Właściwości chemiczne kwasów karboksylowych i metody ich otrzymywania. Przygotowanie do jednolitego egzaminu państwowego z chemii

DEFINICJA

Nazywa się substancje organiczne, których cząsteczki zawierają jedną lub więcej grup karboksylowych połączonych z rodnikiem węglowodorowym kwasy karboksylowe.

Pierwsi trzej członkowie homologicznej serii kwasów karboksylowych, w tym kwas propionowy, to ciecze o ostrym zapachu i dobrze rozpuszczalne w wodzie. Poniższe homologi, zaczynając od kwasu masłowego, to także ciecze, które mają silny nieprzyjemny zapach, ale są słabo rozpuszczalne w wodzie. Kwasy wyższe, o liczbie atomów węgla 10 i więcej, są stałe, bezwonne, nierozpuszczalne w wodzie. Ogólnie rzecz biorąc, w szeregu homologów wraz ze wzrostem masy cząsteczkowej zmniejsza się rozpuszczalność w wodzie, maleje gęstość i wzrasta temperatura wrzenia (tabela 1).

Tabela 1. Szeregi homologiczne kwasów karboksylowych.

Wytwarzanie kwasów karboksylowych

Kwasy karboksylowe otrzymuje się przez utlenianie nasyconych węglowodorów, alkoholi i aldehydów. Na przykład kwas octowy - poprzez utlenienie etanolu roztworem nadmanganianu potasu w kwaśnym środowisku po podgrzaniu:

Właściwości chemiczne kwasów karboksylowych

Właściwości chemiczne kwasów karboksylowych zależą przede wszystkim od specyfiki ich struktury. Zatem kwasy rozpuszczalne w wodzie mogą dysocjować na jony:

R-COOH↔R-COO - + H + .

Ze względu na obecność jonów H+ w wodzie mają kwaśny smak, potrafią zmieniać kolor wskaźników i przewodzić prąd elektryczny. W roztworze wodnym kwasy te są słabymi elektrolitami.

Kwasy karboksylowe mają właściwości chemiczne charakterystyczne dla roztworów kwasów nieorganicznych, tj. oddziałują z metalami (1), ich tlenkami (2), wodorotlenkami (3) i słabymi solami (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).

Specyficzną właściwością nasyconych i nienasyconych kwasów karboksylowych, objawiającą się grupą funkcyjną, jest oddziaływanie z alkoholami.

Kwasy karboksylowe reagują z alkoholami po podgrzaniu i w obecności stężonego kwasu siarkowego. Na przykład, jeśli do kwasu octowego doda się alkohol etylowy i odrobinę kwasu siarkowego, wówczas po podgrzaniu pojawia się zapach kwasu etylooctowego (octanu etylu):

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

Specyficzną właściwością nasyconych kwasów karboksylowych, objawiającą się rodnikiem, jest reakcja halogenowania (chlorowania).

Zastosowanie kwasów karboksylowych

Kwasy karboksylowe służą jako surowiec do produkcji ketonów, halogenków kwasowych, estrów winylowych i innych ważnych klas związków organicznych.

Kwas mrówkowy jest szeroko stosowany do otrzymywania estrów, stosowany w przemyśle perfumeryjnym, skórzanym (garbowanie skór), w przemyśle tekstylnym (jako zaprawa do barwienia), jako rozpuszczalnik i środek konserwujący.

Wodny roztwór (70-80%) kwasu octowego nazywany jest esencją octową, a 3-9% roztwór wodny nazywany jest octem stołowym. Esencję często wykorzystuje się do uzyskania octu w domu poprzez rozcieńczenie.

Przykłady rozwiązywania problemów

PRZYKŁAD 1

PRZYKŁAD 2

Kwasy karboksylowe- substancje organiczne, których cząsteczki zawierają jedną lub więcej grup karboksylowych.

Grupa karboksylowa (w skrócie COOH) jest grupą funkcyjną kwasów karboksylowych składającą się z grupy karbonylowej i związanej z nią grupy hydroksylowej.

W zależności od liczby grup karboksylowych kwasy karboksylowe dzielą się na jednozasadowe, dwuzasadowe itp.

Ogólny wzór jednozasadowych kwasów karboksylowych to R-COOH. Przykładem kwasu dwuzasadowego jest kwas szczawiowy HOOC-COOH.

W zależności od rodzaju rodnika kwasy karboksylowe dzielą się na nasycone (na przykład kwas octowy CH 3 COOH), nienasycone [na przykład kwas akrylowy CH 2 = CH – COOH, kwas oleinowy CH 3 – (CH 2) 7 – CH =CH-(CH2)7-COOH] i aromatyczny (na przykład benzoesowy C6H5-COOH).

Izomery i homologi

Jednozasadowe nasycone kwasy karboksylowe R-COOH to izomery estrów (w skrócie R”-COOR”) o tej samej liczbie atomów węgla. Ogólny wzór obu to C N H 2 N O2.

Algorytm tworzenia nazw kwasów karboksylowych

1. Znajdź szkielet węglowy - jest to najdłuższy łańcuch atomów węgla, w tym atom węgla grupy karboksylowej.
2. Ponumeruj atomy węgla w głównym łańcuchu, zaczynając od karboksylowego atomu węgla.
3. Nazwij związek, korzystając z algorytmu dla węglowodorów.
4. Na końcu nazwy dodaj przyrostek „-ov”, końcówkę „-aya” i słowo „acid”.

W cząsteczkach kwasów karboksylowych P-elektrony atomów tlenu grupy hydroksylowej oddziałują z elektronami wiązania - grupy karbonylowej, w wyniku czego zwiększa się polarność wiązania O-H, wiązanie - w grupie karbonylowej wzmacnia się, ładunek cząstkowy (+) na atomie węgla maleje, a ładunek cząstkowy (+) na atomie wodoru rośnie.

Ten ostatni sprzyja tworzeniu silnych wiązań wodorowych pomiędzy cząsteczkami kwasu karboksylowego.

Właściwości fizyczne nasyconych jednozasadowych kwasów karboksylowych wynikają w dużej mierze z obecności silnych wiązań wodorowych między cząsteczkami (silniejszych niż między cząsteczkami alkoholu). Dlatego temperatury wrzenia i rozpuszczalność kwasów w wodzie są wyższe niż odpowiednich alkoholi.

Właściwości chemiczne kwasów

Wzmocnienie wiązania - w grupie karbonylowej prowadzi do tego, że reakcje addycji są nietypowe dla kwasów karboksylowych.

1. Spalanie:
   

   CH3COOH + 2O 2 2CO 2 + 2H 2 O

2. Właściwości kwasowe.
   Ze względu na dużą polarność wiązania O-H kwasy karboksylowe w roztworze wodnym zauważalnie dysocjują (a dokładniej reagują z nim odwracalnie):

   HCOOH HCOO - + H + (dokładniej HCOOH + H 2 O HCOO - + H 3 O +)

   
   Wszystkie kwasy karboksylowe są słabymi elektrolitami. Wraz ze wzrostem liczby atomów węgla zmniejsza się siła kwasów (z powodu zmniejszenia polarności wiązania OH); wręcz przeciwnie, wprowadzenie atomów halogenu do rodnika węglowodorowego prowadzi do wzrostu mocy kwasu. Tak, z rzędu

   HCOOH CH3COOH C2H5COOH

   
   siła kwasów maleje i szeregowo

   Wzrastający.

   Kwasy karboksylowe wykazują wszystkie właściwości właściwe słabym kwasom:

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

3. Estryfikacja (reakcja kwasów karboksylowych z alkoholami prowadząca do powstania estru):
   
   Alkohole wielowodorotlenowe, takie jak glicerol, mogą również brać udział w reakcji estryfikacji. Estry utworzone przez glicerol i wyższe kwasy karboksylowe (kwasy tłuszczowe) są tłuszczami.

   Tłuszcze są mieszaninami trójglicerydów. Nasycone kwasy tłuszczowe (palmitynowy C 15 H 31 COOH, stearynowy C 17 H 35 COOH) tworzą stałe tłuszcze pochodzenia zwierzęcego, a nienasycone kwasy tłuszczowe (oleinowy C 17 H 33 COOH, linolowy C 17 H 31 COOH itp.) tworzą tłuszcze płynne (oleje) pochodzenia roślinnego.

4. Podstawienie w rodniku węglowodorowym:
   
   Podstawienie następuje w pozycji -.

   Osobliwością kwasu mrówkowego HCOOH jest to, że substancja ta jest związkiem dwufunkcyjnym; jest to zarówno kwas karboksylowy, jak i aldehyd:
   
   Dlatego kwas mrówkowy reaguje między innymi z amoniakalnym roztworem tlenku srebra (reakcja srebrnego lustra; reakcja jakościowa):
   

   HCOOH + Ag 2 O (roztwór amoniaku) CO 2 + H 2 O + 2Ag

Wytwarzanie kwasów karboksylowych

.
O

//
Grupa atomów -C nazywana jest grupą karboksylową lub karboksylową.
\

OH
Kwasy organiczne zawierające w cząsteczce jedną grupę karboksylową są kwasami jednozasadowymi. Ogólny wzór tych kwasów to RCOOH.

Kwasy karboksylowe zawierające dwie grupy karboksylowe nazywane są dwuzasadowymi. Należą do nich na przykład kwas szczawiowy i bursztynowy.

Istnieją również wielozasadowe kwasy karboksylowe zawierające więcej niż dwie grupy karboksylowe. Należą do nich na przykład trójzasadowy kwas cytrynowy. W zależności od charakteru rodnika węglowodorowego kwasy karboksylowe dzielą się na nasycone, nienasycone i aromatyczne.

Nasyconymi lub nasyconymi kwasami karboksylowymi są na przykład kwas propionowy (propionowy) lub znany już kwas bursztynowy.

Oczywiście nasycone kwasy karboksylowe nie zawierają P-wiązania w rodniku węglowodorowym.

W cząsteczkach nienasyconych kwasów karboksylowych grupa karboksylowa jest połączona z nienasyconym, nienasyconym rodnikiem węglowodorowym, np. w cząsteczkach kwasu akrylowego (propenowego) CH2=CH-COOH lub oleinowego CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2) 7-COOH i inne kwasy.

Jak widać ze wzoru kwasu benzoesowego, jest on aromatyczny, ponieważ zawiera w cząsteczce pierścień aromatyczny (benzen).

Nazewnictwo i izomeria

Rozważaliśmy już ogólne zasady tworzenia nazw kwasów karboksylowych, a także innych związków organicznych. Rozważmy bardziej szczegółowo nomenklaturę jedno- i dwuzasadowych kwasów karboksylowych. Nazwę kwasu karboksylowego tworzy się z nazwy odpowiedniego alkanu (alkanu o tej samej liczbie atomów węgla w cząsteczce) z dodatkiem przyrostka -ov, końcówki -aya i słowa kwas. Numeracja atomów węgla zaczyna się od grupy karboksylowej. Na przykład:

Wiele kwasów ma również historycznie ustalone lub trywialne nazwy (Tabela 6).

Po naszym pierwszym zapoznaniu się z różnorodnym i interesującym światem kwasów organicznych rozważymy bardziej szczegółowo nasycone jednozasadowe kwasy karboksylowe.

Oczywiste jest, że skład tych kwasów będzie odzwierciedlony ogólnym wzorem C n H 2n O2 lub C n H 2n +1 COOH lub RCOOH.

Właściwości fizyczne nasyconych jednozasadowych kwasów karboksylowych

Niższe kwasy, czyli kwasy o stosunkowo małej masie cząsteczkowej, zawierające do czterech atomów węgla w cząsteczce, to ciecze o charakterystycznym ostrym zapachu (pamiętajcie zapach kwasu octowego). Kwasy zawierające od 4 do 9 atomów węgla są lepkimi oleistymi cieczami o nieprzyjemnym zapachu; zawierające więcej niż 9 atomów węgla w cząsteczce - ciała stałe, które nie rozpuszczają się w wodzie. Temperatury wrzenia nasyconych jednozasadowych kwasów karboksylowych rosną wraz ze wzrostem liczby atomów węgla w cząsteczce, a co za tym idzie ze wzrostem względnej masy cząsteczkowej. Na przykład temperatura wrzenia kwasu mrówkowego wynosi 101°C, kwasu octowego 118°C, a kwasu propionowego 141°C.

Najprostszy kwas karboksylowy, mrówkowy HCOOH, mający małą względną masę cząsteczkową (46), w normalnych warunkach jest cieczą o temperaturze wrzenia 100,8 °C. Jednocześnie butan (MR(C4H10) = 58) w tych samych warunkach jest gazem i ma temperaturę wrzenia -0,5°C. Tę rozbieżność między temperaturami wrzenia a względnymi masami cząsteczkowymi wyjaśnia się tworzeniem dimerów kwasów karboksylowych, w których dwie cząsteczki kwasu są połączone dwoma wiązaniami wodorowymi. Występowanie wiązań wodorowych staje się jasne, gdy weźmiemy pod uwagę strukturę cząsteczek kwasu karboksylowego.

Cząsteczki nasyconych jednozasadowych kwasów karboksylowych zawierają polarną grupę atomów - karboksylową (zastanów się, co powoduje polarność tej grupy funkcyjnej) i praktycznie niepolarny rodnik węglowodorowy. Grupa karboksylowa jest przyciągana do cząsteczek wody, tworząc z nimi wiązania wodorowe.

Kwas mrówkowy i octowy są nieograniczenie rozpuszczalne w wodzie. Oczywiste jest, że wraz ze wzrostem liczby atomów rodnika węglowodorowego zmniejsza się rozpuszczalność kwasów karboksylowych.

Znając skład i strukturę cząsteczek kwasu karboksylowego, nie będzie nam trudno zrozumieć i wyjaśnić właściwości chemiczne tych substancji.

Właściwości chemiczne

Ogólne właściwości charakterystyczne dla klasy kwasów (zarówno organicznych, jak i nieorganicznych) wynikają z obecności w cząsteczkach grupy hydroksylowej zawierającej silnie polarne wiązanie pomiędzy atomami wodoru i tlenu. Te właściwości są Ci dobrze znane. Rozważmy je ponownie na przykładzie rozpuszczalnych w wodzie kwasów organicznych.

1. Dysocjacja z utworzeniem kationów wodoru i anionów reszty kwasowej. Dokładniej proces ten opisuje równanie uwzględniające udział w nim cząsteczek wody.

Równowaga dysocjacji kwasów karboksylowych jest przesunięta w lewo, zdecydowana większość z nich to słabe elektrolity. Niemniej jednak kwaśny smak na przykład kwasu mrówkowego i octowego można wytłumaczyć dysocjacją reszt kwasowych na kationy wodoru i aniony.

Jest oczywiste, że obecność „kwaśnego” wodoru w cząsteczkach kwasów karboksylowych, czyli wodoru grupy karboksylowej, determinuje także inne charakterystyczne właściwości.

2. Oddziaływanie z metalami w zakresie napięć elektrochemicznych do wodoru. W ten sposób żelazo redukuje wodór z kwasu octowego:

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

3. Oddziaływanie z zasadowymi tlenkami, tworząc sól i wodę:

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

4. Reakcja z wodorotlenkami metali z wytworzeniem soli i wody (reakcja neutralizacji):

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

5. Oddziaływanie z solami słabszych kwasów, z powstawaniem tych ostatnich. Zatem kwas octowy wypiera kwas stearynowy ze stearynianu sodu i kwas węglowy z węglanu potasu.

6. Oddziaływanie kwasów karboksylowych z alkoholami w celu utworzenia estrów to znana już reakcja estryfikacji (jedna z najważniejszych reakcji charakterystycznych dla kwasów karboksylowych). Oddziaływanie kwasów karboksylowych z alkoholami jest katalizowane przez kationy wodoru.

Reakcja estryfikacji jest odwracalna. Równowaga przesuwa się w stronę tworzenia estru w obecności środków odwadniających i usuwania estru z mieszaniny reakcyjnej.

W odwrotnej reakcji estryfikacji, zwanej hydrolizą estrów (reakcja estru z wodą), powstaje kwas i alkohol. Jest oczywiste, że alkohole wielowodorotlenowe, na przykład glicerol, mogą również reagować z kwasami karboksylowymi, czyli wchodzić w reakcję estryfikacji:

Wszystkie kwasy karboksylowe (z wyjątkiem kwasu mrówkowego) wraz z grupą karboksylową zawierają w swoich cząsteczkach resztę węglowodorową. Oczywiście nie może to nie wpłynąć na właściwości kwasów, które są określone przez charakter reszty węglowodorowej.

7. Reakcje addycji przy wiązaniu wielokrotnym - wchodzą do nich nienasycone kwasy karboksylowe; na przykład reakcją dodawania wodoru jest uwodornienie. Podczas uwodornienia kwasu oleinowego powstaje nasycony kwas stearynowy.

Nienasycone kwasy karboksylowe, podobnie jak inne związki nienasycone, dodają halogeny poprzez podwójne wiązanie. Na przykład kwas akrylowy odbarwia wodę bromową.

8. Reakcje podstawienia (halogenami) - mogą do niego wchodzić nasycone kwasy karboksylowe; na przykład w reakcji kwasu octowego z chlorem można otrzymać różne chlorowane kwasy:

Podczas halogenowania kwasów karboksylowych zawierających więcej niż jeden atom węgla w reszcie węglowodorowej możliwe jest tworzenie produktów o różnych pozycjach halogenu w cząsteczce. Gdy reakcja zachodzi poprzez mechanizm wolnorodnikowy, dowolne atomy wodoru w reszcie węglowodorowej można zastąpić. Jeżeli reakcję prowadzi się w obecności niewielkich ilości czerwonego fosforu, wówczas przebiega ona selektywnie – wodór zastępuje się jedynie w A-pozycja (przy atomie węgla najbliższym grupie funkcyjnej) w cząsteczce kwasu. Powody tej selektywności poznasz studiując chemię na uczelni wyższej.

Kwasy karboksylowe tworzą różne pochodne funkcjonalne podczas zastąpienia grupy hydroksylowej. Kiedy te pochodne ulegają hydrolizie, ponownie tworzy się kwas karboksylowy.

Chlorek kwasu karboksylowego można otrzymać w reakcji chlorku fosforu(III) lub chlorku tionylu (SOCl2) z kwasem. Bezwodniki kwasów karboksylowych wytwarza się w reakcji bezwodników chloru z solami kwasów karboksylowych. Estry powstają w wyniku estryfikacji kwasów karboksylowych alkoholami. Estryfikacja jest katalizowana przez kwasy nieorganiczne.

Reakcję tę inicjuje protonowanie grupy karboksylowej – oddziaływanie kationu wodoru (protonu) z wolną parą elektronów atomu tlenu. Protonowanie grupy karboksylowej pociąga za sobą wzrost ładunku dodatniego na znajdującym się w niej atomie węgla:

Metody uzyskiwania

Kwasy karboksylowe można otrzymać przez utlenianie pierwszorzędowych alkoholi i aldehydów.

Aromatyczne kwasy karboksylowe powstają w wyniku utleniania homologów benzenu.

Hydroliza różnych pochodnych kwasów karboksylowych powoduje również powstawanie kwasów. Zatem hydroliza estru daje alkohol i kwas karboksylowy. Jak wspomniano powyżej, katalizowane kwasem reakcje estryfikacji i hydrolizy są odwracalne. Hydroliza estru pod wpływem wodnego roztworu zasady przebiega nieodwracalnie, w tym przypadku z estru powstaje nie kwas, ale jego sól. Podczas hydrolizy nitryli najpierw tworzą się amidy, które następnie przekształcają się w kwasy. Kwasy karboksylowe powstają w wyniku oddziaływania organicznych związków magnezu z tlenkiem węgla (IV).

Poszczególni przedstawiciele kwasów karboksylowych i ich znaczenie

Kwas mrówkowy (metanowy) HCOOH jest cieczą o ostrym zapachu i temperaturze wrzenia 100,8°C, dobrze rozpuszczalną w wodzie. Kwas mrówkowy jest trujący i powoduje oparzenia w przypadku kontaktu ze skórą! Kwas ten zawiera parzący płyn wydzielany przez mrówki. Kwas mrówkowy ma właściwości dezynfekujące, dlatego znajduje zastosowanie w przemyśle spożywczym, skórzanym, farmaceutycznym i medycynie. Stosowany jest także do barwienia tkanin i papieru.

Kwas octowy (etanowy) CH3COOH jest bezbarwną cieczą o charakterystycznym ostrym zapachu, mieszalną z wodą w dowolnym stosunku. Wodne roztwory kwasu octowego sprzedawane są pod nazwą ocet (roztwór 3-5%) i esencja octowa (roztwór 70-80%) i znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle spożywczym. Kwas octowy jest dobrym rozpuszczalnikiem wielu substancji organicznych i dlatego jest stosowany w farbiarstwie, garbarstwie oraz w przemyśle farb i lakierów. Ponadto kwas octowy jest surowcem do produkcji wielu ważnych technicznie związków organicznych: pozyskuje się z niego m.in. substancje stosowane do zwalczania chwastów – herbicydy.

Kwas octowy jest głównym składnikiem octu winnego, któremu zawdzięcza charakterystyczny zapach. Jest produktem utleniania etanolu i powstaje z niego podczas przechowywania wina w powietrzu.

Najważniejszymi przedstawicielami wyższych nasyconych kwasów jednozasadowych są kwasy palmitynowy C15H31COOH i stearynowy C17H35COOH. W przeciwieństwie do niższych kwasów, substancje te są stałe i słabo rozpuszczalne w wodzie.

Jednak ich sole – stearyniany i palmityniany – są dobrze rozpuszczalne i mają działanie detergentowe, dlatego nazywane są również mydłami. Wiadomo, że substancje te produkowane są na dużą skalę.

Spośród nienasyconych wyższych kwasów karboksylowych największe znaczenie ma kwas oleinowy C17H33COOH, czyli (CH2)7COOH. Jest to ciecz przypominająca olej, bez smaku i zapachu. Jego sole znajdują szerokie zastosowanie w technice.

Najprostszym przedstawicielem dwuzasadowych kwasów karboksylowych jest kwas szczawiowy (etanodiowy) HOOC-COOH, którego sole występują w wielu roślinach, na przykład szczawiu i szczawiu. Kwas szczawiowy jest bezbarwną substancją krystaliczną, dobrze rozpuszczalną w wodzie. Stosowany jest do polerowania metali, w przemyśle drzewnym i skórzanym.

1. Nienasycony kwas elaidynowy C17H33COOH jest izomerem trans kwasu oleinowego. Zapisz wzór strukturalny tej substancji.

2. Napisz równanie reakcji uwodornienia kwasu oleinowego. Nazwij produkt tej reakcji.

3. Napisz równanie reakcji spalania kwasu stearynowego. Jaka objętość tlenu i powietrza (nie dotyczy) będzie potrzebna do spalenia 568 g kwasu stearynowego?

4. Mieszanka stałych kwasów tłuszczowych - palmitynowego i stearynowego - nazywa się stearyną (z tego powstają czopki stearynowe). Jaka objętość powietrza (nie dotyczy) będzie potrzebna do spalenia dwustugramowej świecy stearynowej, jeśli stearyna zawiera równe masy kwasu palmitynowego i stearynowego? Jaka objętość dwutlenku węgla (n.o.) i masa wody powstają w tym przypadku?

5. Rozwiąż poprzednie zadanie pod warunkiem, że świeca zawiera równe ilości (tą samą liczbę moli) kwasu stearynowego i palmitynowego.

6. Aby usunąć plamy rdzy, potraktuj je roztworem kwasu octowego. Ułóż równania molekularne i jonowe dla reakcji zachodzących w tym przypadku, biorąc pod uwagę, że rdza zawiera tlenek i wodorotlenek żelaza(III) - Fe2O3 i Fe(OH)3. Dlaczego takich plam nie można usunąć wodą? Dlaczego znikają po potraktowaniu roztworem kwasu?

7. Sodę oczyszczoną NaHC03 dodaną do ciasta bezdrożdżowego najpierw „gasi się” kwasem octowym. Wykonaj tę reakcję w domu i napisz jej równanie, wiedząc, że kwas węglowy jest słabszy od kwasu octowego. Wyjaśnij powstawanie piany.

8. Wiedząc, że chlor jest bardziej elektroujemny niż węgiel, uporządkuj kwasy: octowy, propionowy, chlorooctowy, dichlorooctowy i trichlorooctowy według rosnących właściwości kwasowych. Uzasadnij swój wynik.

9. Jak możemy wyjaśnić, że kwas mrówkowy reaguje w reakcji „srebrnego lustra”? Napisz równanie tej reakcji. Jaki gaz może zostać uwolniony w tym przypadku?

10. Gdy 3 g nasyconego jednozasadowego kwasu karboksylowego przereagowało z nadmiarem magnezu, uwolniło się 560 ml (n.s.) wodoru. Określ wzór kwasu.

11. Podaj równania reakcji, którymi można opisać właściwości chemiczne kwasu octowego. Nazwij produkty tych reakcji.

12. Zaproponuj prostą metodę laboratoryjną, dzięki której można rozpoznać kwas propanowy i akrylowy.

13. Napisz równanie reakcji wytwarzania mrówczanu metylu – estru metanolu i kwasu mrówkowego. W jakich warunkach należy przeprowadzić tę reakcję?

14. Utwórz wzory strukturalne substancji o składzie C3H602. Na jakie klasy substancji można je podzielić? Podaj równania reakcji charakterystyczne dla każdego z nich.

15. Substancja A – izomer kwasu octowego – jest nierozpuszczalna w wodzie, ale może ulegać hydrolizie. Jaki jest wzór strukturalny substancji A? Nazwij produkty jego hydrolizy.

16. Ułóż wzory strukturalne następujących substancji:

a) octan metylu;
b) kwas szczawiowy;
c) kwas mrówkowy;
d) kwas dichlorooctowy;
e) octan magnezu;
f) octan etylu;
g) mrówczan etylu;
h) kwas akrylowy.

17*. Próbkę nasyconego jednozasadowego kwasu organicznego o masie 3,7 g zobojętniono wodnym roztworem wodorowęglanu sodu. Po przepuszczeniu wydzielonego gazu przez wodę wapienną otrzymano 5,0 g osadu. Jaki kwas został pobrany i jaka objętość wydzielonego gazu?

Kwasy karboksylowe w przyrodzie

Kwasy karboksylowe są bardzo powszechne w przyrodzie. Występują w owocach i roślinach. Występują w igłach, pocie, moczu i soku z pokrzywy. Wiesz, okazuje się, że większość kwasów tworzy estry, które mają zapach. Tym samym zapach kwasu mlekowego zawarty w ludzkim pocie przyciąga komary, które wyczuwają je z dość dużej odległości. Dlatego bez względu na to, jak bardzo będziesz próbował odeprzeć irytującego komara, nadal dobrze czuje swoją ofiarę. Oprócz ludzkiego potu kwas mlekowy znajduje się w piklach i kiszonej kapuście.

A samice małp, aby zwabić samca, wydzielają kwas octowy i propionowy. Wrażliwy nos psa wyczuwa kwas masłowy, którego stężenie wynosi 10–18 g/cm3.

Wiele gatunków roślin jest zdolnych do wytwarzania kwasu octowego i masłowego. Niektóre chwasty wykorzystują to i uwalniając substancje, eliminują swoich konkurentów, hamując ich wzrost, a czasami powodując ich śmierć.

Indianie również używali kwasu. Aby zniszczyć wroga, namoczyli strzały śmiercionośną trucizną, która okazała się pochodną kwasu octowego.

I tu pojawia się naturalne pytanie: czy kwasy stanowią zagrożenie dla zdrowia człowieka? Przecież kwas szczawiowy, który jest szeroko rozpowszechniony w przyrodzie i występuje w szczawiu, pomarańczach, porzeczkach i malinach, z jakiegoś powodu nie znalazł zastosowania w przemyśle spożywczym. Okazuje się, że kwas szczawiowy jest dwieście razy silniejszy od kwasu octowego i może nawet powodować korozję naczyń, a jego sole gromadząc się w organizmie człowieka tworzą kamienie.

Kwasy znalazły szerokie zastosowanie we wszystkich sferach życia człowieka. Znajdują zastosowanie w medycynie, kosmetyce, przemyśle spożywczym, rolnictwie oraz na potrzeby gospodarstwa domowego.

Do celów medycznych stosuje się kwasy organiczne, takie jak mlekowy, winowy i askorbinowy. Zapewne każdy z Was stosował witaminę C na wzmocnienie organizmu – jest to właśnie kwas askorbinowy. Nie tylko pomaga wzmocnić układ odpornościowy, ale także ma zdolność usuwania substancji rakotwórczych i toksyn z organizmu. Do kauteryzacji stosuje się kwas mlekowy, ponieważ jest wysoce higroskopijny. Ale kwas winowy działa jako łagodny środek przeczyszczający, jako antidotum na zatrucie alkaliami i jako składnik niezbędny do przygotowania osocza do transfuzji krwi.

Ale miłośnicy zabiegów kosmetycznych powinni wiedzieć, że kwasy owocowe zawarte w owocach cytrusowych korzystnie wpływają na skórę, gdyż wnikając w głąb, mogą przyspieszyć proces odnowy skóry. Ponadto zapach owoców cytrusowych działa tonizująco na układ nerwowy.

Czy zauważyłeś, że jagody takie jak żurawina i borówka amerykańska są przechowywane przez długi czas i pozostają świeże. Wiesz dlaczego? Okazuje się, że zawierają kwas benzoesowy, który jest doskonałym konserwantem.

Ale w rolnictwie kwas bursztynowy znalazł szerokie zastosowanie, ponieważ można go wykorzystać do zwiększenia produktywności roślin uprawnych. Może także stymulować wzrost roślin i przyspieszać ich rozwój.

W tabeli 19.10 pokazuje niektóre związki organiczne związane z kwasami karboksylowymi. Charakterystyczną cechą kwasów karboksylowych jest obecność w nich kwasu karboksylowego.

Tabela 19.10. Kwasy karboksylowe

(patrz skan)

Grupa funkcyjna. Grupa karboksylowa składa się z grupy karbonylowej związanej z grupą hydroksylową. Kwasy organiczne z jedną grupą karboksylową nazywane są kwasami monokarboksylowymi. Ich nazwy systematyczne mają przyrostek -ov(aya). Kwasy organiczne z dwiema grupami karboksylowymi nazywane są kwasami dikarboksylowymi. Ich nazwy systematyczne mają przyrostek -diov(aya).

Nasycone alifatyczne kwasy monokarboksylowe tworzą szereg homologiczny, który charakteryzuje się wzorem ogólnym. Nienasycone alifatyczne kwasy dikarboksylowe mogą występować w postaci różnych izomerów geometrycznych (patrz sekcja 17.2).

Właściwości fizyczne

Niżsi członkowie homologicznej serii nasyconych kwasów monokarboksylowych w normalnych warunkach to ciecze o charakterystycznym ostrym zapachu. Na przykład kwas etanowy (octowy) ma charakterystyczny zapach „octu”. Bezwodny kwas octowy jest cieczą w temperaturze pokojowej. Zamarza, tworząc lodowatą substancję zwaną lodowatym kwasem octowym.

Wszystkie kwasy dikarboksylowe wymienione w tabeli. 19.10, w temperaturze pokojowej są to białe substancje krystaliczne. Dolne człony szeregu kwasów monokarboksylowych i dikarboksylowych są rozpuszczalne w wodzie. Rozpuszczalność kwasów karboksylowych zmniejsza się wraz ze wzrostem ich względnej masy cząsteczkowej.

W stanie ciekłym i w roztworach niewodnych cząsteczki kwasów monokarboksylowych dimeryzują w wyniku tworzenia się między nimi wiązań wodorowych:

Wiązanie wodorowe w kwasach karboksylowych jest silniejsze niż w alkoholach. Wyjaśnia to wysoka polarność grupy karboksylowej, wynikająca z wycofania elektronów z atomu wodoru w kierunku karbonylowego atomu tlenu:

W rezultacie kwasy karboksylowe mają stosunkowo wysokie temperatury wrzenia (tabela 19.11).

Tabela 19.11. Temperatury wrzenia kwasu octowego i alkoholi o podobnych względnych masach cząsteczkowych

Laboratoryjne metody otrzymywania

Kwasy monokarboksylowe można otrzymać z pierwszorzędowych alkoholi i aldehydów poprzez utlenianie zakwaszonym roztworem dwuchromianu potasu w nadmiarze:

Kwasy monokarboksylowe i ich sole można otrzymać przez hydrolizę nitryli lub amidów:

Wytwarzanie kwasów karboksylowych w reakcji z odczynnikami Grignarda i dwutlenkiem węgla opisano w rozdziale. 19.1.

Kwas benzoesowy można wytworzyć przez utlenienie bocznego łańcucha metylowego metylobenzenu (patrz sekcja 18.2).

Dodatkowo kwas benzoesowy można wytworzyć z benzaldehydu w reakcji Cannischaro. W tej reakcji benzaldehyd traktuje się 40-60% roztworem wodorotlenku sodu w temperaturze pokojowej. Jednoczesne utlenianie i redukcja prowadzi do powstania kwasu benzoesowego i odpowiednio fenylometanolu:

Utlenianie

Reakcja Cannizzaro jest charakterystyczna dla aldehydów, które nie mają atomów wodoru. Jest to nazwa nadana atomom wodoru przyłączonym do atomu węgla sąsiadującego z grupą aldehydową:

Ponieważ metanal nie posiada atomów wodoru, może ulegać reakcji Cannizzaro. Aldehydy zawierające co najmniej jeden atom wodoru ulegają katalizowanej kwasem kondensacji aldolowej w obecności roztworu wodorotlenku sodu (patrz wyżej).

Właściwości chemiczne

Chociaż grupa karboksylowa zawiera grupę karbonylową, kwasy karboksylowe nie podlegają niektórym reakcjom zachodzącym z aldehydami i ketonami. Na przykład nie ulegają reakcjom addycji ani kondensacji. Wyjaśnia to fakt, że atom

węgiel w grupie karboksylowej ma mniejszy ładunek dodatni niż w grupie aldehydowej lub ketonowej.

Kwasowość. Odciągnięcie gęstości elektronów od karboksylowego atomu wodoru osłabia wiązanie OH. W rezultacie grupa karboksylowa jest w stanie odciągnąć (utracić) proton. Dlatego kwasy monokarboksylowe zachowują się jak kwasy jednozasadowe. W wodnych roztworach tych kwasów ustala się równowaga:

Jon karboksylanowy można uznać za hybrydę dwóch struktur rezonansowych:

W przeciwnym razie można to uznać za

Delokalizacja elektronu pomiędzy atomami grupy karboksylanowej stabilizuje jon karboksylanowy. Dlatego kwasy karboksylowe są znacznie bardziej kwaśne niż alkohole. Jednak ze względu na kowalencyjny charakter cząsteczek kwasu karboksylowego powyższa równowaga jest silnie przesunięta w lewo. Zatem kwasy karboksylowe są słabymi kwasami. Na przykład kwas etanowy (octowy) charakteryzuje się stałą kwasowości

Podstawniki obecne w cząsteczce kwasu karboksylowego w dużym stopniu wpływają na jej kwasowość ze względu na efekt indukcyjny, jaki zapewniają. Podstawniki takie jak chlor przyciągają do siebie gęstość elektronów i dlatego powodują ujemny efekt indukcyjny.Odciąganie gęstości elektronów od karboksylowego atomu wodoru prowadzi do wzrostu kwasowości kwasu karboksylowego. Natomiast podstawniki takie jak grupy alkilowe mają właściwości oddające elektrony i powodują dodatni efekt indukcyjny, osłabiają kwas karboksylowy:

Wpływ podstawników na kwasowość kwasów karboksylowych wyraźnie objawia się w wartościach dla szeregu kwasów wskazanych w tabeli. 19.12.

Tabela 19.12. Wartości kwasów karboksylowych

Tworzenie soli. Kwasy karboksylowe mają wszystkie właściwości zwykłych kwasów. Reagują z reaktywnymi metalami, zasadami, zasadami, węglanami i wodorowęglanami, tworząc odpowiednie sole (tabela 19.13). Reakcje pokazane w tej tabeli są charakterystyczne zarówno dla rozpuszczalnych, jak i nierozpuszczalnych kwasów karboksylowych.

Podobnie jak inne sole słabych kwasów, sole karboksylanowe (sole kwasów karboksylowych) reagują z kwasami mineralnymi wziętymi w nadmiarze, tworząc macierzyste kwasy karboksylowe. Na przykład, gdy do zawiesiny nierozpuszczalnego kwasu benzoesowego w wodzie dodaje się roztwór wodorotlenku sodu, kwas rozpuszcza się w wyniku tworzenia benzoesanu sodu. Jeśli następnie do powstałego roztworu doda się kwas siarkowy, wytrąci się kwas benzoesowy:

Tabela 19.13. Tworzenie soli z kwasów karboksylowych

Estryfikacja. Gdy mieszaninę kwasu karboksylowego i alkoholu ogrzewa się w obecności stężonego kwasu mineralnego, tworzy się ester. Proces ten, zwany estryfikacją, wymaga rozkładu cząsteczek alkoholu. Istnieją dwie możliwości.

1. Rozszczepianie alkoksywodoru. W tym przypadku atom tlenu alkoholu (z grupy hydroksylowej) wchodzi do cząsteczki powstałego eteru:

2. Rozszczepienie alkilohydroksylu. W tego typu rozszczepieniu atom tlenu alkoholu wchodzi do cząsteczki wody:

Który z tych przypadków jest konkretnie realizowany, można określić eksperymentalnie, przeprowadzając estryfikację przy użyciu alkoholu zawierającego izotop 180 (patrz sekcja 1.3), tj. za pomocą znacznika izotopowego. Określenie względnej masy cząsteczkowej powstałego estru za pomocą spektrometrii mas wskazuje, czy występuje w nim znacznik izotopowy tlenu-18. W ten sposób odkryto, że estryfikacja z udziałem alkoholi pierwszorzędowych prowadzi do powstania znakowanych estrów:

Pokazuje to, że cząsteczka metanolu ulega rozszczepieniu metoksy-wodorowi podczas rozważanej reakcji.

Halogenowanie. Kwasy karboksylowe reagują z pięciochlorkiem fosforu i dichlorkiem tlenku siarki, tworząc chlorki kwasowe odpowiednich kwasów. Na przykład

Zarówno chlorek benzoilu, jak i tlenek trójchlorku fosforu są cieczami, które należy oddzielić od siebie. Dlatego do chlorowania kwasów karboksylowych wygodniej jest zastosować dichlorek tlenku siarki: umożliwia to łatwe usunięcie gazowego chlorowodoru i dwutlenku siarki z ciekłego chlorku kwasu karboksylowego:

Przez przedmuchanie chloru przez wrzący kwas octowy w obecności katalizatorów takich jak czerwony fosfor czy jod oraz pod wpływem światła słonecznego

powstaje kwas monochloroetanowy (monochlorooctowy):

Dalsze chlorowanie prowadzi do powstania produktów dipodstawionych i tripodstawionych:

Powrót do zdrowia. Podczas reakcji z litem w suchym eterze dietylowym kwasy karboksylowe można zredukować do odpowiednich alkoholi. Najpierw powstaje pośredni alkoholan, którego hydroliza prowadzi do powstania alkoholu:

Kwasy karboksylowe nie są redukowane przez wiele powszechnych środków redukujących. Kwasów tych nie można natychmiast zredukować do odpowiednich aldehydów.

Utlenianie. Z wyjątkiem kwasów metanu (mrówkowego) i kwasu etanowego (octowego), inne kwasy karboksylowe są trudne do utlenienia. Kwas mrówkowy i jego sole (mrówczany) utlenia się nadmanganianem potasu. Kwas mrówkowy ma zdolność redukowania odczynnika Fehlinga i po podgrzaniu w mieszaninie z wodno-amoniakalnym roztworem azotanu srebra tworzy „srebrne lustro”. Utlenianie kwasu mrówkowego powoduje powstanie dwutlenku węgla i wody:

Kwas etanodiowy (szczawiowy) jest również utleniany przez nadmanganian potasu, tworząc dwutlenek węgla i wodę:

Odwodnienie. Destylacja kwasu karboksylowego z jakimś środkiem odwadniającym, na przykład tlenkiem, prowadzi do rozszczepienia cząsteczki wody od dwóch cząsteczek kwasu i powstania bezwodnika kwasu karboksylowego:

Wyjątkiem są w tym przypadku kwasy mrówkowy i szczawiowy. Odwodnienie kwasu mrówkowego lub jego soli potasowej lub sodowej stężonym kwasem siarkowym prowadzi do powstania tlenku węgla i

Odwodnienie metanianu (mrówczanu) sodu stężonym kwasem siarkowym jest powszechną laboratoryjną metodą wytwarzania tlenku węgla. Odwodnienie kwasu szczawiowego gorącym stężonym kwasem siarkowym powoduje powstanie mieszaniny tlenku węgla i dwutlenku węgla:

Karboksylany

Sole sodowe i potasowe kwasów karboksylowych to białe substancje krystaliczne. Łatwo rozpuszczają się w wodzie, tworząc mocne elektrolity.

Elektroliza karboksylanów sodu lub potasu rozpuszczonych w mieszaninie woda-metanol prowadzi do powstania alkanów i dwutlenku węgla na anodzie oraz wodoru na katodzie.

Na anodzie:

Na katodzie:

Ta metoda wytwarzania alkanów nazywa się elektrochemiczną syntezą Kolbego.

Do tworzenia alkanów dochodzi także podczas ogrzewania mieszaniny karboksylanów sodu lub potasu z wodorotlenkiem sodu lub wapnem sodowanym. (Wapno sodowane to mieszanina wodorotlenku sodu i wodorotlenku wapnia.) Tą metodę stosuje się np. do produkcji metanu w laboratorium:

Aromatyczne karboksylany sodu lub potasu w podobnych warunkach tworzą areny:

Podczas ogrzewania mieszaniny karboksylanów sodu i chlorków kwasowych powstają bezwodniki odpowiednich kwasów karboksylowych:

Karboksylany wapnia są również białymi substancjami krystalicznymi i są na ogół rozpuszczalne w wodzie. Po podgrzaniu tworzą się

z niską wydajnością odpowiednich ketonów:

Po podgrzaniu mieszaniny karboksylanów wapnia i mrówczanu wapnia powstaje aldehyd:

Sole amonowe kwasów karboksylowych to także białe substancje krystaliczne, rozpuszczalne w wodzie. Po mocnym podgrzaniu tworzą odpowiednie amidy: