Номенклатура, классификация и свойства карбоновых кислот

Органические соединения, называемые карбоновыми кислотами, — класс органических соединений, в составе молекул которых содержатся карбоксильные группы, -COOH, одна или несколько. Лёгкое отщепление протона карбоксильной группы обуславливает кислые свойства таких соединений.

Оглавление:

• Номенклатура и строение органических соединений
• Классификация карбоновых кислот
• Качественные реакции
• Физические свойства
• Химические свойства
• Способы получения
• Применение карбоновых кислот

Номенклатура и строение органических соединений

Название в номенклатуре ИЮПАК строится из названия углеводорода, соответствующего углеродной цепочке, содержащей функциональную группу, с окончанием «овая» и добавлением слова «кислота». Атом углерода в составе карбоксильной группы считается первым в углеводородной цепочке. Например, для формулы СН3-СН2-COOH название вещества — пропановая кислота, а СН3-С(СН3)-СООН — 2-метилпропановая, CH3CH2CH2COOH — бутановая.

Рациональная номенклатура к названию углеводорода требует добавления окончания «карбоновая» и слова «кислота», причём атом углерода карбоксила в нумерацию не включается. Например, этилкарбоновая кислота — СН3-СН2-СООН.

У многих веществ гомологического ряда кислот есть тривиальные названия. Например, уксусная (СН3-СООН), муравьиная (НСООН), валериановая (С4Н8-СООН), маргариновая (С16Н33-СООН) и многие другие.

Функциональная группа COOH состоит из карбонила — CO и гидроксила — OH, тем не менее свойства кислот отличаются от свойств альдегидов и спиртов, содержащих в своём составе эти группы.

Общая формула предельных одноосновных карбоновых кислот^ R-COOH, где R — углеводородный радикал.

Классификация карбоновых кислот

Молекулы, содержащие одну функциональную группу, будут называться одноосновными (монокарбоновыми), содержащие две и более — ди- и многоосновными (соответственно ди- и поликарбоновыми).

В зависимости от того, с каким радикалом связан карбоксил, кислоты разделяют на следующие:

• ареновые;
• алифатические;
• алициклические;
• гетероциклические.

По насыщенности углеводородного радикала разделяют насыщенные (предельные, алкановые) и ненасыщенные (непредельные).

При других функциональных группах кислоты будут называться гетерофункциональными, например, аминокислоты, нитрокислоты и т. д.

Качественные реакции

Самые основные качественные реакции органической химии:

• окраска индикатора — красное окрашивание лакмуса;
• реакция с карбонатами или гидрокарбонатами, например, с содой — выделение СО2;
• реакция этерификации — характерный запах продукта реакции (эфира).

Физические свойства

С увеличением массы молекулы уменьшается плотность и растворимость в воде, температура кипения же, напротив, увеличивается. Так, низшие, например, уксусная и муравьиная кислоты являются растворимыми в воде жидкостями, а высшие карбоновые кислоты, такие как пеларгоновая, стеариновая, пальмитиновая и другие — твёрдые вещества, которые в воде не растворяются.

Молекулы монокарбоновых кислот образуют довольно прочные водородные связи. В твёрдом и жидком состояниях они находятся в виде циклических димеров, а в водных растворах — в виде линейных.

Интересная закономерность наблюдается в изменении температур плавления кислот нормального строения. Кислоты, количество атомов углерода в радикале, которых чётное, кипят при более высоких температурах, чем имеющие нечётное. Объясняется это симметричностью строения молекул с чётным количеством углеродных атомов и, как следствие, более сильным взаимодействием между молекулами, а значит большей прочностью кристаллической решётки вещества. Молекулы же нечётного ряда взаимодействуют слабее, соответственно, разрушить их взаимодействие при нагревании проще.

Химические свойства

Таблица основных свойств карбоновых кислот.

Карбоновые считаются слабыми кислотами. При этом монокарбоновые слабее ди- и трикарбоновых кислот. Заместители, являющиеся донорами электронов, ослабляют кислотные свойства, а электроноакцепторные заместители их усиливают, как и кратные связи. Чем дальше заместитель от карбоксильной группы, тем слабее его влияние.

К важным свойствам таких производных, как соли относится реакция получения кетонов методом пиролиза. Кальциевые, ториевые или бариевые соли при нагревании до температуры около 300 °С превращаются в кетоны.

Способы получения

В лаборатории можно получить:

• окислением: альдегидов R-COH + [O] → R-COOH, спиртов R-CH2-OH + 2[O] → R-COOH + H2O, алкенов;
• деструкцией алкенов;
• гидролизом сложных эфиров R-COOR1 + H2O → R-COOH + R1-COOH, галогенпроизводных R-COCl + NaOH → 2R-COOH + NaCl, амидов, нитрилов, тригалогеналканов;
• декарбоксилированием;
• из солей R-COONa + HCl → R-COOH + NaCl;
• растворением ангидридов (R-CO)2O + H2O → 2R-COOH.

Промышленные способы синтеза основаны на окислении углеводородов с длинными углеводородными цепями. Процесс многоступенчатый с множеством побочных продуктов.

Окисление алкенов: 2CH3-CH2-CH2-CH3 + 5O2 → 4CH3COOH + 2H2O.

Окисление алкенов: CH2=CH2 + O2 → CH3COOHСH3-CH=CH2 + 4[O] → CH3COOH + HCOOH.

Некоторые кислоты (такие как муравьиная, масляная, уксусная, валериановая и прочие) получаются специфическими способами с использованием природных ингредиентов (жиров, эфирных масел, восков).

Применение карбоновых кислот

Применяют кислоты в химической промышленности в качестве исходных соединений для органического синтеза, например, галогенкислот, кетонов, виниловых эфиров.

Области применения муравьиной кислоты основаны на её бактерицидных свойствах. Она применяется в качестве антисептика, в пищевой промышленности, а так же сельском хозяйстве как консервант.

В пищевой, химической, фармацевтической промышленности, а также в домашнем хозяйстве активно применяется уксусная.

Масляная кислота в химической промышленности используется в качестве вещества, из которого производят ароматизаторы, пластификаторы, с её помощью экстрагируют щелочно-земельные металлы.

Щавелевая может применяться в качестве реагента в аналитической химии органических веществ, в металлургической промышленности, для приготовления чернил.

Стеариновая C17H35COOH, пальмитиновая C15H31COOH используются как компонент косметических средств, в качестве смазочного материала при обработке металлов. Их натриевая соль является поверхностно активным веществом.