1.3. Фізичні властивості
Нижчі карбонові кислоти (з числом атомів вуглецю не більше трьох) за звичайних умов являють собою легко рухливі рідини з гострим запахом. Кислоти з С4—С9 — маслянисті рідини з неприємним запахом, що нагадує запах поту. Карбонові кислоти з числом атомів вуглецю С10 і вище є твердими речовинами. Мурашина, оцтова та пропіонова кислоти змішуються з водою в будь-яких співвідношеннях. Зі збільшенням молекулярної маси кислоти розчинність у воді сильно зменшується. Вищі карбонові кислоти нерозчинні у воді. Температури кипіння кислот значно вищі температур кипіння спиртів з тим самим числом атомів вуглецю. Це свідчить про те, що кислоти більш асоційовані, ніж спирти. На відміну від спиртів, для котрих характерні тільки лінійні асоціати, карбонові кислоти, внаслідок утворення міжмолекулярних водневих зв'язків, утворюють як лінійні, так і циклічні асоціати у вигляді димерів:
1.4. Хімічні властивості
Реакційна здатність карбонових кислот визначається в основному наявністю в їх структурі карбоксильної групи. Карбоксильна група являє собою спряжену систему, в якій неподілена пара електронів атома кисню гідроксильної групи вступає у спряження з π-електронами карбонільної групи (р, π-спряження). Внаслідок +М-ефекту з боку групи —ОН електронна густина в спряженій системі зміщена у бік атома кисню карбонільної групи, неподілені пари електронів котрого не беруть участі у спряженні. В результаті зміщення електронної густини зв'язок О—Н виявляється сильно поляризованим, що приводить до появи у карбоксильної групи ОН-кислотного центру. Але в той же час за рахунок +М-ефекту з боку групи —ОН у молекулах карбонових кислот в деякій мірі зменшується частковий позитивний заряд на атомі вуглецю карбонільної групи порівняно з альдегідами та кетонами. Крім того, внаслідок —І-ефекту карбоксильної групи в молекулі карбонової кислоти відбувається зміщення електронної густини з вуглеводневого залишку, що приводить до появи С—Н-кислотного центру при α-вуглецевому атомі:
Виходячи з наведеної будови карбонових кислот, основні їх реакції можна умовно розділити на чотири групи:
A. За участю зв'язку О—Н (кислотні властивості).
Б. Реакції нуклеофільного заміщення за участю атома вуглецю карбонільної групи.
B. Заміщення атомів водню при α-вуглецевому атомі.
Г. Окислення та відновлення.
А. Кислотні властивості
Кислотні властивості карбонових кислот зумовлені їх здатністю відщеплювати атом водню карбоксильної групи у вигляді протона.
У водних розчинах карбонові кислоти дисоціюють за схемою:
У процесі дисоціації утворюється карбоксилат-іон, у якому обидва атоми кисню рівноцінні, а негативний заряд рівномірно делокалізований між ними. Делокалізацію заряду в карбоксилат-іоні можна представити у вигляді двох граничних структур або структури з однаковими дробними зарядами на атомах кисню:
У результаті делокалізації негативного заряду карбоксилат-іон має високу стійкість. А оскільки, як відомо, сила кислоти визначається стійкістю аніона, що утворюється, то карбонові кислоти перевершують за кислотними властивостями спирти та феноли, де можливість делокалізації заряду в аніоні менша.
На силу карбонових кислот справляє також вплив структура вуглеводневого радикала, сполученого з карбоксильною групою, та замісники в ньому. Електронодонорні замісники збільшують електронну густину в кислотному центрі та тим самим дестабілізують карбоксилат-іон, що врешті-решт призводить до ослаблення кислотних властивостей. Електроноакцепторні замісники, навпаки, зміщуючи електронну густину на себе, підвищують стійкість карбоксилат-іона, що приводить до посилення кислотності.
В міру того як замісник віддаляється від карбоксильної групи, його вплив на кислотні властивості слабшає:
Утворення солей. Карбонові кислоти при взаємодії з активними металами, основними оксидами, гідроксидами та карбонатами лужних металів утворюють солі:
У назвах солей карбонових кислот частіше застосовують тривіальні латинські назви. Солі мурашиної кислоти мають загальну назву - форміати, оцтової - ацетати, пропіонової - пропіонати, масляної - бутирати, ізомасляної - ізобутирати. За замісниковою номенклатурою назва аніона утворюється шляхом заміни суфікса -ова та слова кислота на суфікс -оат, наприклад:
