Kemijske lastnosti karboksilnih kislin in načini njihove priprave. Priprava na enotni državni izpit iz kemije

OPREDELITEV

Imenujemo organske snovi, katerih molekule vsebujejo eno ali več karboksilnih skupin, povezanih z ogljikovodikovim radikalom karboksilne kisline.

Prvi trije člani homologne serije karboksilnih kislin, vključno s propionsko kislino, so tekočine, ki imajo oster vonj in so dobro topne v vodi. Tudi naslednji homologi, začenši z masleno kislino, so tekočine, ki imajo močan neprijeten vonj, vendar so slabo topne v vodi. Višje kisline s številom ogljikovih atomov 10 ali več so trdne, brez vonja, netopne v vodi. Na splošno se v nizu homologov z naraščajočo molekulsko maso topnost v vodi zmanjšuje, gostota zmanjšuje in vrelišče se zvišuje (tabela 1).

Tabela 1. Homologni nizi karboksilnih kislin.

Priprava karboksilnih kislin

Karboksilne kisline dobimo z oksidacijo nasičenih ogljikovodikov, alkoholov in aldehidov. Na primer, ocetna kislina - z oksidacijo etanola z raztopino kalijevega permanganata v kislem okolju pri segrevanju:

Kemijske lastnosti karboksilnih kislin

Kemijske lastnosti karboksilnih kislin določajo predvsem posebnosti njihove strukture. Tako lahko vodotopne kisline disociirajo na ione:

R-COOH↔R-COO - + H + .

Zaradi prisotnosti H + iona v vodi imajo kisel okus, lahko spremenijo barvo indikatorjev in prevajajo električni tok. V vodni raztopini so te kisline šibki elektroliti.

Karboksilne kisline imajo kemijske lastnosti, značilne za raztopine anorganskih kislin, tj. medsebojno delujejo s kovinami (1), njihovimi oksidi (2), hidroksidi (3) in šibkimi solmi (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 + H 2 O (3);

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

Posebna lastnost nasičenih in nenasičenih karboksilnih kislin, ki se kaže s funkcionalno skupino, je interakcija z alkoholi.

Karboksilne kisline reagirajo z alkoholi pri segrevanju in v prisotnosti koncentrirane žveplove kisline. Na primer, če ocetni kislini dodamo etilni alkohol in malo žveplove kisline, se pri segrevanju pojavi vonj etil ocetne kisline (etil acetat):

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

Posebna lastnost nasičenih karboksilnih kislin, ki se kaže v radikalu, je reakcija halogeniranja (kloriranja).

Uporaba karboksilnih kislin

Karboksilne kisline služijo kot surovina za proizvodnjo ketonov, kislinskih halidov, vinil estrov in drugih pomembnih razredov organskih spojin.

Mravljična kislina se pogosto uporablja za pridobivanje estrov, ki se uporabljajo v parfumeriji, v usnjarski industriji (strojenje usnja), v tekstilni industriji (kot jedko za barvanje), kot topilo in konzervans.

Vodna raztopina (70-80%) ocetne kisline se imenuje ocetna esenca, 3-9% vodna raztopina pa namizni kis. Esenca se pogosto uporablja za pridobivanje kisa doma z redčenjem.

Primeri reševanja problemov

PRIMER 1

PRIMER 2

Karboksilne kisline- organske snovi, katerih molekule vsebujejo eno ali več karboksilnih skupin.

Karboksilna skupina (okrajšano COOH) je funkcionalna skupina karboksilnih kislin in je sestavljena iz karbonilne skupine in z njo povezane hidroksilne skupine.

Glede na število karboksilnih skupin delimo karboksilne kisline na enobazične, dibazične itd.

Splošna formula enobazičnih karboksilnih kislin je R—COOH. Primer dibazične kisline je oksalna kislina HOOC-COOH.

Karboksilne kisline glede na vrsto radikala delimo na nasičene (na primer ocetna kislina CH 3 COOH), nenasičene (na primer akrilna kislina CH 2 =CH—COOH, oleinska kislina CH 3 —(CH 2) 7 —CH =CH-(CH 2) 7 -COOH] in aromatski (na primer benzojski C 6 H 5 -COOH).

Izomeri in homologi

Enobazične nasičene karboksilne kisline R-COOH so izomeri estrov (skrajšano R"-COOR") z enakim številom ogljikovih atomov. Splošna formula za obe je C n H 2 n O2.

Algoritem za sestavljanje imen karboksilnih kislin

1. Poiščite ogljikovo ogrodje - to je najdaljša veriga ogljikovih atomov, ki vključuje ogljikov atom karboksilne skupine.
2. Oštevilčite ogljikove atome v glavni verigi, začenši s karboksilnim ogljikovim atomom.
3. Poimenujte spojino z algoritmom za ogljikovodike.
4. Na koncu imena dodajte pripono "-ov", končnico "-aya" in besedo "kislina".

V molekulah karboksilnih kislin str-elektroni kisikovih atomov hidroksilne skupine interagirajo z elektroni -vezi karbonilne skupine, zaradi česar se poveča polarnost O-H vezi, okrepi se -vez v karbonilni skupini, delni naboj (+) na ogljikovem atomu se zmanjša, delni naboj (+) na vodikovem atomu pa se poveča.

Slednji spodbuja tvorbo močnih vodikovih vezi med molekulami karboksilne kisline.

Fizikalne lastnosti nasičenih enobazičnih karboksilnih kislin so v veliki meri posledica prisotnosti močnih vodikovih vezi med molekulami (močnejše kot med molekulami alkohola). Zato sta vrelišča in topnost kislin v vodi višja kot pri ustreznih alkoholih.

Kemijske lastnosti kislin

Okrepitev -vezi v karbonilni skupini vodi do dejstva, da so adicijske reakcije neznačilne za karboksilne kisline.

1. zgorevanje:
   

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

2. Kisle lastnosti.
   Zaradi visoke polarnosti vezi O-H karboksilne kisline v vodni raztopini opazno disociirajo (natančneje reverzibilno reagirajo z njo):

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

   
   Vse karboksilne kisline so šibki elektroliti. Z večanjem števila ogljikovih atomov se moč kislin zmanjša (zaradi zmanjšanja polarnosti O-H vezi); nasprotno, uvedba atomov halogena v ogljikovodikov radikal vodi do povečanja moči kisline. Da, v vrsti

   HCOOH CH 3 COOH C 2 H 5 COOH

   
   jakost kislin se zmanjša, v seriji pa

   Povečanje.

   Karboksilne kisline imajo vse lastnosti, ki so značilne za šibke kisline:

   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 KUHANJE + H 2 O + CO 2

3. Esterifikacija (reakcija karboksilnih kislin z alkoholi, ki povzroči nastanek estra):
   
   V reakciji zaestrenja lahko sodelujejo tudi polihidrični alkoholi, kot je glicerol. Estri, ki jih tvorijo glicerol in višje karboksilne kisline (maščobne kisline), so maščobe.

   Maščobe so mešanice trigliceridov. Nasičene maščobne kisline (palmitinska C 15 H 31 COOH, stearinska C 17 H 35 COOH) tvorijo trdne maščobe živalskega izvora, nenasičene maščobne kisline (oleinska C 17 H 33 COOH, linolna C 17 H 31 COOH itd.) pa tekoče maščobe. (olja) rastlinskega izvora.

4. Substitucija v ogljikovodikovem radikalu:
   
   Zamenjava se pojavi v položaju -.

   Posebnost mravljinčne kisline HCOOH je, da je ta snov bifunkcionalna spojina, ki je hkrati karboksilna kislina in aldehid:
   
   Zato mravljinčna kislina med drugim reagira z amonijevo raztopino srebrovega oksida (reakcija srebrovega zrcala; kvalitativna reakcija):
   

   HCOOH + Ag 2 O (raztopina amoniaka) CO 2 + H 2 O + 2Ag

Priprava karboksilnih kislin

.
O

//
Skupino -C atomov imenujemo karboksilna skupina ali karboksil.
\

OH
Organske kisline, ki vsebujejo eno karboksilno skupino v molekuli, so enobazične. Splošna formula teh kislin je RCOOH.

Karboksilne kisline, ki vsebujejo dve karboksilni skupini, imenujemo dibazične. Sem spadata na primer oksalna in jantarna kislina.

Obstajajo tudi polibazične karboksilne kisline, ki vsebujejo več kot dve karboksilni skupini. Sem spada na primer tribazna citronska kislina. Glede na naravo ogljikovodikovega radikala delimo karboksilne kisline na nasičene, nenasičene in aromatske.

Nasičene ali nasičene karboksilne kisline so na primer propanojska (propionska) kislina ali že znana jantarna kislina.

Očitno nasičene karboksilne kisline ne vsebujejo p-vezi v ogljikovodikovem radikalu.

V molekulah nenasičenih karboksilnih kislin je karboksilna skupina povezana z nenasičenim, nenasičenim ogljikovodikovim radikalom, na primer v molekulah akrilne (propenojske) CH2=CH-COOH ali oleinske CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2) 7-COOH in druge kisline.

Kot je razvidno iz formule benzojske kisline, je aromatična, saj vsebuje aromatski (benzenski) obroč v molekuli.

Nomenklatura in izomerija

Splošna načela tvorbe imen karboksilnih kislin, pa tudi drugih organskih spojin smo že obravnavali. Oglejmo si podrobneje nomenklaturo mono- in dibazičnih karboksilnih kislin. Ime karboksilne kisline se tvori iz imena ustreznega alkana (alkana z enakim številom ogljikovih atomov v molekuli) z dodatkom pripone -ov, končnice -aya in besede kislina. Številčenje ogljikovih atomov se začne s karboksilno skupino. Na primer:

Številne kisline imajo tudi zgodovinsko uveljavljena ali trivialna imena (tabela 6).

Po prvem spoznavanju raznolikega in zanimivega sveta organskih kislin se bomo podrobneje posvetili nasičenim enobazičnim karboksilnim kislinam.

Jasno je, da se bo sestava teh kislin odražala v splošni formuli C n H 2n O2 ali C n H 2n +1 COOH ali RCOOH.

Fizikalne lastnosti nasičenih enobazičnih karboksilnih kislin

Nižje kisline, torej kisline z relativno majhno molekulsko maso, ki vsebujejo do štiri ogljikove atome na molekulo, so tekočine z značilnim ostrim vonjem (spomnite se vonja po ocetni kislini). Kisline, ki vsebujejo od 4 do 9 atomov ogljika, so viskozne oljnate tekočine z neprijetnim vonjem; ki vsebujejo več kot 9 ogljikovih atomov na molekulo – trdne snovi, ki se ne raztopijo v vodi. Vrelišče nasičenih enobazičnih karboksilnih kislin narašča z večanjem števila ogljikovih atomov v molekuli in posledično z večanjem relativne molekulske mase. Na primer, vrelišče mravljinčne kisline je 101 °C, ocetne kisline je 118 °C in propionske kisline je 141 °C.

Najenostavnejša karboksilna kislina, mravljinčna HCOOH, z majhno relativno molekulsko maso (46) je v normalnih pogojih tekočina z vreliščem 100,8 °C. Hkrati je butan (MR(C4H10) = 58) pri enakih pogojih plinast in ima vrelišče -0,5 °C. To neskladje med vrelišči in relativno molekulsko maso je razloženo s tvorbo dimerov karboksilne kisline, v katerih sta dve molekuli kisline povezani z dvema vodikovima vezema. Pojav vodikovih vezi postane jasen, če upoštevamo strukturo molekul karboksilne kisline.

Molekule nasičenih enobazičnih karboksilnih kislin vsebujejo polarno skupino atomov - karboksil (pomislite, kaj povzroča polarnost te funkcionalne skupine) in praktično nepolarni ogljikovodikov radikal. Karboksilno skupino privlačijo molekule vode in z njimi tvorijo vodikove vezi.

Mravljinčna in ocetna kislina sta neomejeno topni v vodi. Očitno je, da se s povečanjem števila atomov v radikalu ogljikovodikov topnost karboksilnih kislin zmanjšuje.

Če poznamo sestavo in zgradbo molekul karboksilne kisline, nam ne bo težko razumeti in razložiti kemijskih lastnosti teh snovi.

Kemijske lastnosti

Splošne lastnosti, značilne za razred kislin (tako organskih kot anorganskih), so posledica prisotnosti v molekulah hidroksilne skupine, ki vsebuje visoko polarno vez med atomi vodika in kisika. Teh lastnosti dobro poznate. Ponovno jih razmislimo na primeru vodotopnih organskih kislin.

1. Disociacija s tvorbo vodikovih kationov in anionov kislinskega ostanka. Natančneje je ta proces opisan z enačbo, ki upošteva sodelovanje molekul vode v njem.

Disociacijsko ravnovesje karboksilnih kislin je pomaknjeno v levo; velika večina jih je šibkih elektrolitov. Kljub temu je kisel okus na primer mravljinčne in ocetne kisline razložen z disociacijo na vodikove katione in anione kislih ostankov.

Očitno je, da prisotnost "kislega" vodika v molekulah karboksilnih kislin, to je vodika karboksilne skupine, določa tudi druge značilne lastnosti.

2. Interakcija s kovinami v elektrokemičnem napetostnem območju do vodika. Tako železo reducira vodik iz ocetne kisline:

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

3. Interakcija z bazičnimi oksidi za tvorbo soli in vode:

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

4. Reakcija s kovinskimi hidroksidi, da nastane sol in voda (reakcija nevtralizacije):

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

5. Interakcija s solmi šibkejših kislin, s tvorbo slednjih. Tako ocetna kislina izpodriva stearinsko kislino iz natrijevega stearata in ogljikovo kislino iz kalijevega karbonata.

6. Medsebojno delovanje karboksilnih kislin z alkoholi pri nastanku estrov je vam že znana reakcija esterifikacije (ena najpomembnejših reakcij, značilnih za karboksilne kisline). Interakcija karboksilnih kislin z alkoholi je katalizirana z vodikovimi kationi.

Reakcija esterifikacije je reverzibilna. Ravnotežje se premakne proti tvorbi estra v prisotnosti sredstev za odstranjevanje vode in odstranitvi estra iz reakcijske zmesi.

Pri obratni reakciji zaestrenja, imenovani hidroliza estra (reakcija estra z vodo), nastaneta kislina in alkohol. Očitno je, da lahko polihidrični alkoholi, na primer glicerol, reagirajo tudi s karboksilnimi kislinami, t.j. vstopijo v reakcijo esterifikacije:

Vse karboksilne kisline (razen mravljinčne kisline) poleg karboksilne skupine vsebujejo v svojih molekulah ogljikovodikov ostanek. Seveda to ne more vplivati ​​na lastnosti kislin, ki jih določa narava ogljikovodikovega ostanka.

7. Adicijske reakcije pri večkratni vezi - vanje vstopajo nenasičene karboksilne kisline; na primer, reakcija adicije vodika je hidrogenacija. Ko je oleinska kislina hidrogenirana, nastane nasičena stearinska kislina.

Nenasičene karboksilne kisline, tako kot druge nenasičene spojine, dodajajo halogene preko dvojne vezi. Na primer, akrilna kislina razbarva bromovo vodo.

8. Substitucijske reakcije (s halogeni) - vanj lahko vstopijo nasičene karboksilne kisline; na primer z reakcijo ocetne kisline s klorom lahko dobimo različne klorirane kisline:

Pri halogeniranju karboksilnih kislin, ki vsebujejo več kot en ogljikov atom v ogljikovodičnem ostanku, je možna tvorba produktov z različnimi položaji halogena v molekuli. Ko pride do reakcije prek mehanizma prostih radikalov, se lahko zamenjajo vsi vodikovi atomi v ogljikovodičnem ostanku. Če se reakcija izvaja v prisotnosti majhnih količin rdečega fosforja, potem poteka selektivno - vodik se nadomesti le v A-položaj (pri ogljikovem atomu, ki je najbližje funkcionalni skupini) v molekuli kisline. Razloge za to selektivnost boste izvedeli med študijem kemije na visokošolski ustanovi.

Karboksilne kisline pri zamenjavi hidroksilne skupine tvorijo različne funkcionalne derivate. Ko se ti derivati ​​hidrolizirajo, ponovno nastane karboksilna kislina.

Klorid karboksilne kisline lahko dobimo z obdelavo kisline s fosforjevim (III) kloridom ali tionil kloridom (SOCl 2). Anhidride karboksilnih kislin pripravimo z reakcijo klorovih anhidridov s solmi karboksilnih kislin. Estri nastanejo z zaestrenjem karboksilnih kislin z alkoholi. Esterifikacijo katalizirajo anorganske kisline.

To reakcijo sproži protonacija karboksilne skupine – interakcija vodikovega kationa (protona) z osamljenim elektronskim parom atoma kisika. Protonacija karboksilne skupine povzroči povečanje pozitivnega naboja na ogljikovem atomu v njej:

Metode pridobivanja

Karboksilne kisline lahko dobimo z oksidacijo primarnih alkoholov in aldehidov.

Aromatske karboksilne kisline nastanejo z oksidacijo homologov benzena.

Tudi s hidrolizo različnih derivatov karboksilnih kislin nastanejo kisline. Tako pri hidrolizi estra nastaneta alkohol in karboksilna kislina. Kot je navedeno zgoraj, so reakcije esterifikacije in hidrolize, katalizirane s kislino, reverzibilne. Hidroliza estra pod vplivom vodne raztopine alkalije poteka nepovratno; v tem primeru iz estra ne nastane kislina, ampak njena sol. Pri hidrolizi nitrilov najprej nastanejo amidi, ki se nato pretvorijo v kisline. Karboksilne kisline nastanejo pri interakciji organskih magnezijevih spojin z ogljikovim monoksidom (IV).

Posamezni predstavniki karboksilnih kislin in njihov pomen

Mravljična (metanska) kislina HCOOH je tekočina z ostrim vonjem in vreliščem 100,8 °C, dobro topna v vodi. Mravljinčna kislina je strupena in v stiku s kožo povzroča opekline! Pekoča tekočina, ki jo izločajo mravlje, vsebuje to kislino. Mravljinčna kislina ima dezinfekcijske lastnosti in se zato uporablja v živilski, usnjarski in farmacevtski industriji ter medicini. Uporablja se tudi pri barvanju tkanin in papirja.

Ocetna (etanojska) kislina CH3COOH je brezbarvna tekočina z značilnim ostrim vonjem, ki se meša z vodo v poljubnem razmerju. Vodne raztopine ocetne kisline se tržijo pod imenom kis (3-5% raztopina) in kisova esenca (70-80% raztopina) in se pogosto uporabljajo v prehrambeni industriji. Ocetna kislina je dobro topilo za številne organske snovi in ​​se zato uporablja pri barvanju, strojenju ter industriji barv in lakov. Poleg tega je ocetna kislina surovina za proizvodnjo številnih tehnično pomembnih organskih spojin: iz nje na primer pridobivajo snovi za zatiranje plevelov - herbicide.

Ocetna kislina je glavna sestavina vinskega kisa, katerega značilen vonj je posledica nje. Je produkt oksidacije etanola in iz njega nastane pri shranjevanju vina na zraku.

Najpomembnejši predstavnici višje nasičenih enobazičnih kislin sta palmitinska C15H31COOH in stearinska C17H35COOH kislina. Za razliko od nižjih kislin so te snovi trdne in slabo topne v vodi.

So pa njihove soli - stearati in palmitati - dobro topne in delujejo detergentno, zato jih imenujemo tudi mila. Jasno je, da se te snovi proizvajajo v velikem obsegu.

Od nenasičenih višjih karboksilnih kislin je najpomembnejša oleinska kislina C17H33COOH ali (CH2)7COOH. Je olju podobna tekočina brez okusa in vonja. Njegove soli se pogosto uporabljajo v tehnologiji.

Najenostavnejši predstavnik dibazičnih karboksilnih kislin je oksalna (etandiojska) kislina HOOC-COOH, katere soli najdemo v številnih rastlinah, na primer v kislici in kislici. Oksalna kislina je brezbarvna kristalna snov, ki je dobro topna v vodi. Uporablja se za poliranje kovin, v lesni in usnjarski industriji.

1. Nenasičena elaidinska kislina C17H33COOH je trans-izomer oleinske kisline. Napišite strukturno formulo te snovi.

2. Napišite enačbo za reakcijo hidrogeniranja oleinske kisline. Poimenujte produkt te reakcije.

3. Napišite enačbo za reakcijo zgorevanja stearinske kisline. Kakšna prostornina kisika in zraka (n.n.) bo potrebna za sežiganje 568 g stearinske kisline?

4. Mešanica trdnih maščobnih kislin - palmitinske in stearinske - se imenuje stearin (iz tega se izdelujejo stearinske svečke). Kakšna prostornina zraka (n.n.) bo potrebna za gorenje dvestogramske stearinske sveče, če stearin vsebuje enaki masi palmitinske in stearinske kisline? Kakšna prostornina ogljikovega dioksida (n.o.) in masa vode nastaneta pri tem?

5. Rešite prejšnji problem pod pogojem, da sveča vsebuje enaki količini (enako število molov) stearinske in palmitinske kisline.

6. Madeže rje odstranite z raztopino ocetne kisline. Sestavite molekularne in ionske enačbe za reakcije, ki potekajo v tem primeru, pri čemer upoštevajte, da rja vsebuje železov (III) oksid in hidroksid - Fe2O3 in Fe(OH)3. Zakaj se takšni madeži ne odstranijo z vodo? Zakaj izginejo, ko jih obdelamo s kislinsko raztopino?

7. Sodo bikarbono (pecilno) NaHC03 dodano v testo brez kvasa najprej »pogasimo« z ocetno kislino. Izvedite to reakcijo doma in napišite njeno enačbo, saj veste, da je ogljikova kislina šibkejša od ocetne kisline. Razloži nastanek pene.

8. Ker veste, da je klor bolj elektronegativen kot ogljik, razvrstite naslednje kisline: ocetno, propionsko, kloroocetno, dikloroocetno in trikloroocetno kislino po naraščajočih kislih lastnostih. Utemelji svoj rezultat.

9. Kako lahko razložimo, da mravljinčna kislina reagira v reakciji »srebrnega ogledala«? Napišite enačbo za to reakcijo. Kateri plin se lahko sprosti v tem primeru?

10. Ko je 3 g nasičene enobazične karboksilne kisline reagiralo s presežkom magnezija, se je sprostilo 560 ml (n.s.) vodika. Določite formulo kisline.

11. Navedite reakcijske enačbe, s katerimi lahko opišete kemijske lastnosti ocetne kisline. Poimenujte produkte teh reakcij.

12. Predlagajte preprosto laboratorijsko metodo, s katero lahko prepoznate propanojsko in akrilno kislino.

13. Napišite enačbo za reakcijo nastajanja metil formata – estra metanola in mravljinčne kisline. Pod kakšnimi pogoji naj se izvede ta reakcija?

14. Sestavite strukturne formule snovi s sestavo C3H602. V katere razrede snovi jih lahko razvrstimo? Navedite reakcijske enačbe, značilne za vsakega od njih.

15. Snov A - izomer ocetne kisline - je netopna v vodi, vendar se lahko hidrolizira. Kakšna je strukturna formula snovi A? Poimenujte produkte njegove hidrolize.

16. Sestavite strukturne formule naslednjih snovi:

a) metil acetat;
b) oksalna kislina;
c) mravljinčna kislina;
d) dikloroocetna kislina;
e) magnezijev acetat;
f) etil acetat;
g) etil format;
h) akrilna kislina.

17*. Vzorec nasičene enobazične organske kisline z maso 3,7 g smo nevtralizirali z vodno raztopino natrijevega bikarbonata. S prehajanjem sproščenega plina skozi apneno vodo smo dobili 5,0 g usedline. Kakšna kislina je bila vzeta in kakšna je bila količina sproščenega plina?

Karboksilne kisline v naravi

Karboksilne kisline so v naravi zelo pogoste. Najdemo jih v sadju in rastlinah. Prisotni so v iglicah, znoju, urinu in koprivnem soku. Veš, izkazalo se je, da večina kislin tvori estre, ki imajo vonjave. Tako vonj po mlečni kislini, ki ga vsebuje človeški pot, privablja komarje, ki ga zaznavajo na precejšnji razdalji. Zato, ne glede na to, koliko se trudite odgnati nadležnega komarja, svojo žrtev še vedno dobro čuti. Poleg človeškega znoja se mlečna kislina nahaja v kislih kumaricah in kislem zelju.

In opice samice, da bi pritegnile samca, izločajo ocetno in propionsko kislino. Občutljiv nos psa zavoha masleno kislino, ki ima koncentracijo 10–18 g/cm3.

Številne rastlinske vrste so sposobne proizvajati ocetno in masleno kislino. In nekateri pleveli to izkoriščajo in s sproščanjem snovi uničujejo svoje tekmece, zavirajo njihovo rast in včasih povzročijo njihovo smrt.

Kislino so uporabljali tudi Indijanci. Da bi uničili sovražnika, so puščice namočili s smrtonosnim strupom, za katerega se je izkazalo, da je derivat ocetne kisline.

In tu se pojavi naravno vprašanje: ali kisline predstavljajo nevarnost za zdravje ljudi? Navsezadnje oksalna kislina, ki je v naravi zelo razširjena in jo najdemo v kislici, pomarančah, ribezu in malinah, iz nekega razloga ni našla uporabe v živilski industriji. Izkazalo se je, da je oksalna kislina dvestokrat močnejša od ocetne kisline in lahko celo razjeda posodo, njene soli, ki se kopičijo v človeškem telesu, pa tvorijo kamne.

Kisline so našle široko uporabo na vseh področjih človeškega življenja. Uporabljajo se v medicini, kozmetologiji, prehrambeni industriji, kmetijstvu in za gospodinjske potrebe.

Za medicinske namene se uporabljajo organske kisline, kot so mlečna, vinska in askorbinska. Verjetno je vsak od vas uporabljal vitamin C za krepitev telesa - to je ravno askorbinska kislina. Ne le pomaga krepiti imunski sistem, ampak ima tudi sposobnost odstranjevanja rakotvornih snovi in ​​toksinov iz telesa. Za kauterizacijo se uporablja mlečna kislina, saj je zelo higroskopična. Toda vinska kislina deluje kot blago odvajalo, kot protistrup pri zastrupitvi z alkalijami in kot sestavina, potrebna za pripravo plazme za transfuzijo krvi.

Toda ljubitelji kozmetičnih postopkov bi morali vedeti, da sadne kisline, ki jih vsebujejo citrusi, blagodejno vplivajo na kožo, saj lahko prodrejo globoko v kožo in pospešijo proces obnove kože. Poleg tega ima vonj citrusov toničen učinek na živčni sistem.

Ali ste opazili, da se jagode, kot so brusnice in brusnice, dolgo časa hranijo in ostanejo sveže. Ali veš zakaj? Izkazalo se je, da vsebujejo benzojsko kislino, ki je odličen konzervans.

Toda v kmetijstvu je jantarna kislina našla široko uporabo, saj se lahko uporablja za povečanje produktivnosti gojenih rastlin. Prav tako lahko spodbudi rast rastlin in pospeši njihov razvoj.

V tabeli 19.10 prikazuje nekatere organske spojine, povezane s karboksilnimi kislinami. Značilnost karboksilnih kislin je prisotnost karboksilne kisline v njih.

Tabela 19.10. Karboksilne kisline

(glej skeniranje)

funkcionalna skupina. Karboksilna skupina je sestavljena iz karbonilne skupine, vezane na hidroksilno skupino. Organske kisline z eno karboksilno skupino imenujemo monokarboksilne kisline. Njihova sistematična imena imajo pripono -ov(aya). Organske kisline z dvema karboksilnima skupinama imenujemo dikarboksilne kisline. Njihova sistematična imena imajo pripono -diov(aya).

Nasičene alifatske monokarboksilne kisline tvorijo homologno vrsto, za katero je značilna splošna formula. Nenasičene alifatske dikarboksilne kisline lahko obstajajo v obliki različnih geometrijskih izomerov (glej razdelek 17.2).

Fizične lastnosti

Nižji člani homologne serije nasičenih monokarboksilnih kislin so v normalnih pogojih tekočine z značilnim ostrim vonjem. Na primer, etanojska (ocetna) kislina ima značilen vonj po "kisu". Brezvodna ocetna kislina je pri sobni temperaturi tekočina. Zamrzne v ledeno snov, imenovano ledocetna kislina.

Vse dikarboksilne kisline, navedene v tabeli. 19.10, so pri sobni temperaturi bele kristalne snovi. Nižji člani vrste monokarboksilnih in dikarboksilnih kislin so topni v vodi. Topnost karboksilnih kislin se zmanjšuje z večanjem njihove relativne molekulske mase.

V tekočem stanju in v nevodnih raztopinah se molekule monokarboksilnih kislin dimerizirajo zaradi tvorbe vodikovih vezi med njimi:

Vodikova vez v karboksilnih kislinah je močnejša kot v alkoholih. To je razloženo z visoko polarnostjo karboksilne skupine zaradi umika elektronov iz vodikovega atoma proti karbonilnemu atomu kisika:

Posledično imajo karboksilne kisline relativno visoka vrelišča (tabela 19.11).

Tabela 19.11. Vrelišče ocetne kisline in alkoholov s podobno relativno molekulsko maso

Laboratorijske metode pridobivanja

Monokarboksilne kisline lahko pridobimo iz primarnih alkoholov in aldehidov z oksidacijo z uporabo nakisane raztopine kalijevega dikromata, vzetega v presežku:

Monokarboksilne kisline in njihove soli lahko dobimo s hidrolizo nitrilov ali amidov:

Priprava karboksilnih kislin z reakcijo z Grignardovimi reagenti in ogljikovim dioksidom je opisana v poglavju. 19.1.

Benzojsko kislino lahko pripravimo z oksidacijo metilne stranske verige metilbenzena (glej razdelek 18.2).

Poleg tega lahko benzojsko kislino pripravimo iz benzaldehida z uporabo Cannischarove reakcije. Pri tej reakciji benzaldehid obdelamo s 40-60% raztopino natrijevega hidroksida pri sobni temperaturi. Hkratna oksidacija in redukcija vodita do tvorbe benzojske kisline in s tem fenilmetanola:

Oksidacija

Cannizzarova reakcija je značilna za aldehide, ki nimajo vodikovih atomov. To je ime za vodikove atome, vezane na ogljikov atom, ki meji na aldehidno skupino:

Ker metanal nima -vodikovih atomov, je lahko podvržen Cannizzarovi reakciji. Aldehidi, ki vsebujejo vsaj en atom vodika, so podvrženi kislinsko katalizirani aldolni kondenzaciji v prisotnosti raztopine natrijevega hidroksida (glej zgoraj).

Kemijske lastnosti

Čeprav karboksilna skupina vsebuje karbonilno skupino, karboksilne kisline niso podvržene nekaterim reakcijam, ki se pojavljajo z aldehidi in ketoni. Na primer, niso podvrženi adicijskim ali kondenzacijskim reakcijam. To je razloženo z dejstvom, da atom

ogljik v karboksilni skupini ima manj pozitivnega naboja kot v aldehidni ali keto skupini.

Kislost. Odvlekanje elektronske gostote od karboksilnega vodikovega atoma oslabi vez O-H. Posledično lahko karboksilna skupina abstrahira (izgubi) proton. Zato se monokarboksilne kisline obnašajo kot monobazične kisline. V vodnih raztopinah teh kislin se vzpostavi naslednje ravnotežje:

Karboksilatni ion lahko štejemo za hibrid dveh resonančnih struktur:

V nasprotnem primeru ga lahko razumemo kot

Delokalizacija elektrona med atomi karboksilatne skupine stabilizira karboksilatni ion. Zato so karboksilne kisline veliko bolj kisle kot alkoholi. Vendar pa je zaradi kovalentne narave molekul karboksilne kisline zgornje ravnotežje močno premaknjeno v levo. Tako so karboksilne kisline šibke kisline. Na primer, za etanojsko (ocetno) kislino je značilna konstanta kislosti

Substituenti, prisotni v molekuli karboksilne kisline, močno vplivajo na njeno kislost zaradi induktivnega učinka, ki ga zagotavljajo. Substituenti, kot je klor, potegnejo elektronsko gostoto k sebi in tako povzročijo negativen induktivni učinek. Povlečenje elektronske gostote iz karboksilnega vodikovega atoma povzroči povečanje kislosti karboksilne kisline. Nasprotno pa imajo substituenti, kot so alkilne skupine, lastnosti oddajanja elektronov in ustvarjajo pozitiven induktivni učinek. Oslabijo karboksilno kislino:

Vpliv substituentov na kislost karboksilnih kislin se jasno kaže v vrednostih za številne kisline, navedene v tabeli. 19.12.

Tabela 19.12. Vrednosti karboksilnih kislin

Nastajanje soli. Karboksilne kisline imajo vse lastnosti navadnih kislin. Reagirajo z reaktivnimi kovinami, bazami, alkalijami, karbonati in bikarbonati ter tvorijo ustrezne soli (tabela 19.13). Reakcije, prikazane v tej tabeli, so značilne za topne in netopne karboksilne kisline.

Tako kot druge soli šibkih kislin tudi karboksilatne soli (soli karboksilnih kislin) reagirajo z mineralnimi kislinami, vzetimi v presežku, in tvorijo matične karboksilne kisline. Na primer, ko raztopino natrijevega hidroksida dodamo suspenziji netopne benzojske kisline v vodi, se kislina raztopi zaradi tvorbe natrijevega benzoata. Če nato nastali raztopini dodamo žveplovo kislino, se obori benzojska kislina:

Tabela 19.13. Tvorba soli iz karboksilnih kislin

Esterifikacija. Ko zmes karboksilne kisline in alkohola segrevamo v prisotnosti koncentrirane mineralne kisline, nastane ester. Ta proces, imenovan esterifikacija, zahteva razgradnjo molekul alkohola. Obstajata dve možnosti.

1. Razcepitev alkoksivodika. V tem primeru kisikov atom alkohola (iz hidroksilne skupine) vstopi v molekulo nastalega etra:

2. Alkilhidroksilna cepitev. Pri tej vrsti cepitve kisikov atom alkohola vstopi v molekulo vode:

Kateri od teh primerov se konkretno uresniči, se lahko določi eksperimentalno z izvedbo esterifikacije z uporabo alkohola, ki vsebuje izotop 180 (glej razdelek 1.3), tj. z uporabo izotopske oznake. Določitev relativne molekulske mase nastalega estra z uporabo masne spektrometrije pokaže, ali je v njem prisotna izotopska oznaka kisik-18. Na ta način je bilo odkrito, da zaestrenje s sodelovanjem primarnih alkoholov vodi do nastanka označenih estrov:

To kaže, da je molekula metanola med obravnavano reakcijo podvržena cepljenju metoksi vodika.

Halogeniranje. Karboksilne kisline reagirajo s fosforjevim pentakloridom in dikloridom žveplovega oksida, pri čemer nastanejo kislinski kloridi ustreznih kislin. Na primer

Tako benzoil klorid kot fosforjev triklorid oksid sta tekočini, ki ju je treba ločiti eno od druge. Zato je za kloriranje karboksilnih kislin bolj priročno uporabiti diklorid žveplovega oksida: to omogoča enostavno odstranitev plinastega vodikovega klorida in žveplovega dioksida iz tekočega klorida karboksilne kisline:

S pihanjem klora skozi vrelo ocetno kislino v prisotnosti katalizatorjev, kot sta rdeči fosfor ali jod, in pod vplivom sončne svetlobe

nastane monokloroetanojska (monokloroocetna) kislina:

Nadaljnje kloriranje povzroči nastanek disubstituiranih in trisubstituiranih produktov:

Obnovitev. Pri reakciji z litijem v suhem dietiletru se lahko karboksilne kisline reducirajo v ustrezne alkohole. Najprej nastane alkoksidni intermediat, katerega hidroliza povzroči nastanek alkohola:

Karboksilne kisline se ne reducirajo z mnogimi običajnimi redukcijskimi sredstvi. Teh kislin ni mogoče takoj reducirati v ustrezne aldehide.

Oksidacija. Z izjemo metanske (mravljinčne) in etanojske (ocetne) kisline so druge karboksilne kisline težko oksidativne. Mravljinčna kislina in njene soli (formati) se oksidirajo s kalijevim permanganatom. Mravljinčna kislina je sposobna reducirati Fehlingov reagent in pri segrevanju v mešanici z vodno amoniakovo raztopino srebrovega nitrata tvori "srebrno ogledalo". Pri oksidaciji mravljinčne kisline nastaneta ogljikov dioksid in voda:

Etandiojsko (oksalno) kislino oksidira tudi kalijev permanganat, pri čemer nastaneta ogljikov dioksid in voda:

Dehidracija. Destilacija karboksilne kisline z nekakšnim dehidracijskim sredstvom, na primer oksidom, vodi do cepitve molekule vode iz dveh molekul kisline in tvorbe anhidrida karboksilne kisline:

Mravljinčna in oksalna kislina sta v tem primeru izjemi. Dehidracija mravljinčne kisline ali njene kalijeve ali natrijeve soli s koncentrirano žveplovo kislino povzroči nastanek ogljikovega monoksida in

Dehidracija natrijevega metanoata (formata) s koncentrirano žveplovo kislino je običajna laboratorijska metoda za proizvodnjo ogljikovega monoksida. Pri dehidraciji oksalne kisline z vročo koncentrirano žveplovo kislino nastane mešanica ogljikovega monoksida in ogljikovega dioksida:

karboksilati

Natrijeve in kalijeve soli karboksilnih kislin so bele kristalinične snovi. Z lahkoto se raztopijo v vodi in tvorijo močne elektrolite.

Elektroliza natrijevih ali kalijevih karboksilatnih soli, raztopljenih v mešanici vode in metanola, povzroči nastanek alkanov in ogljikovega dioksida na anodi ter vodika na katodi.

Na anodi:

Na katodi:

Ta metoda pridobivanja alkanov se imenuje elektrokemijska Kolbejeva sinteza.

Do tvorbe alkanov pride tudi pri segrevanju mešanice natrijevih ali kalijevih karboksilatov z natrijevim hidroksidom ali natrijevim apnom. (Soda apno je mešanica natrijevega hidroksida in kalcijevega hidroksida.) Ta metoda se uporablja na primer za proizvodnjo metana v laboratoriju:

Aromatični natrijevi ali kalijevi karboksilati pod podobnimi pogoji tvorijo arene:

Pri segrevanju zmesi natrijevih karboksilatov in kislinskih kloridov nastanejo anhidridi ustreznih karboksilnih kislin:

Kalcijevi karboksilati so tudi bele kristalinične snovi in ​​so na splošno topni v vodi. Ko se segrejejo, nastanejo

z nizkim izkoristkom ustreznih ketonov:

Pri segrevanju zmesi kalcijevih karboksilatov in kalcijevega formata nastane aldehid:

Amonijeve soli karboksilnih kislin so prav tako bele kristalinične snovi, topne v vodi. Pri močnem segrevanju tvorijo ustrezne amide: