Карбоновые кислоты

Карбоновые кислоты – вещества, в молекулах которых содержится одна или несколько карбоксильных групп СООН.

Общая формула предельных одноосновных карбоновых кислот: С_nH_2nO₂

Классификация

По числу карбоксильных групп:

одноосновные карбоновые кислоты  — содержат одну карбоксильную группу -СООН.

Общая формула C_nH_2n+1COOH или C_nH_2nO₂. 

Многоосновные карбоновые кислоты — содержат две и более карбоксильные группы -СООН. Например, общая формула двухосновных карбоновых кислот C_nH_2n(СОOH)₂ или C_nH_2n-2O₄.

Предельные карбоновые кислоты –  карбоксильная группа СООН при предельном радикале.

СН₃–СООН этановая кислота

Непредельные карбоновые кислоты – карбоксильная группа СООН при непредельном радикале.

СН₂=СН–СООН акриловая кислота

Ароматические кислоты — карбоксильная группа СООН при непредельном радикале.

С₆Н₅СООН бензойная кислота

Циклические кислоты — карбоксильная группа СООН при углеводородном цикле.

С₃Н₅СООН циклопропанкарбоновая кислота

Строение

Карбоксильная группа состоит из двух функциональных групп – карбонильной и гидроксильной.

Внутри карбоксильной группы происходит смещение электронной плотность к атому кислорода, так как электроотрицательность кислорода составляет 3,5, а атома углерода 2,4.

sp²-гибридизация атома углерода внутри карбоксильной группы образует три σ-связи и одну π-связь.

Также карбоновые кислоты способны к образованию водородных связей в растворах.

Номенклатура

Структурная

Рассмотрим предельные карбоновые кислоты, для  них характерна структурная изомерия – изомерия углеродного скелета и межклассовая изомерия.

Структурные изомеры – одинаковый молекулярный состав соединений, но различный порядок связывания атомов в молекуле.

Формуле С₄Н₈О₂ соответствуют бутановая и 2-метилпропановая кислота

Межклассовая изомерия

Межклассовые изомеры — разное строение веществ, но разные свойства и классы веществ.

СН₃–CОOH

Уксусная кислота

HCOOCH₃

Метиловый эфир муравьиной кислоты

Также аналогичную общую формулу имеют: альдегидоспирты, непредельные диолы, циклические простые диэфиры.

Химические свойства

Для карбоновых кислот характерны:

• кислотные свойства, замещение водорода на металл;
• замещение группы ОН
• замещение атома водорода в алкильном радикале
• образование сложных эфиров — этерификация

1.Кислотные свойства

Карбоновые кислоты — это кислоты средней силы.

Диссоциация карбоновых кислот

R–COOH ⇆ R-COO^– + H⁺

1.1 Взаимодействие с основаниями

Карбоновые кислоты реагируют с щелочами, амфотерными гидроксидами, водным раствором аммиака и нерастворимыми основаниями. 

CH₃COOH + NaOH = CH₃COONa + H₂O

CH₃COOH + NH₃ = CH₃COONH₄

1.2 + металл

Реакция идет с образованием солей основных металлов и воды.

1.4 + соль более слабых и летучих кислот

Реакции нуклеофильного замещения идут с образованием функциональных производных: сложных эфиров, амидов, ангидридов и галогенангидридов.

2.1 Образование галогенангидридов

Галогенангидриды минеральных кислот замещают гидроксильную группу на галоген.

При взаимодействии аммиака с карбоновыми кислотами образуются соли аммония:

При нагревании карбоновые соли аммония разлагаются на амид и воду:

2.3 Этерификация

В реакции с одноатомными и многоатомными спиртами происходит образование сложных эфиров.

Отщепление воды или дегидратация от карбоновых кислот идет в реакции с оксидом фосфора (V) с образованием ангидрида карбоновой кислоты.

Атом водорода в α-положении легче вступает в реакции замещения по углеводородному радикалу, так как возникает дополнительная поляризация связи С–Н.

Карбоновые кислоты реагируют с галогенами в присутствии красного фосфора.

Особенные свойства муравьиной кислоты связаны с ее строением, так как она содержит карбоксильную и альдегидную группы, что позволяет ей проявлять свойства альдегидов и карбоновых кислот.

Взаимодействие с аммиачным раствором оксида серебра приводит к образованию металлического серебра, как и в случае с альдегидами.

В реакции окисления гидроксидом меди (II) образуется осадок оксида меди (I):

2. Окисление хлором, бромом и азотной кислотой

В реакции окисления хлором происходит образование углекислого газа.

3. Окисление перманганатом калия

В реакции окисления перманганатом калия происходит образование углекислого раза.

5HCOOH + 2KMnO₄ + 3H₂SO₄ → 5CO₂ + 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 8H₂O

4. Разложение при нагревании

В присутствии серной кислоты нагревание муравьиной кислоты происходит с образованием угарного газа.

Особенности бензойной кислоты

1. Разложение при нагревании

При нагревании бензойная кислота разлагается на бензол и углекислый газ:

2. Реакции замещения в бензольном кольце

Карбоксильная группа уменьшает электронную плотность бензольного кольца и является мета-ориентантом.

Особенности щавелевой кислоты

1. Разложение при нагревании

Нагревание щавелевой кислоты происходит с образованием угарного и углекислого газов.

2 .Окисление перманганатом калия

Окисление перманганатом калия происходит с образованием углекислого газа.

Особенности непредельных кислот

1 Реакции присоединения

Присоединение воды и бромоводорода к акриловой кислоте происходит против правила Марковникова, т.к. карбоксильная группа является электроноакцепторной:

К непредельным кислотам можно присоединять галогены и водород.

2. Окисление

Непредельные кислоты обесцвечивают водный раствор перманганатов.