1. Лекція 13
Одноосновні карбонові кислоти
План
1. Одноосновні карбонові кислоти. Номенклатура, ізомерія.
2. Методи одержання одноосновних карбонових кислот.
3. Фізичні та хімічні властивості одноосновних карбонових кислот.
4. Окремі представники. Карбонові кислоти в природі, їх значення у
життєдіяльності людини.
Карбонові кислоти – це похідні вуглеводнів, які містить у молекулі одну
або кілька карбоксильних груп.
O
C
OH
Кількість карбоксильних груп у молекулі карбонової кислоти
визначає основність кислоти: кислоти з однією карбоксильною групою є
одноосновними, з двома – двоосновними і т.д.
Залежно від природи радикалу (алкільного залишку), сполученого з
карбоксильною групою, карбонові кислоти поділяють на насичені і
ненасичені. За кількістю атомів Карбону у радикалі розрізняють кислоти:
нижчі (низькомолекулярні) і вищі (високомолекулярні).
1. Одноосновні карбонові кислоти. Номенклатура, ізомерія
Насичені одноосновні карбонові кислоти мають загальну формулу:
O
C
OH
R
O
C
OH
, абоCnH2n+1
де R – відповідний вуглеводневий радикал або атом Гідрогену (Н).
Карбонові кислоти називають за систематичною та історичною
номенклатурами. За систематичною номенклатурою назву кислот
2. утворюють із назв відповідних вуглеводнів, додаючи до них закінчення
-ова і слова кислота.
Головний ланцюг у молекулі кислоти вибирають так, щоб до нього
обов’язково входила карбоксильна група. Положення радикалів у
вуглеводневому ланцюзі позначають цифрами. Нумерацію ланцюга
починають з атома Карбону карбоксильної групи.
Назви деяких карбонових кислот
Формула
Системат
ична
Історичн
а
Раціонал
ьна
H C
O
OH Метанова
Мурашин
а
–
CH3 C
O
OH Етанова Оцтова –
CH2 C
O
OH
CH3
Пропанова
Пропіонов
а
Метилоцт
ова
CH2
C
O
OH
CH2
CH3
Бутанова Масляна
Етилоцто
ва
CH C
O
OH
CH3
CH3
2-
Метилпропанова
Ізомаслян
а
Диметило
цтова
CH2
C
O
OH
CH2
CH2CH3 Пентанова
Валеріан
ова
Пропілоцт
ова
CH2 C
O
OH
CHCH3
CH3
3-
Метилбутанова
Ізовалері
анова
Ізопропіл
оцтова
(CH2)4 C
O
OH
CH3
Гексанова
Капронов
а
Бутилоцт
ова
(CH2)14 C
O
OH
CH3
Гексадекан
ова
Пальміти
нова
С15Н31СО
ОН
3. (CH2)15 C
O
OH
CH3
Гептадекан
ова
Маргарин
ова
С16Н33СО
ОН
(CH2)16 C
O
OH
CH3
Октадекано
ва
Стеарино
ва
С17Н35СО
ОН
Для найпоширеніших карбонових кислот широко використовують
історичні назви: мурашина, оцтова, масляна, валеріанова. Ці назви
пов’язані переважно з тими джерелами, з яких була виділена та чи інша
кислота: мурашина – з мурашок, оцтова – з оцту, масляна – з масла і т.д.
У деяких випадках для назви кислот нескладної структури
застосовують раціональну номенклатуру, в якій за основу назви беруть
оцтову кислоту.
Монокарбоновим кислотам насиченого ряду властива ізомерія,
пов’язана з розгалуженням карбонового ланцюга. Перші три
представники гомологічного ряду цих кислот ізомерів не мають. При
збільшенні кількості атомів Карбону у молекулі карбонової кислоти
кількість ізомерів різко збільшується:
CH2
C
O
OH
CH2
CH2CH3
Пентанова кислота,
(валеріанова кислота)
CH2
C
O
OH
CHCH3
CH3
3-Метилбутанова кислота,
(ізовалеріанова кислота)
CH C
O
OH
CH2
CH3
CH3
2-Метилбутанова кислота
2. Методи добування
Органічні кислоти досить поширені в рослинному та тваринному
світі, звідки можуть бути виділені.
Разом з тим, відомо досить багато синтетичних методів добування
монокарбонових кислот, які використовують як у промислових
масштабах, так і в лабораторних умовах.
4. 1. Окиснення спиртів і альдегідів:
CH3
C
O
OH
CH3
C
O
H
CH3
CH2
OH
[O] [O]
Етанол Етаналь Етанова кислота
(оцтова кислота)
2. Окиснення насичених вуглеводнів:
CH3
(CH2
)n CH3
CH3
(CH2
)x COOH CH3
(CH2
)y COOH
[O]
+
сильн.
3. Карбонілювання етиленових вуглеводнів (Оксосинтез):
CH CH3
CCH3
CH3
CO+H2
O,
C
O
OH
CCH2
CH3
CH3
CH3
CH C
O
OH
CHCH3
CH3 CH3
Ni(CO)4
4 3 2 1
1
2
34
проти прав.
Марковнікова
за прав.
Марковнікова
2,2-Диметилбутанова кислота
2,3-Диметилбутанова кислота
2-Метил-2-бутен
200ºС
4. Карбоксилювання реактивів Гріньяра:
CH3
CH2
MgBrCH3
CH2
Br
Mg O C O++
Етилбромід (етер)
CH3
CH2
COOMg CH3
CH2
COOH
HOH (H )
Mg(OH)Br
Пропіонова кислота
+
+
-
5. Гідроліз нітрилів:
5. CH3
C NH2
O
CH3
C NCH3
Cl
KCN
CH3
C NH
OH
CH3
C OH
O
HOH (H )
- NH3
- KCl
HOH
Оцтова кислота
+
+
+
+
Амід
Метилхлорид Нітрил
Ізомеризація
6. Окиснення гомологів бензену:
CH3
COOH
[O]
(KMnO4
)
Толуен Бензенова кислота
(ароматична кислота)
7. Гідроліз жирів (див. тему жири).
3. Фізичні та хімічні властивості одноосновних
карбонових кислот
Мурашина, оцтова, пропіонова кислоти – безбарвні речовини з
гострим подразливим запахом, які змішуються з водою в будь яких
співвідношеннях.
Кислоти з кількістю атомів Карбону від С4 до С6 – маслянисті рідини
з неприємним запахом (запах згірклого масла), розчинність яких
зменшується у воді в міру збільшення їх молекулярної маси. Вищі
карбонові кислоти починаючи з С10 – тверді малолеткі парафіноподібні
речовини, без запаху, не розчинні у воді, але розчинні в органічних
розчинниках.
Карбоксильна група C OH
O
являє собою поєднання карбонільної
C O та гідроксильної —ОН груп. Ці групи взаємно впливають одна на
одну. Цей вплив виявляється в мезомерному ефекті, в результаті якого p-
електрони атома Оксигену гідроксилу зміщені до атома Оксигену карбонілу
(+М–ефект.)
6. C O
O
H
..
..
Таке зміщення електронів у карбоксильній групі приводить до
збільшення полярності зв’язку О–Н і відповідно до його послаблення, а
також до зменшення часткового заряду δ+
на карбоксильному атомі
Карбону. В результаті атом Гідрогену в групі гідроксилу ОН стає значно
активнішим, ніж в групі спиртів і може відщеплюватися у вигляді протона
Н+
. Тому карбонові кислоти, на відміну від спиртів, дисоціюють у водних
розчинах.
Хімічні властивості карбонових кислот зумовлені перш за все
наявністю в їх молекулах карбоксильної групи.
І. Кислотні властивості (реакції з розривом зв’язку О–|–Н)
1. Дисоціація кислот:
R C
O
OH
R C
O
O
H+ +_
Порівняно з мінеральними кислотами (HCl, HBr, HІ, H2SO4, HNO3,
H3PO4) органічні кислоти набагато слабші, але сильніші від вугільної
кислоти. Найсильніша карбонова кислота – мурашина.
2. Утворення солей.
Карбонові кислоти при взаємодії з активними металами, основами,
основними оксидами утворюють солі:
CH3
C
O
OH
CaO
CH3
C
O
OH
CH3
C
O
O
Ca
CH3
C
O
O
- H2
O
(CH3
-COO)2
Ca
NaOH CH3 C
O
ONa- H2
O
+
+
,
Натрієва сіль оцтової кислоти,
ацетат натрію
або2
ІІ. Основні властивості (реакції з розривом зв’язку С–/–
ОН).
7. 1. Утворення галогенангідридів кислот:
R C
O
OH
R C
O
Cl
SOCl2
- SO2
+
Хлорангідрид
кислоти
- HCI
2. Утворення ангідридів кислот:
CH3
C
O
OH
CH3
C
O
OH - H2
O CH3 C
O
O
CH3
C
OP2
O5
, t
Ангідрид оцтової
кислоти
º
R C
O
ONa
RC
O
Cl - NaCl R C
O
O
R C
O
+
Ангідрид кислоти
3. Утворення амідів кислот:
R C
O
OH
R C
O
ONH4
NH3
- H2O
R C
O
NH2 - H2
O
P2
O5
,
R C N
- NH3
R C
OH
OH
OH
- H2
O
R C
O
OH
H
+
+
Амонійна сіль
кислоти
tº +3
Амід кислоти Нітрил кислоти
Кислота
H2O ,tº
4. Утворення естерів кислот (реакція естерифікації):
R C
O
OH
R C
O
O R'- H2
О
H2
SO4
,
H O R'
ЕстерСпиртКислота
+
tº
ІІІ. Реакції з участю α-водневого атому.
8. Карбоксильна група є електрофільною і виявляє негативний
індуктивний ефект (-І-ефект), під впливом якого електронна густина на α-
атомі Карбону алкільного залишку зменшується.
C C
O
OH
R
H
H
Внаслідок цього зв'язок даного атому Карбону з атомами Гідрогену
слабшає, тим самим підвищується активність α-водневих атомів, які
стають рухливими і можуть брати участь у реакціях заміщення.
CH3
C
O
OH
Cl2
- HCl
CH2
C
O
OH
Cl Cl2Cl2
- HCl- HCl
C C
O
OH
Cl
Cl
ClCH C
O
OH
Cl
Cl
Оцтова
кислота
Монохлороцтова
кислота
Дихлороцтова
кислота
Трихлороцтова
кислота
tº
4. Окремі представники. Карбонові кислоти в природі, їх
значення у життєдіяльності людини
Мурашина кислота – була добута з червоних лісових мурашок.
Солі мурашиної кислоти – форміати. Мурашина кислота зустрічається в
природі у вільному стані. Вона міститься в соках кропиви, хвої, фруктах,
а також в поті і сечі. В промисловості одержують із її натрієвої солі, яка
утворюється при пропусканні оксиду вуглецю через розплавлений
гідроксид натрію.
Мурашина кислота застосовується в промисловому органічному
синтезі, у текстильній промисловості, при дублені шкіри, у харчовому
виробництві для консервування соків.
Оцтова кислота відома з глибокої давнини у вигляді оцту, який
утворюється при оцтовокислому бродінні спиртових напоїв. при
звичайній температурі безбарвна рідина з різким запахом. Безводна
оцтова кислота замерзає при 289,6 К, називається льодяною. Водний
9. розчин (70-80 %) оцтової кислоти називається оцтовою есенцією, а 3-5
%-ний - столовим оцтом. Оцтова кислота часто зустрічається в природі.
Вона міститься в сечі, поті, жовчі і шкірі тварин, рослинах. Утворюється
при оцтовокислому бродінні рідин, що містять спирт (вино, пиво). Оцтова
кислота і її солі широко застосовуються в різних галузях народного
господарства, харчовій і хімічній промисловості.
Солі оцтової кислоти називають – ацетатами.
Пальмітинова кислота С15Н31СООН.
Стеаринова кислота С17Н35СООН.
Пальмітинова С15Н31СООН і стеаринова С17Н35СООН кислоти є
важливими представниками вищих жирних кислот. Їх отримують при
омиленні жирів, а також каталітичним окисленням парафінів. Солі цих
кислот називаються милами. Натрієві і калієві мила розчинні у воді і
добре "миляться". Солі магнію, кальцію, барію і деяких інших металів
дуже погано розчиняються у воді; тому звичайні мила в жорсткій воді
переходять в нерозчинний стан, не миляться, не піняться, стають
липкими. Пальмітинова кислота в вигляді ефірів складає головну частину
бджолиного воску. Суміш твердих жирних кислот, яка складається
головним чином із С15Н31СООН і С17Н35СООН і утворюється при омиленні
жирів, називається стеарином.
Ці кислоти входять до складу більшості жирів.
Пальмітинова кислота є складовою частиною бджолиного воску.
Калієві та натрієві солі цих кислот є милами. Суміш пальмітинової і
стеаринової кислоти називають стеарином і використовують для
виготовлення свічок.
