモノカルボン酸といいます。 それらの体系名には接尾辞 -ov(aya) が付いています。 カルボキシル基を 2 つ持つ有機酸をジカルボン酸といいます。 それらの体系名には接尾辞 -diov(aya) が付いています。

飽和脂肪族モノカルボン酸は同族列を形成し、これは一般式によって特徴付けられます。 不飽和脂肪族ジカルボン酸は、さまざまな幾何異性体の形で存在する可能性があります (セクション 17.2 を参照)。

物理的特性

通常の状態では、飽和モノカルボン酸の同族系列の下位メンバーは、特徴的な刺激臭を持つ液体です。 たとえば、エタン酸（酢酸）には特有の「酢」のような臭いがあります。 無水酢酸は室温で液体です。 凍って氷酢酸と呼ばれる氷のような物質になります。

すべてのジカルボン酸を表に示します。 19.10、室温では白色の結晶物質です。 一連のモノカルボン酸およびジカルボン酸の下位メンバーは水に可溶です。 カルボン酸の溶解度は、相対分子量が増加するにつれて減少します。

液体状態および非水溶液では、モノカルボン酸の分子は分子間に水素結合が形成されるため二量体化します。

カルボン酸の水素結合はアルコールよりも強いです。 これは、水素原子からカルボニル酸素原子に向かって電子が引き抜かれるため、カルボキシル基の極性が高いことで説明されます。

その結果、カルボン酸は比較的高い沸点を持ちます(表19.11)。

表19.11 同様の相対分子量を持つ酢酸とアルコールの沸点

実験室での入手方法

モノカルボン酸は、過剰に摂取した重クロム酸カリウムの酸性溶液を使用して酸化することにより、第一級アルコールとアルデヒドから得ることができます。

モノカルボン酸とその塩は、ニトリルまたはアミドの加水分解によって得られます。

グリニャール試薬と二酸化炭素との反応によるカルボン酸の調製については、セクションで説明します。 19.1.

安息香酸は、メチルベンゼンのメチル側鎖を酸化することによって調製できます (セクション 18.2 を参照)。

さらに、安息香酸は、カニスカロ反応を使用してベンズアルデヒドから調製できます。 この反応では、ベンズアルデヒドを室温で 40 ～ 60% 水酸化ナトリウム溶液で処理します。 酸化と還元が同時に起こると、安息香酸が生成され、それに応じてフェニルメタノールが生成されます。

酸化

カニッツァーロ反応は、水素原子を持たないアルデヒドの特徴です。 これは、アルデヒド基に隣接する炭素原子に結合した水素原子に与えられた名前です。

メタナールには水素原子がないため、カニッツァーロ反応が起こります。 少なくとも 1 つの - 水素原子を含むアルデヒドは、水酸化ナトリウム溶液の存在下で酸触媒によるアルドール縮合を受けます (上記を参照)。

化学的特性

カルボキシル基にはカルボニル基が含まれていますが、カルボン酸はアルデヒドやケトンで起こる一部の反応を受けません。 たとえば、付加反応や縮合反応は起こりません。 これは、原子が

カルボキシル基の炭素は、アルデヒドまたはケト基よりも正電荷が低くなります。

酸度。 カルボキシル水素原子から電子密度を引き離すと、O-H 結合が弱まります。 その結果、カルボキシル基はプロトンを引き抜く（失う）ことができます。 したがって、モノカルボン酸は一塩基酸のように振る舞います。 これらの酸の水溶液では、次の平衡が確立されます。

カルボン酸イオンは、2 つの共鳴構造のハイブリッドと考えることができます。

それ以外の場合は次のように考えることができます

カルボン酸基の原子間の電子の非局在化により、カルボン酸イオンが安定化します。 したがって、カルボン酸はアルコールよりもはるかに酸性です。 ただし、カルボン酸分子の共有結合の性質により、上記の平衡は左に大きくシフトします。 したがって、カルボン酸は弱酸です。 たとえば、エタン酸 (酢酸) は酸性度定数によって特徴付けられます。

カルボン酸分子内に存在する置換基は、その誘起効果によりその酸性度に大きな影響を与えます。 塩素などの置換基は電子密度をそれ自体に引き寄せるため、負の誘導効果が生じ、カルボキシル水素原子から電子密度を引き出すと、カルボン酸の酸性度が増加します。 対照的に、アルキル基などの置換基は電子供与性を持ち、プラスの誘導効果を生み出し、カルボン酸を弱めます。

カルボン酸の酸性度に対する置換基の影響は、表に示した多くの酸の値に明確に現れています。 19.12.

表19.12 カルボン酸価

塩の形成。 カルボン酸は、通常の酸の特性をすべて備えています。 これらは反応性金属、塩基、アルカリ、炭酸塩および重炭酸塩と反応して、対応する塩を形成します(表19.13)。 この表に示されている反応は、可溶性カルボン酸と不溶性カルボン酸の両方の特徴です。

他の弱酸の塩と同様に、カルボン酸塩（カルボン酸の塩）は過剰に摂取した鉱酸と反応して、親カルボン酸を形成します。 たとえば、水酸化ナトリウムの溶液を不溶性の安息香酸の水懸濁液に添加すると、安息香酸ナトリウムの形成により酸が溶解します。 得られた溶液に硫酸を加えると、安息香酸が沈殿します。

表19.13 カルボン酸からの塩の形成

エステル化。 カルボン酸とアルコールの混合物を濃鉱酸の存在下で加熱すると、エステルが形成されます。 エステル化と呼ばれるこのプロセスでは、アルコール分子の分解が必要です。 可能性は 2 つあります。

1. アルコキシ水素の分解。 この場合、アルコールの酸素原子 (ヒドロキシル基から) が、得られるエーテルの分子に入ります。

2. アルキルヒドロキシルの切断。 このタイプの切断では、アルコールの酸素原子が水分子に入ります。

これらのケースのどれが具体的に実現されるかは、同位体 180 を含むアルコール (セクション 1.3 を参照) を使用してエステル化を実行することによって実験的に決定できます。 同位体タグを使用します。 質量分析法を使用して得られたエステルの相対分子量を測定すると、酸素 18 同位体タグがエステル中に存在するかどうかがわかります。 このようにして、第一級アルコールの関与によるエステル化が標識エステルの形成につながることが発見されました。

これは、検討中の反応中にメタノール分子がメトキシ水素分割を受けることを示しています。

ハロゲン化。 カルボン酸は五塩化リンおよび二塩化硫黄と反応し、対応する酸の酸塩化物を形成します。 例えば

塩化ベンゾイルと酸化三塩化リンはどちらも液体であり、互いに分離する必要があります。 したがって、カルボン酸の塩素化には、酸化二塩化硫黄を使用する方が便利です。これにより、液体カルボン酸塩化物からガス状の塩化水素と二酸化硫黄を簡単に除去できます。

赤リンやヨウ素などの触媒の存在下、太陽光の影響下で沸騰した酢酸に塩素を吹き込むことによって

モノクロロエタン酸 (モノクロロ酢酸) が生成されます。

さらに塩素化すると、二置換および三置換生成物が生成されます。

回復。 乾燥ジエチルエーテル中でリチウムと反応させると、カルボン酸を対応するアルコールに還元できます。 まず、アルコキシド中間体が形成され、その加水分解によりアルコールが生成されます。

カルボン酸は、多くの一般的な還元剤では還元されません。 これらの酸をすぐに対応するアルデヒドに還元することはできません。

酸化。 メタン (ギ酸) とエタン酸 (酢酸) を除いて、他のカルボン酸は酸化しにくいです。 ギ酸とその塩（ギ酸塩）は過マンガン酸カリウムで酸化されます。 ギ酸はフェーリング試薬を還元することができ、硝酸銀のアンモニア水溶液と混合して加熱すると「銀鏡」を形成します。 ギ酸が酸化されると、二酸化炭素と水が生成されます。

エタン二酸 (シュウ酸) 酸も過マンガン酸カリウムによって酸化され、二酸化炭素と水が生成されます。

脱水。 ある種の脱水剤 (酸化物など) を使用してカルボン酸を蒸留すると、2 つの酸分子から水分子が分離し、カルボン酸無水物が形成されます。

この場合、ギ酸とシュウ酸は例外です。 ギ酸またはそのカリウムまたはナトリウム塩を濃硫酸で脱水すると、一酸化炭素が生成され、

メタン酸ナトリウム（ギ酸塩）を濃硫酸で脱水することは、実験室で一酸化炭素を生成する一般的な方法です。 シュウ酸を熱濃硫酸で脱水すると、一酸化炭素と二酸化炭素の混合物が生成されます。

カルボン酸塩

カルボン酸のナトリウム塩およびカリウム塩は白色の結晶性物質です。 これらは水に容易に溶解し、強力な電解質を形成します。

水とメタノールの混合物に溶解したカルボン酸ナトリウム塩またはカルボン酸カリウム塩を電気分解すると、アノードでアルカンと二酸化炭素が生成され、カソードで水素が生成されます。

陽極では：

カソードでは:

アルカンを生成するこの方法は、電気化学的コルベ合成と呼ばれます。

アルカンの形成は、カルボン酸ナトリウムまたはカルボン酸カリウムと水酸化ナトリウムまたはソーダ石灰の混合物を加熱するときにも発生します。 (ソーダ石灰は水酸化ナトリウムと水酸化カルシウムの混合物です。)この方法は、たとえば実験室でメタンを生成するために使用されます。

芳香族カルボン酸ナトリウムまたはカリウムは、同様の条件下でアレーンを形成します。

カルボン酸ナトリウムと酸塩化物の混合物を加熱すると、対応するカルボン酸の無水物が形成されます。

カルボン酸カルシウムも白色の結晶性物質であり、一般に水に可溶です。 加熱すると形成されます。

対応するケトンの収率が低い：

カルボン酸カルシウムとギ酸カルシウムの混合物を加熱すると、アルデヒドが形成されます。

カルボン酸のアンモニウム塩も水に溶ける白色の結晶性物質です。 強く加熱すると、対応するアミドが形成されます。