Карбоновые кислоты

Вещества, содержащие в молекуле одну или несколько карбоксильных групп, называются карбоновыми кислотами.

Группа атомов называется карбоксильной группой, или карбоксилом.

Органические кислоты, содержащие в молекуле одну карбоксильную группу, являются одноосновными.

Общая формула этих кислот $\mathit{R}\mathit{C}\mathit{O}\mathit{O}\mathit{H}$, например:

Карбоновые кислоты, содержащие две карбоксильные группы, называются двухосновными. К ним относятся, например, щавелевая и янтарная кислоты:

Существуют и многоосновные карбоновые кислоты, содержащие более двух карбоксильных групп. К ним относится, например, трехосновная лимонная кислота:

В зависимости от природы углеводородного радикала карбоновые кислоты делятся на предельные, непредельные, ароматические.

Предельными, или насыщенными, карбоновыми кислотами являются, например, пропановая (пропионовая) кислота:

или уже знакомая нам янтарная кислота.

Очевидно, что предельные карбоновые кислоты не содержат $\mathit{\pi }$-связей в углеводородном радикале. В молекулах непредельных карбоновых кислот карбоксильная группа связана с ненасыщенным, непредельным углеводородным радикалом, например, в молекулах акриловой (пропеновой) $\mathit{С}{\mathit{Н}}_2=\mathit{С}\mathit{Н}\mathit{—}\mathit{С}\mathit{О}\mathit{О}\mathit{Н}$ или олеиновой $\mathit{С}{\mathit{Н}}_3\mathit{—}\left(\mathit{С}{\mathit{Н}}_2\right)7\mathit{—}\mathit{С}\mathit{Н}=\mathit{С}\mathit{Н}\mathit{—}\left(\mathit{С}{\mathit{Н}}_2\right)7\mathit{—}\mathit{С}\mathit{О}\mathit{О}\mathit{Н}$ и других кислот.

Как видно из формулы бензойной кислоты, она является ароматической, так как содержит в молекуле ароматическое (бензольное) кольцо:

Номенклатура и изомерия

Общие принципы образования названий карбоновых кислот, как и других органических соединений, уже рассматривались. Остановимся подробнее на номенклатуре одно- и двухосновных карбоновых кислот. Название карбоновой кислоты образуется от названия соответствующего алкана (алкана с тем же числом атомов углерода в молекуле) с добавлением суффикса -ов-, окончания -ая и слова кислота. Нумерация атомов углерода начинается с карбоксильной группы. Например:

Количество карбоксильных групп указывается в названии префиксами ди-, три-, тетра-:

Многие кислоты имеют и исторически сложившиеся, или тривиальные, названия.

Названия карбоновых кислот.

После знакомства с многообразным и интересным миром органических кислот рассмотрим более подробно предельные одноосновные карбоновые кислоты.

Понятно, что состав этих кислот выражается общей формулой ${\mathit{С}}_{\mathit{n}}\mathit{Н}2\mathit{n}{\mathit{О}}_2$, или ${\mathit{С}}_{\mathit{n}}\mathit{Н}2\mathit{n}+1\mathit{С}\mathit{О}\mathit{О}\mathit{Н}$, или $\mathit{R}\mathit{C}\mathit{O}\mathit{O}\mathit{H}$.

Физические и химические свойства

Физические свойства.

Низшие кислоты, т.е. кислоты с относительно небольшой молекулярной массой, содержащие в молекуле до четырех атомов углерода, — жидкости с характерным резким запахом (вспомните запах уксусной кислоты). Кислоты, содержащие от $4$ до $9$ атомов углерода, — вязкие маслянистые жидкости с неприятным запахом; содержащие более $9$ атомов углерода в молекуле — твердые вещества, не растворяющиеся в воде. Температуры кипения предельных одноосновных карбоновых кислот увеличиваются с ростом числа атомов углерода в молекуле и, следовательно, с ростом относительной молекулярной массы. Так, например, температура кипения муравьиной кислоты равна $100,8°\mathit{С}$, уксусной — $118°\mathit{С}$, пропионовой — $141°\mathit{С}$.

Простейшая карбоновая кислота — муравьиная $\mathit{Н}\mathit{С}\mathit{О}\mathit{О}\mathit{Н}$, имея небольшую относительную молекулярную массу $\left({\mathit{M}}_{\mathit{r}}\left(\mathit{H}\mathit{C}\mathit{O}\mathit{O}\mathit{H}\right)=46\right)$, при обычных условиях является жидкостью с температурой кипения $100,8°\mathit{С}$. В то же время бутан $\left({\mathit{M}}_{\mathit{r}}\left({\mathit{C}}_4\mathit{H}10\right)=58\right)$ в тех же условиях газообразен и имеет температуру кипения $\mathit{–}0,5°\mathit{С}$. Это несоответствие температур кипения и относительных молекулярных масс объясняется образованием димеров карбоновых кислот, в которых две молекулы кислоты связаны двумя водородными связями:

Возникновение водородных связей становится понятным при рассмотрении строения молекул карбоновых кислот.

Молекулы предельных одноосновных карбоновых кислот содержат полярную группу атомов — карбоксил и практически неполярный углеводородный радикал. Карбоксильная группа притягивается молекулами воды, образуя с ними водородные связи:

Муравьиная и уксусная кислоты растворимы в воде неограниченно. Очевидно, что с увеличением числа атомов в углеводородном радикале растворимость карбоновых кислот снижается.

Химические свойства.

Общие свойства, характерные для класса кислот (как органических, так и неорганических), обусловлены наличием в молекулах гидроксильной группы, содержащей сильную полярную связь между атомами водорода и кислорода. Рассмотрим эти свойства на примере растворимых в воде органических кислот.

1. Диссоциация с образованием катионов водорода и анионов кислотного остатка:

$\mathit{C}{\mathit{H}}_3-\mathit{C}\mathit{O}\mathit{O}\mathit{H}\rightleftarrows \mathit{C}{\mathit{H}}_3-\mathit{C}\mathit{O}{\mathit{O}}^{-}+\mathit{H}+$

Более точно этот процесс описывает уравнение, учитывающее участие в нем молекул воды:

$\mathit{C}{\mathit{H}}_3-\mathit{C}\mathit{O}\mathit{O}\mathit{H}+{\mathit{H}}_2\mathit{O}\rightleftarrows \mathit{C}{\mathit{H}}_3\mathit{C}\mathit{O}{\mathit{O}}^{-}+{\mathit{H}}_3\mathit{O}+$

Равновесие диссоциации карбоновых кислот смещено влево; подавляющее большинство их — слабые электролиты. Тем не менее, кислый вкус, например, уксусной и муравьиной кислот объясняется диссоциацией на катионы водорода и анионы кислотных остатков.

Очевидно, что присутствием в молекулах карбоновых кислот «кислого» водорода, т.е. водорода карбоксильной группы, обусловлены и другие характерные свойства.

2. Взаимодействие с металлами, стоящими в электрохимическом ряду напряжений до водорода: $\mathit{n}\mathit{R}-\mathit{C}\mathit{O}\mathit{O}\mathit{H}+\mathit{M}\to \left(\mathit{R}\mathit{C}\mathit{O}\mathit{O}\right)\mathit{n}\mathit{M}+\frac{\mathit{n}}{2}{\mathit{H}}_2\uparrow$

Так, железо восстанавливает водород из уксусной кислоты:

$2\mathit{C}{\mathit{H}}_3-\mathit{C}\mathit{O}\mathit{O}\mathit{H}+\mathit{F}\mathit{e}\to \left(\mathit{C}{\mathit{H}}_3\mathit{C}\mathit{O}\mathit{O}\right)2\mathit{F}\mathit{e}+{\mathit{H}}_2\uparrow$

3. Взаимодействие с основными оксидами с образованием соли и воды:

$2\mathit{R}-\mathit{C}\mathit{O}\mathit{O}\mathit{H}+\mathit{C}\mathit{a}\mathit{O}\to \left(\mathit{R}-\mathit{C}\mathit{O}\mathit{O}\right)2\mathit{C}\mathit{a}+{\mathit{H}}_2\mathit{O}$

4. Взаимодействие с гидроксидами металлов с образованием соли и воды (реакция нейтрализации):

$\mathit{R}\mathit{—}\mathit{C}\mathit{O}\mathit{O}\mathit{H}+\mathit{N}\mathit{a}\mathit{O}\mathit{H}\to \mathit{R}\mathit{—}\mathit{C}\mathit{O}\mathit{O}\mathit{N}\mathit{a}+{\mathit{H}}_2\mathit{O}$,

$2\mathit{R}\mathit{—}\mathit{C}\mathit{O}\mathit{O}\mathit{H}+\mathit{C}\mathit{a}\left(\mathit{O}\mathit{H}\right)2\to \left(\mathit{R}\mathit{—}\mathit{C}\mathit{O}\mathit{O}\right)2\mathit{C}\mathit{a}+2{\mathit{H}}_2\mathit{O}$.

5. Взаимодействие с солями более слабых кислот с образованием последних. Так, уксусная кислота вытесняет стеариновую из стеарата натрия и угольную из карбоната калия:

$\mathit{C}{\mathit{H}}_3\mathit{C}\mathit{O}\mathit{O}\mathit{H}+{\mathit{C}}_{17}{\mathit{H}}_{35}\mathit{C}\mathit{O}\mathit{O}\mathit{N}\mathit{a}\to \mathit{C}{\mathit{H}}_3\mathit{C}\mathit{O}\mathit{O}\mathit{N}\mathit{a}+{\mathit{C}}_{17}{\mathit{H}}_{35}\mathit{C}\mathit{O}\mathit{O}\mathit{H}\downarrow$,

$2\mathit{C}{\mathit{H}}_3\mathit{C}\mathit{O}\mathit{O}\mathit{H}+{\mathit{K}}_2\mathit{C}{\mathit{O}}_3\to 2\mathit{C}{\mathit{H}}_3\mathit{C}\mathit{O}\mathit{O}\mathit{K}+{\mathit{H}}_2\mathit{O}+\mathit{C}{\mathit{O}}_2\uparrow$.

6. Взаимодействие карбоновых кислот со спиртами с образованием сложных эфиров — реакция этерификации (одна из наиболее важных реакций, характерных для карбоновых кислот):

Взаимодействие карбоновых кислот со спиртами катализируется катионами водорода.

Реакция этерификации обратима. Равновесие смещается в сторону образования сложного эфира в присутствии водоотнимающих средств и при удалении эфира из реакционной смеси.

В реакции, обратной этерификации, которая называется гидролизом сложного эфира (взаимодействие сложного эфира с водой), образуются кислота и спирт:

Очевидно, что реагировать с карбоновыми кислотами, т.е. вступать в реакцию этерификации, могут и многоатомные спирты, например глицерин:

Все карбоновые кислоты (кроме муравьиной) наряду с карбоксильной группой содержат в молекулах углеводородный остаток. Безусловно, это не может не сказаться на свойствах кислот, которые определяются характером углеводородного остатка.

7. Реакции присоединения по кратной связи — в них вступают непредельные карбоновые кислоты. Например, реакция присоединения водорода — гидрирование. Для кислоты, содержащей в радикале одну $\mathit{\pi }$-связь, можно записать уравнение в общем виде:

${\mathit{C}}_{\mathit{n}}{\mathit{H}}_{2\mathit{n}-1}\mathit{C}\mathit{O}\mathit{O}\mathit{H}+{\mathit{H}}_2\stackrel{\mathit{к}\mathit{а}\mathit{т}\mathit{а}\mathit{л}\mathit{и}\mathit{з}\mathit{а}\mathit{т}\mathit{о}\mathit{р}}{\to }{\mathit{C}}_{\mathit{n}}{\mathit{H}}_{2\mathit{n}+1}\mathit{C}\mathit{O}\mathit{O}\mathit{H}.$

Так, при гидрировании олеиновой кислоты образуется предельная стеариновая кислота:

Непредельные карбоновые кислоты, как и другие ненасыщенные соединения, присоединяют галогены по двойной связи. Так, например, акриловая кислота обесцвечивает бромную воду:

8. Реакции замещения (с галогенами) — в них способны вступать предельные карбоновые кислоты. Например, при взаимодействии уксусной кислоты с хлором могут быть получены различные хлорпроизводные кислоты:

,

,

Отдельные представители карбоновых кислот и их значение

Муравьиная (метановая) кислота ХЦООХ — жидкость с резким запахом и температурой кипения $100.8°\mathit{С}$, хорошо растворима в воде. Муравьиная кислота ядовита, при попадании на кожу вызывает ожоги! Жалящая жидкость, выделяемая муравьями, содержит эту кислоту. Муравьиная кислота обладает дезинфицирующим свойством и поэтому находит свое применение в пищевой, кожевенной и фармацевтической промышленности, медицине. Она используется при крашении тканей и бумаги.

Уксусная (этановая) кислота $\mathit{C}{\mathit{H}}_3\mathit{C}\mathit{O}\mathit{O}\mathit{H}$ — бесцветная жидкость с характерным резким запахом, смешивается с водой в любых cоотношениях. Водные растворы уксусной кислоты поступают в продажу под названием уксуса ($3\mathit{–}5\%$-ный раствор) и уксусной эссенции ($70\mathit{–}80\%$-ный раствор) и широко используются в пищевой промышленности. Уксусная кислота — хороший растворитель многих органических веществ и поэтому используется при крашении, в кожевенном производстве, в лакокрасочной промышленности. Кроме этого, уксусная кислота является сырьем для получения многих важных в техническом отношении органических соединений: например, на ее основе получают вещества, используемые для борьбы с сорняками, — гербициды.

Уксусная кислота является основным компонентом винного уксуса, характерный запах которого обусловлен именно ею. Она — продукт окисления этанола и образуется из него при хранении вина на воздухе.

Важнейшими представителями высших предельных одноосновных кислот являются пальмитиновая ${\mathit{C}}_{15}{\mathit{H}}_{31}\mathit{C}\mathit{O}\mathit{O}\mathit{H}$ и стеариновая ${\mathit{C}}_{17}{\mathit{H}}_{35}\mathit{C}\mathit{O}\mathit{O}\mathit{H}$ кислоты. В отличие от низших кислот, эти вещества твердые, плохо растворимы в воде.

Однако их соли — стеараты и пальмитаты — хорошо растворимы и обладают моющим действием, поэтому их еще называют мылами. Понятно, что эти вещества производят в больших масштабах. Из непредельных высших карбоновых кислот наибольшее значение имеет олеиновая кислота ${\mathit{C}}_{17}{\mathit{H}}_{33}\mathit{C}\mathit{O}\mathit{O}\mathit{H}$, или $\mathit{C}{\mathit{H}}_3\mathit{—}{\left(\mathit{C}{\mathit{H}}_2\right)}_7\mathit{—}\mathit{C}\mathit{H}=\mathit{C}\mathit{H}\mathit{—}{\left(\mathit{C}{\mathit{H}}_2\right)}_7\mathit{C}\mathit{O}\mathit{O}\mathit{H}$. Это маслоподобная жидкость без вкуса и запаха. Широкое применение в технике находят ее соли.

Простейшим представителем двухосновных карбоновых кислот является щавелевая (этандиовая) кислота $\mathit{H}\mathit{O}\mathit{O}\mathit{C}\mathit{—}\mathit{C}\mathit{O}\mathit{O}\mathit{H}$, соли которой встречаются во многих растениях, например в щавеле и кислице. Щавелевая кислота — это бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворяется в воде. Она применяется при полировке металлов, в деревообрабатывающей и кожевенной промышленности.