Карбонильные соединения. Строение ихимические свойства карбоновых кислот. Липиды.

Карбоновые кислоты. Строение карбоксильной группы. Номенклатура.

Неспелые фрукты, щавель, барбарис, клюква, лимон. Что общего между ними. Даже дошкольник, не задумываясь, ответит: они кислые. А вот обусловлен кислый вкус плодов и листьев многих растений различными карбоновыми кислотами, в состав которых входит одна или несколько карбоксильных групп - СООН.

Название кислот "карбоновые" происходит от латинского названия угольной кислоты acidum carbonicum, которая была первой изученной в истории химии углеродсодержащей кислотой. Их часто называют жирными кислотами, так как высшие гомологи впервые были получены из природных жиров.

Карбоновые кислоты можно рассматривать как производные углеводородов, содержащие в молекуле одну или несколько функциональных карбоксильных групп:

Термин "карбоксильная" является составным, образовавшимся в соответствии с названиями двух групп: и гидроксил -ОН, входящих в состав карбоксильной группы.

Классификация карбоновых кислот.

Карбоновые кислоты в зависимости от природы радикала делятся на

предельные,

непредельные,

ациклические,

циклические.

По числу карбоксильных групп различают

одноосновные (с одной группой -СООН)

многоосновные (содержат две и более групп -СООН).

Алкановые кислоты - производные предельных углеводородов, содержащие одну функциональную карбоксильную группу. Их общая формула R - COOH, где R - радикал алкана. Гомологический ряд простейших низкомолекулярных кислот:

Изомерия, номенклатура .

Изомерия предельных кислот, так же как и предельных углеводородов, определяется изомерией радикала. Простейшие три кислоты с одним, двумя и тремя атомами углерода в молекуле изомеров не имеют. Изомерия кислот начинается с четвертого члена гомологического ряда. Так, масляная кислота C 3 H 7 - COOH имеет два изомера, валериановая кислота C 4 H 9 - COOH - четыре изомера.

Наиболее распространенными являются тривиальные названия кислот. Многие из них связаны с наименованием продуктов, из которых они первоначально были выделены или в которых были обнаружены. Например, муравьиную кислоту получили из муравьев, уксусную - из уксуса, масляную - из прогоршего масла.

По номенклатуре ИЮПАК к названию предельного углеводорода, соответствующего главной углеродной цепи, включая углерод карбоксила добавляется окончание -овая кислота . Так, например, муравьиная кислота - метановая кислота, уксусная - этановая, пропионовая - пропановая и т. д. Нумерацию атомов углерода главной цепи начинают от карбоксильной группы.

Остаток молекулы карбоной кислоты, образованный отнятием гидроксильной группы от карбоксила, имеющей строение, называется кислотным остатком или ацилом (от лат. acidum - кислота). Ацил муравьиной кислоты (лат. acidum formicum) называется формил , уксусной (acidum aceticum) - ацетил .

Физические и химические свойства .

Физические свойства.

Первые три кислоты гомологического ряда (муравьиная, уксусная, пропионовая) - жидкости, хорошо растворимые в воде. Следующие представители - маслянистые жидкости, слабо растворимые в воде. Кислоты, начиная с каприновой С 9 Н 19 СООН, - твердые вещества, нерастворимые в воде, но растворимые в спирте, эфире.

Все жидкие кислоты отличаются своеобразным запахами.

Высокомолекулярные твердые кислоты запаха не имеют. С увеличением молекулярной массы кислот повышается их температура кипения и уменьшается плотность.

Химические свойства.

Диссоциация кислот:

Степень диссоциации карбоновых кислот различна. Самой сильной кислотой является муравьиная, в которой карбоксил не связан с радикалом. Степень диссоциации органических кислот по сравнению с неорганическими значительно меньшая. Поэтому они являются слабыми кислотами. Органические кислоты, так же как и неорганические, дают характерные реакции на индикаторы.

Образование солей .

При взаимодействии с активными металлами (а), оксидами металлов (б), основаниями (в) водород карбоксильной группы кислоты замещается на металл и образуются соли:

Образование галогенагидридов кислот .

При замещении гидроксила карбоксильной группы кислот галогеном образуются производные кислот - галогенагидриды:

Образование ангидридов кислот.

При отнятии воды от двух молекул кислоты в присутствии катализатора образуются ангидриды кислот:

Образование сложных эфиров .

Так называемая реакция этерификации:

Образование амидов:

Реакции хлорангидридов карбоновых кислот с аммиаком

СН 3 -СО-Сl + CН 3 → СН 3 -СО-CН 2 + HCl.

Галогены способны замещать водород радикала кислоты, образуя галогенокислоты . Это замещение происходит постепенно:

Галогенозамещенные кислоты - более сильные кислоты, чем исходные. Например, трихлоруксусная кислота примерно в 10 тыс. раз сильнее уксусной. Они используются для получения оксикислот, аминокислот и других соединений.

Дикарбоновые кислоты.

Дикарбоновые кислоты - это кислоты в которых есть два или три карбоксильные группы.

Например.

НООС - СООН- этандиовая кислота (щавлевая кислота)

НООС - СН 2 - СООН- пропандиовая кислота (малоновая кислота)

НООС - СН 2 - СН 2 - СООН-бутандиовая кислота (янтарная кислота)

Для дикарбоновых кислот свойственны реакции декарбоксилирования (отщепления СО 2) при нагревании:

t °

НООС-СН 2 -СООН→СН 3 СООН + CO 2

Физиологически важным конечным продуктом преобразований в организме белков и нуклеиновых кислот является мочевина.

Липиды. Классификация.

Липиды - являются сложными эфирами, образованными высшими одноосновными карбоновыми кислотами, главным образом пальмитиновой , стеариновой (насыщенные кислоты) и олеиновой (ненасыщенная кислота) и трехатомным спиртом - глицерином . Общее название таких соединений - триглицериды

Природные жиры представляют собой не индивидуальное вещество, а смесь различных триглицеридов.

Классификация липидов.

Липиды делят на:

Простые:

а) ацилглицериды

б) воски

Сложные:

а) фосфолипиды

б) гликолипиды

Высшие жирные кислоты.

В состав липидов организма человека и животных входят жирные кислоты с парным количеством атомов углерода от 12 до 24.

Высшие жирные кислоты бывают насыщенные (предельные)

пальмитиновая кислота- С 15 Н 31 СООН

стеариновая- С 17 Н 35 СООН

Ненасыщенные (непредельные)

олеиновая- С 17 Н 33 СООН

линолевая-С 17 Н 31 СООН

линоленовая-С 17 Н 29 СООН

арахидоновая-С 19 Н 31 СООН

Простые липиды - это липиды которые при гидролизе образуют спирты и жирные кислоты.

Ацилглицериды – это липиды которые есть сложными эфирами глицерина и высших жирных кислот.

Образование одного из триглицеридов, например триглицерида стеариновой кислоты, можно изобразить уравнением

глицерин стеариновая кислота стеариновый триглицерид

В состав молекул триглицеридов могут входить разнородные кислотные радикалы, что особенно характерно для природных жиров, однако остаток глицерина является составной частью всех жиров:

Все жиры легче воды и в ней нерастворимы. Они хорошо растворяются в бензине, эфире, тетрахлориде углерода, сероуглероде, дихлорэтане и других растворителях. Хорошо впитываются бумагой и кожей. Жиры содержатся во всех растениях и животных. Жидкие жиры обычно называются маслами . Твердые жиры (говяжий, бараний и др) состоят главным образом из триглицеридов предельных (твердых) кислот, жидкие (подсолнечное масло и др.) - из триглицеридов непредельных (жидких) кислот.

Жидкие жиры превращаются в твердые путем реакции гидрогенизации . Водород присоединяется по месту разрыва двойной связи в углеводородных радикалах молекул жиров:

Реакция протекает при нагревании под давлением и в присутствии катализатора - мелко раздробленного никеля. Продукт гидрогенизации - твердый жир (искусственное сало), называется саломасом идет на производство мыла, стеарина и глицерина. Маргарин - пищевой жир, состоит из смеси гидрогенизованных масел (подсолнечного, хлопкового и др.), животных жиров, молока и некоторых других веществ (соли, сахара, витаминов и др.).

Важное химическое свойство жиров, как и всех сложных эфиров, - способность подвергаться гидролизу (омылению). Гидролиз легко протекает при нагревании в присутствии катализаторов - кислот, щелочей, оксидов магния, кальция, цинка:

Реакция гидролиза жиров обратима. Однако при участии щелочей она доходит практически до конца - щелочи превращают образующиеся кислоты в соли и тем самым устраняют возможность взаимодействия кислот с глицерином (обратную реакцию).

Жиры - необходимая составная часть пищи. Они широко использу­ются в промышленности (получение глицерина, жирных кислот, мыла).

Мыла и моющие средства

Мыла - это соли высших карбоновых кислот. Обычные мыла состоят главным образом из смеси пальмитиновой, стеариновой и олеиновой кислот. Натриевые соли образуют твердые мыла , калиевые соли - жидкие мыла .

Мыла получаются при гидролизе жиров в присутствии щелочей:

триглицерид стеариновой Глицерин Стеарат натрия

Кислоты (тристеарин) (мыло)

Отсюда реакция, обратная этерификации получила названия реакции омыления ,

Омыление жиров может протекать и в присутствии серной кислоты (кислотное омыление). При этом получаются глицерин и высшие карбоновые кислоты. Последние действием щелочи или соды переводят в мыла.

Исходным сырьем для получения мыла служат растительные масла (подсолнечное, хлопковое и др.), животные жиры, а также гидроксид натрия или кальцинированная сода. Растительные масла предварительно подвергаются гидрогенизации, т. е. их превращают в твердые жиры. Применяются также заменители жиров - синтетические карбоновые жирные кислоты с большой молекулярной массой.

Производство мыла требует больших количеств сырья, поэтому поставлена задача получения мыла из непищевых продуктов. Необходимые для производства мыла карбоновые кислоты получают окислением парафина. Нейтрализацией кислот, содержащих от 10 до 16 углеродных атомов в молекуле, получают туалетное мыло, а из кислот, содержащих от 17 до 21 атома углерода, - хозяйственное мыло и мыло для технических целей. Как синтетическое мыло, так и мыло, получаемое из жиров, плохо моет в жесткой воде. Поэтому наряду с мылом из синтетических кислот производят моющие средства из других видов сырья, например из алкилсульфатов - солей сложных эфиров высших спиртов и серной кислоты.

Эти соли содержат в молекуле от 12 до 14 углеродных атомов и обла­дают очень хорошими моющими свойствами. Кальциевые и магниевые соли растворимы в воде, а потому такие мыла моют и в жесткой воде. Алкилсульфаты содержатся во многих стиральных порошках.

Синтетические моющие средства высвобождают сотни тысяч тонн пищевого сырья - растительных масел и жиров.

Сложные липиды.

Это липиды которые при гидролизе освобождают спирт и фосфорную кислоту, аминоспирты, углеводы..

Фосфолипиды - основой фосфолипидов является фосфатидная кислота.

Фосфолипиды образуют липидный матрикс биологических мембран.

Гетерофункциональные соединения.

К гетерофункциональным соединениям принадлежат гидрокси – и оксокислоты.

Гидроксикислоты

Гидроксикислоты характеризуются наличием в молекуле кроме карбоксильной еще гидроксильной группы О–Н, их общая формула R(OH) n (COOH). Первым представителем органических гидроксикислот будет оксиэтановая кислота (оксиуксусная, оксиметанкарбоновая, гликолевая кислота).

Наиболее важными из гидроксикислот, участвующих в процессах жизнедеятельности, являются:

молочная (2-окси-этанкарбоновая, 2-оксипропановая кислота, оксипропионовая кислота)

яблочная (2-окси-1,2-этандикарбоновая кислота, оксиянтарная кислота)

винная (1,2-диокси-1,2-этандикарбоновая кислота, диоксиянтарная кислота)

лимонная (2-окси-1,2,3-пропантрикарбоновая кислота)

Способы получения . 1 . Окисление альдегидов и первичных спиртов - общий способ получения карбоновых кислот. В ка­честве окислителей применяются />K М n О 4 и K 2 С r 2 О 7 .

2 Другой общий способ - гидролиз галогензамещенных угле­водородов, содержащих, три атома галогена у одного атома уг­лерода. При этом образуются спирты, содержащие группы ОН у одного атома углерода - такие спирты неустойчивы и отщепля­ют воду с образованием карбоновой кислоты:/>

	ЗNаОН
R-CCl 3			→	R — COOH + Н 2 О
	-3NaCl

3 . Получение карбоновых кислот из цианидов (нитрилов) - это важный способ, позволяющий наращивать углеродную цепь при получении исходного цианида. Дополнительный атом угле­рода вводят в состав молекулы, используя реакцию замещения галогена в молекуле галогенуглеводорода цианидом натрия, например:/>

СН 3 -В r + NaCN → CH 3 — CN + NaBr .

Образующийся нитрил уксусной кислоты (метилцианид) при на­гревании легко гидролизуется с образованием ацетата аммония:

CH 3 CN + 2Н 2 О → CH 3 COONH 4 .

При подкислении раствора выделяется кислота:

CH 3 COONH 4 + HCl → СН 3 СООН + NH 4 Cl .

4 . Использование реактива Гриньяра по схеме:/>

Н 2 О
R — MgBr + СО 2 → R — COO — MgBr → R — COOH + Mg (OH ) Br

5 . Гидролиз сложных эфиров:/>

R — COOR 1 + КОН → R — COOK + R ‘ OH ,

R — COOK + HCl → R — COOH + KCl .

6 . Гидролиз ангидридов кислот:/>

(RCO ) 2 O + Н 2 О → 2 RCOOH .

7 . Для отдельных кислот существуют специфические спосо­бы получения./>

Муравьиную кислоту получают нагреванием оксида углерода (II ) с порошкообразным гидроксидом натрия под давлением и об­работкой полученного формиата натрия сильной кислотой:

Уксусную кислоту получают каталитическим окислением бу­тана кислородом воздуха:

2С 4 Н 10 + 5 O 2 → 4СН 3 СООН + 2Н 2 О.

Для получения бензойной кислоты можно использовать окис­ление монозамешенных гомологов бензола кислым раствором перманганата калия:

5С 6 Н 5 -СН 3 + 6 KMnO 4 + 9 H 2 SO 4 = 5С 6 Н 5 СООН + 3 K 2 SO 4 + 6 MnSO 4 + 14 H 2 O .

Кроме того, бензойную кислоту можно получить из бензальдегида с помощью реакции Канниццаро . В этой реакции бензальдегид обрабатывают 40-60%-ным раствором гидроксида натрия при комнатной температуре. Одновременное окисление и восстано­вление приводит к образованию бензойной кислоты и соответ­ственно фенилметанола (бензилового спирта):

Химические свойства . Карбоновые кислоты - более силь­ные кислоты, чем спирты, поскольку атом водорода в карбок­сильной группе обладает повышенной подвижностью благодаря влиянию группы СО. В водном растворе карбоновые кислоты диссоциируют:/>

RCOOH RCOO — + Н +

Тем не менее из-за ковалентного характера молекул карбоно­вых кислот указанное выше равновесие диссоциации достаточно сильно сдвинуто влево. Таким образом, карбоновые кислоты - это, как правило, слабые кислоты. Например, этановая (уксусная) кислота характеризуется константой диссоциации К а = 1,7*10 -5 . />

Заместители, присутствующие в молекуле карбоновой кисло­ты, сильно влияют на ее кислотность вследствие оказываемого ими индуктивного эффекта . Такие заместители, как хлор или фенильный радикал оттягивают на себя электронную плотность и, следовательно, вызывают отрицательный индуктивный эффект (-/). Оттягивание электронной плотности от карбоксильного ато­ма водорода приводит к повышению кислотности карбоновой кислоты. В отличие от этого такие заместители, как алкильные группы, обладают электронодонорными свойствами и создают положительный индуктивный эффект, +I. Они понижают кислот­ность. Влияние заместителей на кислотность карбоновых кислот наглядно проявляется в значениях констант диссоциации K a для ряда кислот. Кроме того, на силу кислоты оказывает влияние наличие сопряженной кратной связи.

Карбоновые кислоты Формула K a

Пропионовая CH 3 CH 2 COOH 1,3*10 -5

Масляная CH 3 CH 2 CH 2 COOH 1,5*10 -5

Уксусная CH 3 COOH 1,7*10 -5

Кротоновая CH 3 — CH = CH — COOH 2,0*10 -5

Винилуксусная CH 2 =CH-CH 2 COOH 3,8*10 -5

Акриловая CH 2 =CH-COOH 5,6*10 -5

Муравьиная HCOOH 6,1*10 -4

Бензойная C 6 H 5 COOH 1,4*10 -4

Хлоруксусная CH 2 ClCOOH 2,2*10 -3

Тетроновая CH 3 — C ≡ C — COOH 1,3*10 -3

Дихлоруксусная CHCl 2 COOH 5,6*10 -2

Щавелевая HOOC — COOH 5,9*10 -2

Трихлоруксусная CCl 3 COOH 2,2*10 -1

Взаимное влияние атомов в молекулах дикарбоновых кислот приводит к тому, что они являются более сильными, чем одноос­новные.

2. Образование солей. Карбоновые кислоты обладают всеми свойствами обычных кислот. Они реагируют с активными метал­лами, основными оксидами, основаниями и солями слабых кис­лот:

2 RCOOH + М g → (RCOO ) 2 Mg + Н 2 ,

2 RCOOH + СаО → (RCOO ) 2 Ca + Н 2 О,

RCOOH + NaOH → RCOONa + Н 2 О,

RCOOH + NaHCO 3 → RCOONa + Н 2 О + СО 2 .

Карбоновые кислоты - слабые, поэтому сильные минераль­ные кислоты вытесняют их из соответствующих солей:

CH 3 COONa + HCl → СН 3 СООН + NaCl .

Соли карбоновых кислот в водных растворах гидролизованы:

СН 3 СООК + Н 2 О СН 3 СООН + КОН.

Отличие карбоновых кислот от минеральных заключается в возможности образования ряда функциональных производных.

3 . Образование функциональных производных карбоновых кис­лот. При замещении группы ОН в карбоновых кислотах различ­ными группами (/>X ) образуются функциональные производные кислот, имеющие общую формулу R -СО- X ; здесь R означает алкильную либо арильную группу. Хотя нитрилы имеют другую общую формулу (R - CN ), обычно их также рас­сматривают как производные карбоновых кислот, поскольку они могут быть получены из этих кислот.

Хлорангидриды получают действием хлорида фосфора (V ) на кислоты:

R-CO-OH + РС l 5 → R-CO-Cl + РОС l 3 + HCl .

Соединение примеры

Кислота Этановая(уксусная) Бензойная кислота хлорангидрит кислоты Этаноилхлорид Бензоилхлорид (ацетилхлорид) ангидрид кислоты Этановый(уксусный) бензойный ангидрит Ангидрит сложый эфир Этилэтаноат(этилацетат) Метилбензоат амид Этанамид(ацетамид) Бензамид Нитрил Этаннитрил Бензонитрил (ацетонитрил)

Ангидриды образуются из карбоновых кислот при действии водоотнимающих средств:

2 R — CO — OH + Р 2 О 5 → (R — CO -) 2 O + 2НРО 3 .

Сложные эфиры образуются при нагревании кислоты со спир­том в присутствии серной кислоты (обратимая реакция этерификации):

Механизм реакции этерификации был установлен методом "меченых атомов".

Сложные эфиры можно также получить при взаимодействии хлорангидридов кислот и алкоголятов щелочных металлов:

R-CO-Cl + Na-O-R’ → R-CO-OR’ + NaCl .

Реакции хлорангидридов карбоновых кислот с аммиаком при­водят к образованию амидов :

СН 3 -СО-С l + CН 3 → СН 3 -СО-CН 2 + HCl .

Кроме того, амиды могут быть получены при нагревании ам­монийных солей карбоновых кислот:

При нагревании амидов в присутствии водоотнимающих средств они дегидратируются с образованием нитрилов :

	Р 2 0 5
CH 3 — CO — NH 2	→	CH 3 — C ≡ N + Н 2 О

Функциональные производные низших кислот — летучие жидкости. Все они легко гидролизуются с образованием исходной кислоты:

R-CO-X + Н 2 О →R-CO-OH + НХ .

В кислой среде эти реакции могут быть обратимы. Гидролиз в щелочной среде необратим и приводит к образованию солей кар­боновых кислот, например:

R-CO-OR ‘ + NaOH → R-CO-ONa + R’OH.

4 . Ряд свойств карбоновых кислот обусловлен наличием угле­водородного радикала. Так, при действии галогенов на кислоты в присутствии красного фосфора образуются галогензамещенные кислоты, причем на галоген замещается атом водорода при со­седнем с карбоксильной группой атоме углерода (а-атоме):/>

	р кр
СН 3 -СН 2 -СООН + Вr 2	→	СН 3 -СНВr-СООН + НВr

Непредельные карбоновые кислоты способны к реакциям при­соединения:

СН 2 =СН-СООН + Н 2 → СН 3 -СН 2 -СООН,

СН 2 =СН-СООН + С l 2 → СН 2 С l -СНС l -СООН,

СН 2 =СН-СООН + HCl → СН 2 С l -СН 2 -СООН,

СН 2 =СН-СООН + Н 2 O → НО-СН 2 -СН 2 -СООН,

Две последние реакции протекают против правила Марковникова.

Непредельные карбоновые кислоты и их производные способ­ны к реакциям полимеризации .

5 . Окислительно-восстановительные реакции карбоновых кислот./>

Карбоновые кислоты при действии восстановителей в при­сутствии катализаторов способны превращаться в альдегиды, спирты и даже углеводороды:

Муравьиная кислота НСООН отличается рядом особенностей, поскольку в ее составе есть альдегидная группа:

Муравьиная кислота - сильный восстановитель и легко окис­ляется до СО 2 . Она дает реакцию "серебряного зеркала" :

НСООН + 2OH → 2Ag + (NH 4) 2 CO 3 + 2NH 3 + H 2 O,

или в упрощенном виде:

C Н 3 НСООН + Аg 2 О → 2Аg + СО 2 + Н 2 О.

Кроме того, муравьиная кислота окисляется хлором:

НСООН + Сl 2 → СО 2 + 2 HCl .

В атмосфере кислорода карбоновые кислоты окисляются до СО 2 и Н 2 О:

СН 3 СООН + 2О 2 → 2СО 2 + 2Н 2 О.

6 . Реакции декарбоксширования . Насыщенные незамещенные монокарбоновые кислоты из-за большой прочности связи С-С при нагревании декарбоксилируются с трудом. Для этого необхо­димо сплавление соли щелочного металла карбоновой кислоты со щелочью:/>

Появление электронодонорных заместителей в углеводород­ном радикале способствует реакции декарбоксилирования :

Двухосновные карбоновые кислоты легко отщепляют СО 2 при нагревании:

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Органические вещества, молекулы которых содержат одну или несколько карбоксильных групп, соединенных с углеводородным радикалом, называют карбоновыми кислотами .

Первые три члена гомологического ряда карбоновых кислот, включая пропионовую кислоту, — жидкости, имеющие резкий запах, хорошо растворимые в воде. Следующие гомологи, начиная с масляной кислоты, — также жидкости, обладающие резким неприятным запахом, но плохо растворимые в воде. Высшие кислоты, с числом атомов углерода 10 и более, представляют собой твердые вещества, без запаха, нерастворимые в воде. В целом, в ряду гомологов с увеличением молекулярной массы уменьшается растворимость в воде, уменьшается плотность и возрастает температура кипения (табл. 1).

Таблица 1. Гомологический ряд карбоновых кислот.

Получение карбоновых кислот

Карбоновые кислоты получают окислением предельных углеводородов, спиртов, альдегидов. Например, уксусную кислоту - окислением этанола раствором перманганата калия в кислой среде при нагревании:

Химические свойства карбоновых кислот

Химические свойства карбоновых кислот обусловлены в первую очередь особенностями их строения. Так, растворимые в воде кислоты способны диссоциировать на ионы:

R-COOH↔R-COO — + H + .

Благодаря наличию в воде иона H + они имеют кислый вкус, способны менять окраску индикаторов и проводить электрический ток. В водном растворе эти кислоты - слабые электролиты.

Карбоновые кислоты обладают химическими свойствами, характерными для растворов неорганических кислот, т.е. взаимодействуют с металлами (1), их оксидами (2), гидроксидами (3) и слабыми солями (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).

Специфическое свойство предельных, а также непредельных карбоновых кислот, проявляемое за счет функциональной группы, — взаимодействие со спиртами.

Карбоновые кислоты взаимодействуют со спиртами при нагревании и в присутствии концентрированной серной кислоты. Например, если к уксусной кислоте прилить этиловый спирт и немного серной кислоты, то при нагревании появляется запах этилового эфира уксусной кислоты (этилацетата):

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

Специфическое свойство предельных карбоновых кислот, проявляемое за счет радикала, — реакция галогенирования (хлорирования).

Применение карбоновых кислот

Карбоновые кислоты служат исходным сырьем для получения кетонов, галогенангидридов, виниловых эфиров и других важных классов органических соединений.

Муравьиная кислота широко применяется для получения сложных эфиров, используемых в парфюмерии, в кожевенном деле (дубление кож), текстильной промышленности (как протрава при крашении), в качестве растворителя и консерванта.

Водный раствор (70-80%-ной) уксусной кислоты называется уксусной эссенцией, а 3-9%-ный водный раствор - столовым уксусом. Эссенция нередко используется для получения уксуса в домашних условиях путем разведения.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

С помощью каких химических реакций можно осуществить следующие превращения: а) CH 4 → CH 3 Cl → CH 3 OH → HCHO → HCOOH → HCOOK. Напишите уравнения реакций, укажите условия их протекания.

Ответ

а) Хлорирование метана на свету приводит к получению хлорметана: CH 4 + Cl 2 →CH 3 Cl + HCl. Галогенпроизводные алканов подвергаются гидролизу в водной или щелочной среде с образованием спиртов: CH 3 Cl + NaOH→CH 3 OH + NaCl. В результате окисления первичных спиртов, например, дихроматом калия в кислой среде в присутствии катализатора (Cu, CuO, Pt, Ag) образуются альдегиды: CH 3 OH+ [O] →HCHO. Альдегиды легко окисляются до соответствующих карбоновых кислот, например, перманганатом калия: HCHO + [O] →HCOOH. Карбоновые кислоты, проявляют все свойства, присущие слабым минеральным кислотам, т.е. способны взаимодействовать с активными металлами с образованием солей: 2HCOOH+ 2K→2HCOOK + H 2 .

ПРИМЕР 2

Задание

Напишите уравнения реакций между следующими веществами: а) 2-метилпропановой кислотой и хлором; б) уксусной кислотой и пропанолом-2; в) акриловой кислотой и бромной водой; г) 2-метилбутановой кислотой и хлоридом фосфора (V). Укажите условия протекания реакций.

Ответ

а) в результате реакции взаимодействия между 2-метилпропановой кислотой и хлором происходит замещение атома водорода в углеводородном радикале, находящемся в a-положение; образуется 2-метил-2-хлорпропановая кислота H 3 C-C(CH 3)H-COOH + Cl 2 → H 3 C-C(CH 3)Cl-COOH + HCl (kat = P). б) в результате реакции взаимодействия между уксусной кислотой и пропанолом-2 происходит образование сложного эфира - изопропиловый эфир уксусной кислоты. CH 3 -COOH + CH 3 -C(OH)H-CH 3 → CH 3 -C(O)-O-C(CH 3)-CH 3 . в) в результате реакции взаимодействия между акриловой кислотой и бромной водой присоединение галогена по месту двойной связи в соответствии с правилом Марковникова; образуется 2,3-дибромпропановая кислота CH 2 =CH-COOH + Br 2 → CH 2 Br-CHBr-COOH г) в результате реакции взаимодействия между 2-метилбутановой кислотой и хлоридом фосфора (V) образуется соответствующий хлорангидрид CH 3 -CH 2 -C(CH 3)H-COOH + PCl 5 →CH 3 -CH 2 -C(CH 3)H-COOCl + POCl 3 + HCl.

Карбоновые кислоты. Непредельные (ненасыщенные) карбоновые кислоты - соединения, в углеводородном радикале которых имеются кратные связи. В зависимости от их числа и природы различают: 1) алкеновые карболовые кислоты с общей формулой C*H2*-iCOOH, имеющие одну двойную связь; 2) алкадиеновые карбоновые кислоты с общей формулой СяНгя-зСООН, имеющие две двойные связи; 3) алкатриеновые карбоновые кислоты с общей формулой СяНгл-зСООН, имеющие три двойные связи; 4) алкиновые карбоновые кислоты с общей формулой ОД^-эСООН, имеющие одну тройную связь. Способ получения. 1. Окисление непредельных альдегидов: акролеин акриловая кислота 2. Дегидрогалогенирование галогенкарбоновых кислот: СН2-СН2-СН2-СООН + 2КОН - сн2=сн-сн2-соок+2И2о+ка 3. Дегидратация р-оксикислот: Физические свойства. Ненасыщенные карбоновые кислоты с числом атомов углерода 10 и более, имеющие ^^-конфигурацию, в отличие от предельных карбоновых кислот при обычных условиях являются жидкостями. 7/?а«оизомеры непредельных карбоновых кислот с любым числом атомов углерода являются кристаллическими веществами. . В табл. 29.3 указаны физические свойства некоторых представителей непредельных карбоновых кислот. Таблица 29.3. Физические свойства некоторых представителей непредельных карбоновых кислот Название кислоты Формула Температура плавления, °С Температура дпвниж, °С Акриловая С2Н3-СООН 12,1 140,9 Пропиоловая С2Н - СООН 17,6 144 Кро тоновая (тране- из ом ер) С3Н5-СООН 71,4-71,7 185 Название кислоты Формул» Температура плавления, °С Температура X) Изокро тоновая (tfuc- изомер) С3Н5-СООН 15,5 169 Олеиновая (цис-изомер) С17Н33СООН 13,4 228/15 Эландиновая (транс-изомер) С17Н33СООН 44 234/15 Линолевая Ci7H3iCOOH -5 149Д Линоленовая C,7H29COOH -11,3 184/4 Последние четыре кислоты кипят при низких давлениях (указаны в мм рт. ст. через дробь). Химические свойства. Наличие в углеводородном радикале двойных и тройных связей влияет на силу карбоновых кислот. Если у пропионовой кислоты константа диссоциации К- = 1,34 Ю, то у акриловой кислоты она приблизительно в 4 раза больше (#=5,6* 10"5), а у пропиоловой кислоты она больше в тысячу раз (К= 1,35 ИГ1). Наличие кратных связей в молекулах непредельных карбоновых кислот обусловливает их способность вступать в реакции присоединения и полимеризации и особенности протекания реакций окисления. 1. Реакции присоединения: 2. Реакции полимеризации: соон соон 3. Реакции окисления: а) при осторожном окислении образуются диоксикислоты акриловая диоксипропноновая кислота кислота б) при энергичном окислении происходит разрыв молекулы по месту кратной связи с образованием смеси одноосновной и двухосновной кислот: СНз-СН«СН-СООН гротоповая кислота СН эСООН+НООС - СООН уксусная щавелевая кислота кислота [О} Отдельные представители. Акриловая (пропеновая) кислота СН2=СН - СООН представляет собой жидкость с резким запахом, смешивается с водой во всех отношениях. Широко используется для получения различных полимеров. Олеиновая кислота С8Н,7СН=СН - (СН^-СООН содержится в виде глидеридов в большинстве растительных масел и животных жиров, получается их гидролизом, представляет собой бесцветную маслянистую жидкость, легко окисляющуюся на воздухе, растворимую в органических растворителях и несме-шивающуюся с водой. Используется для производства парфюмерных и косметических средств, пеноочистителей, смачивателей и пластификаторов. Линолевая кислота СН3 - (СН2)3 - (СН2 - СН - СН)2 - (СН2)7 -- СООН. Содержится в виде глицеридов в растительных маслах, получается их гидролизом, представляет собой светло-желтую жидкость, хорошо растворимую в органических растворителях и нерастворимую в воде. Легко окисляется и полимеризуется на воздухе. Линоленовая кислота - маслянистая жидкость светло-желтого цвета, нерастворимая в воде и хорошо растворимая в органических растворителях. Содержится в виде глицеридов в растительных маслах и получается в результате их гидролиза. Легко окисляется и полимеризуется. Линолевая и линоленовая кислоты в организме человека и животных не синтезируются, но необходимы для жизнедеятельности, в организм поступают с пищей, поэтому они относятся к так называемым незаменимым жирным кислотам.

Предельные одноосновные карбоновые кислоты – это органические соединения, состоящие из функциональной карбоксильной группы атомов (– CООН), соединенной с радикалом предельного углеводорода.

Общая формула: R-CООН, или C n H 2 n +2 – CООН, где n= 1,2,3 …

Гомологический ряд HCOOH муравьиная или метановая

CH 3 - COOH уксусная или этановая

CH 3 - CH 2 - COOH пропионовая или пропановая

CH 3 - CH 2 - CH 2 - COOH масляная или бутановая

C 15 H 31 - COOH пальмитиновая или гексадекановая

C 17 H 35 - COOH стеариновая или октадекановая

Физические свойства: Уксусная кислота – жидкость с острым неприятным запахом, хорошо растворима в воде (как и другие низшие кислоты). Высшие кислоты – твердые вещества, нерастворимы в воде.

Строение молекулы уксусной кислоты:

В результате сдвига электронной плотности в карбоксильной группе атом водорода в гидроксильной группе становится более подвижным, чем в спиртах, но менее подвижен, чем в муравьиной кислоте. Поэтому уксусная кислота слабее муравьиной.

Химические свойства.

1.Общие с минеральными кислотами:

Диссоциирует в воде (индикатор лакмус дает красный цвет):

CH 3 COOH CH 3 COO - + H +

Взаимодействует с металлами, стоящими в ряду напряжений до водорода:

2 CH 3 COOH + Mg (CH 3 COO) 2 Mg + H 2

ацетат магния

Взаимодействует с основными оксидами с образованием соли и воды:

2 CH 3 COOH + MgO (CH 3 COO) 2 Mg + H 2 O

Взаимодействует со щелочами с образованием соли и воды:

CH 3 COOH + NaOH CH 3 COONa + H 2 O

ацетат натрия

Взаимодействует со спиртами с образованием сложных эфиров:

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

метиловый спирт метиловый эфир уксусной кислоты

2.Специфические свойства: взаимодействует с галогенами (замещение атомов водорода в углеводородном радикале): CH 3 COOH + Cl 2 Cl – CH 2 COOH + HCl

монохлоруксусная кислота

Применение. Уксусная кислота используется для получения лекарств (аспирина), сложных эфиров, при синтезе красителей, в производстве ацетатного волокна, негорючей кинопленки, органического стекла, пропускающего ультрафиолетовые лучи. Раствор уксусной кислоты – 6 –9% –уксус – вкусовое и консервирующее средство. Соли уксусной кислоты – ацетаты. Ацетат свинца (II) используют при изготовлении свинцовых белил и свинцовой примочки в медицине, ацетаты железа (III) и алюминия – в качестве протрав при крашении тканей, ацетат меди (II) – для борьбы с вредителями растений.

Жиры. Состав, свойства. Мыло. Синтетические моющие средства. Защита природы от загрязненя СМС

Жиры - это сложные эфиры глицерина и одноосновных карбоновых кислот. (Общее их название - триглицериды).

Общая формула : CH 2 - O-CO-R 1

CH 2 - O-CO-R 3,

где R 1 ,R 2 ,R 3 - это радикалы предельных или непредельных карбоновых кислот, содержащие от 3 до 25 атомов углерода. Может быть R 1 = R 2 = R 3.

Физические свойства . Жиры бывают твердые - животные: говяжий, свиной, бараний и др. (исключение – жидкий рыбий жир), а также жидкие - растительные (масла): подсолнечное, оливковое, кукурузное, льняное и др. (исключение - твердое кокосовое масло).

Молекулы твердых жиров образованы глицерином и предельными карбоновыми кислотами, например, пальмитиновой - C 15 H 31 COOH и стеариновой - C 17 H 35 COOH.

Молекулы жидких жиров (масел) образованы глицерином и непредельными карбоновыми кислотами,например, олеиновой - C 17 H 33 COOH, линолевой - C 17 H 31 COOH, линоленовой - C 17 H 29 COOH.

Все жиры легче воды и в ней нерастворимы. Они хорошо растворяются в бензине, дихлорэтане и др. растворителях. Хорошо впитываются бумагой и кожей.

Химические свойства:

1.Гидролиз - расщепление жиров на глицерин и карбоновые кислоты при взаимодействии с водой,протекающее при нагревании и в присутствии катализаторов:

CH 2 -O - CO- R HO–H CH 2 -OH

CH-O - CO- R + HO–H → CH-OH + 3RCOOH

CH 2 -O - CO -R HO–H CH 2 -OH

Реакция гидролиза жиров обратима, но в присутствии щелочей она идет практически до конца, т. к. щелочи превращают образующиеся кислоты в соли и тем самым устраняют возможность взаимодействия кислот с глицерином:

RCOOH + NaOH → RCOONa + H 2 O

2.Взаимодействие жиров со щелочами с образованием глицерина и солей карбоновых кислот (мыла):

CH- O-CO-C 17 H 35 COOH + 3NaOH → CH-OH + 3C 17 H 35 COONa

CH 2 -O-CO-C 17 H 35 COOH CH 2 -OH

триглицерид стеариновой кислоты глицерин стеарат натрия (соль)

3.Жидкие жиры (масла) присоединяют водород за счет разрыва двойных связей, содержащихся в радикалах кислот, при этом они превращаются в твердые жиры. Таким образом, из растительного масла в промышленности получают маргарин.

Применение

1 .Жиры – это необходимый пищевой продукт. Наряду с углеводами и белками они входят в состав растительных и животных организмов.

2 .Жиры широко используются в промышленности для получения глицерина, карбоновых кислот, мыла.

Моющие средства

1 .Мыла - это соли высших карбоновых кислот . Обычные мыла состоят главным образом из смеси солей пальмитиновой, стеариновой и олеиновой кислот. Натриевые соли образуют твердые мыла, а калиевые соли - жидкие.

Исходным сырьем для получения мыла служат растительные масла (подсолнечное, хлопковое и др.),животные жиры, гидроксид натрия. Растительные масла предварительно превращаются в твердые жиры. Применяются также заменители жиров - синтетические высшие карбоновые кислоты, которые получают при переработке нефти.

Туалетное мыло получают из кислот, содержащих 10-16 атомов углерода в молекулах, а хозяйственное – из кислот, содержащих 17-21 атомов углерода.

Механизм действия мыла: соли карбоновых кислот в воде подвергаются гидролизу, при этом образовавшаяся щелочь разлагает жиры и освобождает прилипшую к ним грязь, а карбоновые кислоты с водой образуют пену, которая захватывает частицы грязи.

В жесткой воде мыло плохо пенится, т. к. образуются нерастворимые соли:

2C 17 H 35 COONa + Ca(HCO 3) 2 (C 17 H 35 COO) 2 Ca ↓ + 2 NaHCO 3

стеарат натрия стеарат кальция

2. Кроме мыла, используют синтетические моющие средства . Например, в состав стиральных порошков входят алкилсульфаты – соли кислых сложных эфиров высших спиртов и серной кислоты, которые получают по схеме:

R - CH 2 - OH + HO - SO 2 - OH → R - CH 2 - O - SO 2 - OH +H 2 O

спирт серная кислота кислый сложный эфир

спирта и серной кислоты

R - CH 2 - O - SO 2 - OH + NaOH → R - CH 2 - O - SO 2 - ONa + H 2 O

Натриевая соль сложного эфира

Преимущества синтетических моющих средств заключаются в том, что их кальциевые соли растворимы в воде, поэтому в отличие от обычного мыла они хорошо моют в жесткой воде.

Синтетические моющие средства с трудом подвергаются разрушению , поэтому могут загрязнять окружающую среду . Чтобы сточные воды очистить от синт. моющих средств, их подвергают биологическому (с помощью микроорганизмов) и химическому разложению.