Карбоновые кислоты

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ СЕВЕРСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ - филиал Федерального государственного бюджетного образовательного учрежде-

ния высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ»

Утверждаю Зав. кафедрой ХиТМСЭ,

профессор, д-р техн. наук

_________ В.В. Гузеев “____” ___________ 2011

г.

С.А. Безрукова

КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ И ИХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПРОИЗВОДНЫЕ

Практическое руководство

Северск 2011

УДК – 547

Безрукова С.А. Карбоновые кислоты и их функциональные производные: практическое руководство.– Северск: Изд-во СТИ НИЯУ МИФИ, 2011. – 34 с.

Руководство содержит материал, необходимый для изучения студен- тами раздела курса органической химии – карбоновые кислоты и их функ- циональные производные. Изложение теоретического материала сопро- вождается примерами.

Руководство предназначено для студентов дневного обучения техно- логического факультета специальностей 240601 при изучении курса “Ор- ганическая химия”.

Печатается в соответствии с планом выпуска учебно-методической литературы на 2010 г., утвержденным Советом СТИ НИЯУ МИФИ.

Рег. № _______от «__»___________

Рецензент Л.Д. Агеева, доцент кафедры ХиТМСЭ, канд. хим. наук Редактор Р.В. Фирсова

Подписано к печати ______Формат 60×84/32 Гарнитура Times New Roman, Бумага писчая №2 Плоская печать. Усл. печ. л.0,99 Уч. изд. л.1,79 Тираж 30 экз. Заказ ______

Отпечатано в ИПО СТИ НИЯУ МИФИ 636036 Томская обл., г. Северск Томской обл., пр. Коммунистический , 65

2

3

Введение

Карбоновые кислоты – производные углеводородов, в молекулах которых один или несколько водородных атомов замещены на соответствующее число карбоксильных групп (- COOH).

Углеводородные радикалы, связанные с карбоксильной группой, определяют предельность или непредельность карбоновых кислот. От чис- ла карбоксильных групп зависит основность кислот: кислоты с одной группой являются одноосновными (монокарбоновые), с двумя – двухос- новными (дикарбоновые) и т.д.

По числу углеродных атомов карбоновые кислоты классифицируют на обычные (С1-С10) и высшие (>С10) кислоты. Карбоновые кислоты с чис- лом атомов углерода выше 6 называют высшими (жирными) кислотами. Название "жирные" эти кислоты получили потому, что большинство из них могут быть выделены из жиров.

Гомологический ряд одноосновных предельных карбоновых кислот начинается с муравьиной кислоты. Формула гомологического ряда кислот

СnН2nО2 (n≥1) или СnН2n+1CООН (n≥0).

Непредельные монокарбоновые кислоты имеют общую формулу CnH2n-1COOH; диэтиленовые и ацетиленовые кислоты CnH2n-3COOH.

Цель данного руководства состоит в том, чтобы рассмотреть основы номенклатуры карбоновых кислот; изучить способы их получения и физи- ко-химические свойства; научиться составлять структурные формулы и давать названия карбоновым кислотам и их производным (по систематиче- ской и рациональной номенклатурам); на основании полученных знаний о

свойствах данного класса соединений научиться осуществлять цепочки превращений.

4

1 Классификация карбоновых кислот

1.1 Классификация карбоновых кислот по основности

По основности (т.е. числу карбоксильных групп в молекуле) карбо- новые кислоты можно разделить на несколько групп:

-одноосновные (монокарбоновые, одна группа - СООН) RCOOH;

например, CH3CH2CH2COOH;

-двухосновные (дикарбоновые) R(СООН)2, например:

HOOC-CH2-COOH пропандиовая (малоновая) кислота;

бензол – 1,4 – дикарбоновая (терефталевая) кислота;

- трехосновные (трикарбоновые) R(СООН)3 кислоты и т.д.

1.2 Классификация карбоновых кислот по строению углеводородного радикала

По строению углеводородного радикала, с которым связана кар- боксильная группа, карбоновые кислоты подразделяются на:

- алифатические карбоновые кислоты:

а) предельные, например, уксусная CH3COOH кислота;

б) непредельные, например, CH2=CHCOOH пропеновая (акри- ловая) кислота;

бензол – 1,2 – дикарбоновая (фталевая) кислота.

Если в углеводородном радикале карбоновых кислот атом (атомы) водорода замещен на другие функциональные группы, то такие кислоты называются гетерофункциональными. Среди них различают:

-галогенкарбоновые (например, CH2Cl—COOH хлоруксусная кислота);

-нитрокислоты (например, NO2—С6Н4СООН нитробензойная кислота);

-аминокислоты (например, NH2—СН2СООН аминоуксусная кислота);

-оксикислоты (например, молочная СН3—СН(ОН)—СООН) и др.

5

2 Номенклатура карбоновых кислот

В основе названий карбоновых кислот лежат названия соответству- ющих углеводородов. Систематические названия кислот даются по назва- нию соответствующего углеводорода с добавлением суффикса -овая и сло-

ва кислота.

Нумерация главной цепи начинается с атома углерода, входящего в состав карбоксильной группы, например:

2-хлор-5-метилгептановая кислота

CH3—CH=CH—COOH.

бутен-2-овая кислота

Карбоновые кислоты можно называть по рациональной номенклатуре, рассматривая их как производные уксусной кислоты СН3СООН, в молекуле которой атомы водорода метильной группы замещены радикалами, например:

диметилуксусная кислота

Если карбоксильную группу рассматривать как заместитель в моле- куле углеводорода, то при этом в названии надо употреблять словосочета- ние "карбоновая кислота" и в нумерацию атомов углерода цепи атом угле- рода карбоксильной группы не включать:

9 8

СН3(СН2)7СН=СН(СН2)7СООН.

гептадецен-8-карбоновая (олеиновая) кислота

Кроме того, низшие карбоновые кислоты часто имеют тривиальные названия, которые обыкновенно указывают на природный источник, из ко- торого была выделена та или иная кислота, например: муравьиная кислота, уксусная, масляная (полученная впервые из коровьего масла), валериано- вая (из корней валерианы), лауриновая (из плодов лаврового дерева) и т.д.

В таблице 1 приведены формулы и названия важнейших кислот и названия их радикалов RCOO- , используемые в номенклатуре солей и сложных эфиров.

6

Таблица 1 – Формулы и названия некоторых предельных и непредельных

одноосновных карбоновых кислот

Систематическая номенклатура двухосновных карбоновых кислот включает названия соответствующих углеводородов и окончание – диовая кислота.

При рассмотрении карбоксильной группы как заместителя, название

двухосновной кислоты производят от названия углеводородного радикала с добавлением словосочетания дикарбоновая кислота. Например, малоно- вую кислоту (НООС-СН2-СООН) называют метандикарбоновой кислотой.

Втаблице 2 приведены формулы и названия важнейших предельных

инепредельных двухосновных кислот.

7

Таблица 2 – Формулы и названия некоторых предельных двухосновных

карбоновых кислот

Для названия кислот ароматического ряда применяются те же прави- ла, что и для предельных одно- и двухосновных кислот.

В таблице 3 приведены формулы и названия важнейших кислот аро- матического ряда.

Таблица 3 – Формулы и названия важнейших кислот ароматического ряда

8

Отличительной особенностью кислот ароматического ряда с двумя заместителями в составе бензольного кольца является то, что в зависимо-

сти от положения этих заместителей к названию кислоты добавляются следующие приставки:

1)орто- (или о-), в случае, если заместители расположены у 1-го и 2- го атомов углерода в бензольном кольце (орто-положение заместителей);

2)мета- (или м-), в случае, если заместители расположены у 1-го и 3- го атомов углерода в бензольном кольце (мета-положение);

3)пара-(или п -), в случае, если заместители расположены у 1-го и 4- го атомов углерода в бензольном кольце (пара-положение).

3 Строение и изомерия карбоновых кислот

3.1 Электронное и пространственное строение карбоксильной группы

Основной функциональной группой, определяющей кислотные свой- ства карбоновых кислот, является карбоксильная группа:

Эту группу можно рассматривать как формальное сочетание карбо- нильной С=О (карб) и гидроксильной -ОН (окси) групп, взаимно влияю- щих друг на друга.

Кислотные свойства карбоновых кислот обусловлены смещением электронной плотности к карбонильному кислороду и вызванной этим до- полнительной (по сравнению со спиртами) поляризации связи О-Н.

Однако такое смещение еще более усиливается под влиянием сосед- ней карбонильной группы. Происходит, таким образом, смещение элек- тронной плотности по всей карбоксильной группе: от связи О-Н к кисло- роду карбонила, что можно показать с помощью стрелок:

δ −

δ+

Врезультате связь О–Н становится настолько поляризованной, что водород способен «отрываться» в виде протона. Происходит процесс кис- лотной диссоциации:

(в водном растворе протон превращается в ион гидроксония Н3О+).

9

Кислотные свойства зависят от природы радикалов, связанных с кар- боксилом. Если радикал обладает электроноакцепторными свойствами (–I - индуктивный эффект), то сила кислот увеличивается (I), если же электро- нодонорными свойствами (+I - индуктивный эффект), то уменьшается (II):

В первом случае происходит увеличение δ+ на углероде карбонила, во втором – уменьшение. От величины этого заряда зависит степень сме- щения электронной плотности от связи О–Н, а в целом – сила кислоты. Те- перь становится понятным, почему в ряду карбоновых кислот самой силь- ной является муравьиная кислота (рКа=3,75). В ее молекуле отсутствует углеводородный радикал, уменьшающий кислотность. Проявление кис- лотных свойств в этом случае определяется только карбоксильной груп- пой. В то же время остальные члены гомологического ряда – довольно слабые кислоты (их рКа составляет около 4,7 – 4,9).

На примере карбоновых кислот можно наблюдать проявление вза- имного влияния атомов в молекуле. Оно становится еще более заметным, если в радикал вводить различные по своей электронной природе замести- тели. Например, атом галогена, проявляя –I - индуктивный эффект, смеща- ет электронную плотность в молекуле в свою сторону. В результате сила карбоновой кислоты увеличивается:

δ −

δ +

хлоруксусная кислота

В таблице 4 представлены примеры влияния атома хлора на прояв- ление кислотных свойств уксусной кислоты.

Таблица 4 – Влияние атома хлора на проявление кислотных свойств уксус-

ной кислоты

Влияние галогена быстро ослабевает по мере удаления его от кар- боксильной группы («затухание» –I - эффекта).

10