Застосування

Мурашиний альдегід – 40 % водний розчин формальдегіду застосовують під назвою „формалін” як дезінфікуючий та дублячий засіб, консервант анатомічних препаратів. У промисловості використовують у виробництві фенолоформальдегідних смол.

Оцтовий альдегід використовують для одержання оцтової кислоти.

Ацетон застосовується як розчинник органічних речовин і як вихідна речовина в синтезі деяких лікарських препаратів, наприклад йодоформу. Йодоформ застосовують як антисептичний засіб в стома­тології, а також у формі присипок і мазей для лікування інфікованих ран і виразок.

 

§13.4. Карбоксильні сполуки

13.4.1. Карбонові кислоти

КАРБОНОВИМИ КИСЛОТАМИназиваються похідні вуг­ле­воднів, в молекулі яких міститься одна або декількакарбоксильних груп –COOH.

Загальна формула карбонових кислот:

Класифікація карбонових кислот

Залежно від природи радикала, пов'язаного з карбоксильною групою, кислоти ділять на:

· аліфатичні	· ароматичні
бензойна кислота
o насичені	o ненасичені
оцтова СН3-СОOH	акрилова CH2=CH–COOH
стеаринова С17Н35-СОOH	олеїнова С17Н33-СОOH

Число карбоксильних груп визначає основність кислот:

 

· одноосновні	· двохосновні
оцтова (етан ова) СН3-СОOH	щавлева (етан діова)	COOH I COOH

Загальна формула насичених одноосновних кислот: С_nH_2n+1COOH ( або С_nH_2nO₂).

Номенклатура

Поширені тривіальні назви. За правилами IUPAC до назви вуглеводня додають " -ова кислота ".

НАЗВА	Формула кислоти
кислоти	їх солі (естери)
насичені одноосновні кислоти
мурашина	метанОВА	форміат	HCOOH
оцтова	етанОВА	ацетат	CH3COOH
пропіонова	пропанОВА	пропіонат	CH3CH2COOH
масляна	бутанОВА	бутират	CH3(CH2)2COOH
валеріанова	пентанОВА	валерат	CH3(CH2)3COOH
капронова	гексанОВА	гексанат	CH3(CH2)4COOH
	октанОВА	октаноат	CH3(CH2)6COOH
	деканОВА	деканоат	CH3(CH2)8COOH
ненасичені одноосновні кислоти
акрилова	пропенОВА	акрилат	CH2=CH–COOH
ароматичні одноосновні кислоти
бензойна	бензенОВА	бензоат	C6H5COOH
насичені двохосновні кислоти
щавлева	етанДІОВА	оксалат	COOH I COOH
вищі жирні кислоти
насичені кислоти
пальмітинова	гексадеканова	пальмітат	C15H31COOH
стеаринова	октадеканова	стеарат	C17H35COOH
ненасичені кислоти
олеїнова	октадекенова	олеат	C17H33COOH
лінолева	октадекадієнова	лінолеат	C17H31COOH

Ізомерія карбонових кислот

1. Для аліфатичних кислот – ізомерія вуглеводневого радикалу.

2. Для ароматичних - ізомерія положення замісника при бензольному кільці.

3. Міжкласова ізомерія з естерами (наприклад, CH₃COOH і HCOOCH₃).

 

Одержання

1) окиснення первинних спиртів і альдегідів киснем в присут­ності каталізаторів, KMnO₄; K₂Cr₂O₇:

				O			O
			//			//
R-	-CH2OH	–[O]® R–	– C		–[O]® R-	-C
			\			\
				H			OH
первинний спирт		альдегід		кислота

2) промисловий синтез мурашиної кислоти:

a) каталітичне окиснення метану

2CH₄ + 3O₂ –– ^{t°, кат} ® 2H–COOH + 2H₂O

б) нагріванням оксиду вуглецю (II) з гідроксидом натрію

CO + NaOH –– ^{p; 200°C} ® H–COONa ––^H2SO4® H–COOH

3) промисловий синтез оцтової кислоти:

a) каталітичне окиснення бутану

2CH₃–CH₂–CH₂–CH₃ + 5O₂ –– ^{t°, кат} ® 4CH₃COOH + 2H₂O

б) нагріванням суміші оксиду вуглецю (II) і метанолу на каталі­заторі під тиском

CH₃OH + CO ® CH₃COOH

4) окисненням гомологів бензолу синтезують ароматичні кислоти:

5 + 6KMnO₄ + 9H₂SO₄ –– ^t° ® 5 + 3K₂SO₄ + 6MnSO₄ + 14H₂O

толуол бензойна

кислота

5) гідроліз функціональних похідних (складних ефірів, ангід­ри­дів, галогенангідридів, амідів).

СH₃COOС₂Н₅ –– ^{t°, Н2О} ® СH₃COOН + С₂Н₅ОН

етилацетат етанова кислота етанол

 

Хімічні властивості

1. Через зсув електронної густини від гідроксильної групи O–H до сильно поляризованої карбонільної групи C=O молекули карбонових кислот здатні до електролітичної дисоціації:

R–COOH «R–COO^- + H⁺

Сила карбонових кислот у водному розчині невелика.

2. Карбонові кислоти володіють властивостями, характерними для мінеральних кислот. Вони реагують з активними металами, основними оксидами, основами, солями слабких кислот:

2СH₃COOH + Mg ® (CH₃COO)₂Mg + H₂

2СH₃COOH + СaO ® (CH₃COO)₂Ca + H₂O

H–COOH + NaOH ® H–COONa + H₂O

2СH₃CH₂COOH + Na₂CO₃ ® 2CH₃CH₂COONa + H₂O + CO₂

СH₃CH₂COOH + NaHCO₃ ® CH₃CH₂COONa + H₂O + CO₂

Карбонові кислоти слабші за багато сильних мінеральних кислот (HCl, H₂SO₄ і т.д.) і тому витісняються ними з солей:

СH₃COONa + H₂SO₄(конц.) ––® CH₃COOH + NaHSO₄

3. Утворення функціональних похідних:

a) при взаємодії із спиртами (у присутності концентрованої H₂SO₄) утворюються складні ефіри. Утворення складних ефірів при взаємодії кислоти і спирту у присутності мінеральних кислот нази­ва­ється реакцією ЕСТЕРИФІКАЦІЇ (ester з латинського " ефір"). Дану реакцію розглянемо на прикладі утворення метилового ефіру оцтової кислоти з оцтової кислоти і метилового спирту:

оцтова кислота + HO–CH₃ метиловый спирт ®
® метиловиий ефір оцтової кислоти + H₂O

Загальна формула складних ефірів (естерів ) , де R і R' – вуглеводневі радикали в складних ефірах.

Зворотною реакцією є гідроліз складного ефіру (ОМИЛЕННЯ):

+ HO–H ® + CH₃OH

метилацетат етанова кислота метанол

Як видно, процес етерифікації оборотний:

+ HO–CH₃ « + H₂O

При настанні хімічної рівноваги в реакційній суміші знаходитимуться як початкові, так і кінцеві речовини. Каталізатор (іони водню) – однаково прискорюють пряму і зворотну реакції, тобто йде досягнення рівноваги. Щоб зсунути рівновагу у бік утворення естеру, слід брати в надлишку початкові кислоту або спирт, або видаляти один з про­дуктів реакції зі сфери взаємодії – наприклад, відганяючи естер або зв'язуючи воду водовіднімаючими засобами.

б) при дії водовіднімаючих реагентів в результаті міжмолекулярної дегідратації утворюються ангідриди:

+ –– ^(P2O5) ® + H₂O

оцтовий ангідрид

c) при обробці карбонових кислот п'ятихлористим фосфором одержують хлорангідриди

+ PCl₅ ® + POCl₃ + HCl

хлорангідрид

оцтової кислоти

Гідроліз всіх функціональних похідних карбонових кислот (ангід­ридів, хлорангідридів, складних ефірів і ін.) приводить в кислому сере­довищі до початкових карбонових кислот, а в лужному середовищі – до їх солей.

4. Галогенування. При дії галогенів (у присутності червоного фосфору) утворюються a-галогензаміщені кислоти:

a
CH3–CH2–COOH –– Br2; (P) ® CH3–CH–COOH + HBr I Br
	a-бромпропіонова кислота 2-бромпропанова кислота

a- Галогензаміщені кислоти – більш сильні кислоти, ніж карбо­нові, за рахунок електроноакцепторних властивостей атома галогену.

 

До ненасичених карбонових кислот відносяться карбонові кислоти, які містять у вуглеводному радикалі кратний зв'язок. В номен­клатурі ненасичених кислот широко використовують тривіаль­ні назви. За ІЮПАК назви ненасичених кислот утворюють аналогічно насиченим, використовуючи суфікс –ен для позначення подвійного зв'язку і суфікси –ин(ін) для позначення потрійного.

Реакційна здатність ненасичених монокарбонових кислот зумовлена наявністю в їх структурі карбоксильної групи, зокрема, вони утворюють солі, галогенангідриди, ангідриди, естери, аміди. По кратному зв'язку у вуглеводневому радикалі ненасичені кислоти мають властивості алкенів (алкінів).

ВИЩІ КАРБОНОВІ КИСЛОТИ були виділені з жирів, тому одер­жали назву жирних. Ці сполуки (ВЖК) входять до складу багатьох ліпідів – групи речовин, що містяться в тваринних і рослинних тканинах, що виконують ряд важливих функцій, не розчинних у воді, але розчинних в малополярних розчинниках. ВЖК, в більшості, моно­карбонові кислоти з нерозгалуженим вуглецевим ланцюгом і парним числом атомів Карбону (частіше всього 16 і 18 атомів). ВЖК про­яв­ляють хімічні властивості, характерні для карбонових кислот взагалі.

У ліпідах організму людини ВЖК можуть бути представлені насиченими (стеаринова, пальмітинова) і ненасиченими (олеїнова, ліно­лева, ліноленова, арахідонова) кислотами, рідше – циклічними і гідро­ксикислотами. Особливо важлива роль поліненасичених ліно­левої і ліноленової кислот як сполук, незамінних для людини. Вони сприяють зниженню в крові холестеролу – одного з чинників розвитку атеросклерозу.

Застосування

Мурашина кислота – в медицині, в бджільництві, в органічному синтезі, при отриманні розчинників і консервантів; як сильний від­новник.

Оцтова кислота – в харчовій і хімічній промисловості (виробництво ацетилцелюлози, з якої одержують ацетатне волокно, орга­ніч­не скло, кіноплівку; для синтезу фарбників, медикаментів і складних ефірів).

Масляна кислота – для отримання ароматизуючих добавок, пластификаторів і флотореагентів.

Щавлева кислота – в металургійній промисловості (видалення окалини).

Стеаринова C₁₇H₃₅COOH і пальмітинова кислоти C₁₅H₃₁COOH – як поверхнево-активні речовини, змащувальні матеріали в метало­об­робці.

Олеїнова кислота C₁₇H₃₃COOH – флотореагент і збирач при зба­га­ченні руд кольорових металів.

ДИКАРБОНОВИМІ КИСЛОТАМИ називають похідні вугле­вод­нів, які містять в своєму складі дві карбоксильні групи.

НО– –R– –OН’

У номенклатурі дикарбонових кислот застосовують тривіальні наз­ви. За номенклатурою ІЮПАК назви дикарбонових кислот утворюють з назв відповідних вуглеводнів з додаванням префікса – ди -, суфікса – ова і слова кислота.

COOH

½

COOH етандіова кислота (щавлева кислота)

Ізомерія дикарбонових кислот обумовлена різною структурою вуглецевого скелету.

Одержують дикарбонові кислоти тими ж методами, що і моно­кар­бонові, використовуючи як початкові речовини біфункціональні сполуки.

За хімічними властивостями дикарбонові кислоти схожі до монокарбонових, але утворюють два ряди похідних (дисоціюють ступін­часто – утворюють солі кислі і середні, естери повні і неповні, галогенангідриди та аміди). Крім того, дикарбоновв кислоти проявляють ряд специфічних властивостей:

а) при нагріванні декарбоксилюються по одній карбоксильній групі і перетворюються на монокарбонові;

б) починаючи з янтарної кислоти при нагріванні утворюють цик­лічні ангідриди (янтарний та глутаровий, у випадку нагрівання гек­сан­діової кислоти - циклопентанон).

Ненасичені дикарбонові кислоти містять в своєму складі дві карбоксильні групи і кратний вуглець-вуглецевий зв'язок. Представ­ни­ками даних кислот є малеїнова і фумарова кислоти, які є геометричними цис- і транс- ізомерами.

Так, малеїнова і фумарова кислоти відрізняються розташуванням карбоксильних груп відносно площини, яка проходить через середину π -звязку (рис.6)

Рис.6. Геометричні ізомери:

а) малеїнові кислота (цис-ізо­мер),

б) фумарола кислота (транс-ізо­мер)

За хімічними властивостями ці кислоти схожі до насичених мононокарбонових кислот і ненасичених вуглеводнів.

Ароматичні дикарбонові кислоти містять дві карбоксильні групи безпосередньо сполучені з ароматичним ядром. Найважливішими пред­ставниками є фталева кислота і її ізомери.

Естери

ЕСТЕРИ (СКЛАДНІ ЕФІРИ)– складаються із залишку кар­бо­нової кислоти.

Загальна формула С_nH_2nO₂ – або , де залишок кислоти, - залишок спирту.

 

Номенклатура

Естери можна розглядати як похідні кислот, в яких атом гідро­ге­ну заміщений на радикал.

Назву естеру записують одним словом:

• естери, утворені мінеральними кислотами

- етилнітр АТ

• естери, утворені спиртами та карбоновими кислотами

- метилетан ОАТ

(метилацетат, метиловий естер оцтової кислоти)

 

Види ізомерії

1) Ізомерія карбонового скелету.

С4Н8О2
Метилпропаноат (метиловий естер пропанової кислоти)	Етилпропаноат (етиловий естер етанової кислоти)

2) Міжкласова ізомерія (з карбоновими кислотами).

С4Н8О2
Метилпропаноат (метиловий естер пропанової кислоти)	Бутанова кислота

 

Фізичні властивості

Естери нижчих карбонових кислот та спиртів – леткі рідини, мають приємний фруктовий запах, малорозчинні у воді, добре розчинні в органічних розчинниках, легкозаймисті, на повітрі горять з утворен­ням СО₂ і Н₂О. Між молекулами естерів відсутній водневий зв'язок.

Наприклад, метилпентаноат має запах вишень, метилетаноат – рому,

етилпентаноат – бананів, бутилетаноат – абрикосів,

бутилбутаноат – ананасів, ізопентилетаноат – яблук.

Естери вищих карбонових кислот та спиртів – високомолекулярні речовини. Наприклад, бджолиний віск складається з мірицилпаль­мі­тату С₁₅Н₃₁СООС₃₁Н₆₃.

 

Поширення в природі. Містяться у квітах, фруктах, ягодах, визна­чають їх специфічний запах. Бджолиний віск переважно склада­ється із складних ефірів вищих жирних кислот і високомолекулярних одноатомних спиртів.

 

Одержання

Реакція ЕСТЕРИФІКАЦІЇ – кислота + спирт.

 

Хімічні властивості

1. ГІДРОЛІЗ (в кислому середовищі) або ОМИЛЕННЯ (в луж­ному середовищі). Ця реакція є зворотною щодо реакції ЕСТЕРИ­ФІ­КАЦІЇ.

Гідроліз у кислому середовищі оборотний.

У лужному середовищі утворюється сіль і гідроліз стає необорот­ним.

2. ГІДРУВАННЯ - взаємодія з воднем:

 

Застосування

1. Як розчинник для лаків і фарб.

2. Для виготовлення штучних фруктових есенцій та ароматизато­рів.

3. У виробництві парфумів.

4. У виробництві СМЗ і вибухових речовин.

Генетичний зв’язок між вуглеводнями, спиртами, альдегідами і кислотами

Між різними класами органічних сполук існує генетичний зв’язок. Це означає, що із одної органічної сполуки можна отримати іншу і т.д.

Знання взаємних перетворень речовин має величезне практичне значення, оскільки ці перетворення лежать в основі різноманітних син­тезів, які можна вести цілеспрямовано, передбачивши продукти реакції і спрямовуючи ці реакції в потрібний бік.

 

Насичений вуглеводень

®

Ненасичений вуглеводень

®

Спирт

®

Альдегід

®

Карбонова кислота