Лекція 5 . КАРБОНОВІ КИСЛОТИ

Карбонові кислоти – органічні сполуки, у складі яких міститься карбоксильна група – СООН.

Загальна формула R – COOH.

Залежно від природи вуглецевого радикала, сполученого з карбоксильною групою, карбонові кислоти поділяють на:

За кількістю карбоксильних груп карбонові кислоти поділяють на:

Кислотам часто дають емпіричні назви, пов’язані з джерелом первісного виділення або з місцезнаходженням у природі: мурашина, оцтова, масляна та ін.

За номенклатурою ІЮПАК назви кислот утворюються від назв відповідних вуглеводнів з тією ж кількістю атомів вуглецю, що і в молекулі кислоти, з додаванням закінчення – ова і слова кислота:

СН₃ – СН₂ – СООН – пропан ова кислота

Назви деяких кислот, їх ацилів і солей

Формула кислоти	Назва по номенклатурі IUPAC	Назва по тривіальній номенклатурі	Назва ацилу	Назва солі
НСООН	метанова	мурашина		форміати
СН3СООН	етанова	оцтова		ацетати
СН3СН2СООН	пропанова	пропіонова		пропіонати
СН3СН2СН2СООН	бутанова	масляна		бутирати
СН3(СН2)3СООН	пентанова	валеріанова		валерати

Фізичні та хімічні властивості:

Найпростіші кислоти за звичайних умов – безбарвні рідини, які змішуються з водою в будь-яких співвідношеннях. Кислоти з кількістю вуглецевих атомів від С₄ до С₉ – маслянисті рідини з неприємним запахом. Вищі кислоти – тверді речовини без запаху, нерозчинні у воді, але розчинні в органічних розчинниках. Ароматичні кислоти – кристалічні речовини.

Карбонові кислоти мають дуже високі температури кипіння порівняно з спиртами з такою самою кількістю вуглецевих атомів. Це пояснюється асоціацією молекул кислот завдяки водневим зв’язкам. Вони міцніші, ніж в асоціатах спиртів, бо зв’язок О – Н в молекулах кислот більш поляризований. Така асоціація може бути циклічною або лінійною:

Карбоксильна група С є поєднанням карбонілу С = О з гідроксилом ОН, які впливають одна на одну, тому карбоксильна група – це нова функціональна група з новими властивостями.

Атоми вуглецю в – СООН групі перебуває у стані sp²-гібридизації і утворює три σ-зв’язки і один π-зв’язок. Зв’язок С = О полярний, електронна густина π-зв’язку зміщена до атома кисню. Внаслідок на атомі вуглецю виникає деякий надлишковий позитивний (δ⁺) заряд і він притягує до себе неподілену електронну пару атома кисню гідроксильної групи. Між неподіленою електроною парою атома кисню і π-електронами подвійного зв’язку відбувається спряження (+М):

У результаті мезомерного ефекту (+М) зменшується δ⁺ на карбонільному атомі вуглецю і тому карбонільна група карбонових кислот порівняно з карбонільною групою альдегідів і кетонів знижує свою здатність вступати в реакції з нуклеофільними реагентами. Крім того, за рахунок мезомерного ефекту відбувається підвищення поляризованості зв’язку О – Н; водень стає більш рухомим і здобуває здатність відщеплюватися у вигляді протона Н⁺. Тому карбонові кислоти у водних розчинах дисоціюють з утворенням карбоксилат-аніона і гідроксонію і змінюють забарвлення індикаторів:

У карбоксилат-аніоні обидва атома кисню перебувають на однаковій відстані від вуглецевого атома і негативний заряд не локалізується на одному атомі кисню, а рівномірно розподілений між двома атомами кисню, тобто відбувається вирівнювання зв’язків:

Делокалізація електронів веде до виграшу енергії, тому карбоксилат-аніон більш стійкий, ніж сама кислота. Це друга причина дисоціації карбонових кислот.

Кислотні властивості:

Карбонові кислоти порівняно з мінеральними кислотами (HCL, H₂SO₄, HJ, HNO₃ та ін.) набагато слабкіші. Ступінь диссоціації їх у водних розчинах невелика (К_а = 10^-5, рК_а = 4,7 – 5) і залежить від характеру і будови алкільного радикала R, наявності замісників у його вуглецевому ланцюзі.

Алкільні радикали, які мають позитивний індукційний ефект (+J)(CH₃ –, C₂H₅ –, C₃H₇ – та ін.) знижують кислотність. Чим більше радикал у молекулі кислоти, тим нижче ступінь диссоціації.

Електроноакцепторні замісники (галогени, ОН, ОР, СООН, NН₂, С₆Н₅–, НС₂ = С–), які мають негативний індукційний ефект (-І) підвищують силу кислот.

За зростанням кислотності карбонові кислоти можна розмістити у такий ряд:

Утворення солей:

Карбонові кислоти при взаємодії з активними металами, основами, основними оксидами утворюють солі:

Утворення похідних кислот (реакції по карбонільному вуглецю)

У ході цих реакцій нуклеофіл:Nuˉ атакує карбонільний вуглець з розривом зв’язку С – ОН:

Залежно від характеру реагента утворюються різноманітні похідні карбонових кислот.

Утворення складних ефірів (реакція етерифікації)

При взаємодії карбонових кислот зі спиртами утворюються складні ефіри. Каталізаторами реакції є концентрована сірчана кислота, газоподібний HCl, кислоти Льюіса