Карбоновые кислоты и их функциональные производные

Органические соединения, содержащие карбоксильную группу –СООН, относятся к классу кислот.

Биологически важные карбоновые кислоты:

Кислоты (тривиальное название)	Название аниона	Формула кислоты
Одноосновные
муравьиная	формиат	HCOOH
уксусная	ацетат	CH3COOH
масляная	бутират	CH3(CH2)2COOH
валериановая	валерат	CH3(CH2)3COOH
Непредельные кислоты
акриловая	акрилаты	СН2 = СН- СООН
кротоновая	кротонат	СН3 – СН = СН - СООН
Ароматические
бензойная	бензоат	C6H5COOH
Дикарбоновые кислоты
щавелевая кислота	оксалаты	НООС - СООН
малоновая	малонаты	НООС-СН2 - СООН
янтарная	сукцинаты	НООС-СН2 – СН2 -СООН
глутаровая	глутараты	НООС –(СН2)3 - СООН
Непредельные дикарбоновые
Фумаровая (транс-изомер)	фумараты	НООС-СН=СН-СООН

Кислотные свойства карбоновых кислот:

RCOOH RCOO^- + Н⁺

 

При диссоциации образуется карбоксилат анион, в котором отрицательный заряд равномерно распределяется между кислородными атомами, что увеличивает стабильность этой частицы. Сила карбоновых кислот зависит от длины радикала (чем больше радикал, тем слабее кислота) и заместителей (электроноакцепторные заместители усиливают кислотность). CI₃COOH намного сильнее СН₃СООН. Дикарбоновые кислоты сильнее одноосновных.

Функциональные производные карбоновых кислот:

Карбоновые кислоты проявляют высокую реакционную способность. Они вступают в реакции с различными веществами и образуют функциональные производные, т.е. соединения, полученные в результате реакций по карбоксильной группе.

1. Образование солей. Карбоновые кислоты обладают всеми свойствами обычных кислот. Они реагируют с активными метал­лами, основными оксидами, основаниями и солями слабых кис­лот:

2RCOOH + Мg → (RCOO)₂Mg + Н₂,

2RCOOH + СаО → (RCOO)₂Ca + Н₂О,

RCOOH + NaOH → RCOONa + Н₂О,

RCOOH + NaHCO₃→ RCOONa + Н₂О + СО₂↑.

Карбоновые кислоты — слабые, поэтому сильные минераль­ные кислоты вытесняют их из соответствующих солей:

CH₃COONa + HCl → СН₃СООН + NaCl.

Соли карбоновых кислот в водных растворах гидролизованы:

СН₃СООК + Н₂О СН₃СООН + КОН.

Отличие карбоновых кислот от минеральных заключается в возможности образования ряда функциональных производных.

2. Образование функциональных производных карбоновых кис­лот. При замещении группы ОН в карбоновых кислотах различ­ными группами (X) образуются функциональные производные кислот, имеющие общую формулу R—СО—X; здесь R означает алкильную либо арильную группу. Хотя нитрилы имеют другую общую формулу (R—CN), обычно их также рас­сматривают как производные карбоновых кислот, поскольку они могут быть получены из этих кислот.

Хлорангидриды получают действием хлорида фосфора (V) на кислоты:

R-CO-OH + РСl ₅ → R-CO-Cl + РОСl₃ + HCl.

Ангидриды образуются из карбоновых кислот при действии водоотнимающих средств:

2R-CO-OH + Р₂О₅ → (R-CO-)₂O + 2НРО₃.

Сложные эфиры образуются при нагревании кислоты со спир­том в присутствии серной кислоты (обратимая реакция этерификации):

Сложные эфиры можно также получить при взаимодействии хлорангидридов кислот и алкоголятов щелочных металлов:

R-CO-Cl + Na-O-R' → R-CO-OR' + NaCl.

Амиды образуются реакцией хлорангидридов карбоновых кислот с аммиаком:

СН₃-СО-Сl + NН₃ → СН₃-СО-NН₂ + HCl.

Кроме того, амиды могут быть получены при нагревании ам­монийных солей карбоновых кислот: _t^o

CH₃-COONH₄ → CH₃-CO-NH₂ + Н₂О

При нагревании амидов в присутствии водоотнимающих средств они дегидратируются с образованием нитрилов:

p₂o₅

CH₃-CO-NH₂ → CH₃-C≡N + Н₂О

 

3. Cвойства карбоновых кислот, обусловленные наличием угле­водородного радикала. Так, при действии галогенов на кислоты в присутствии красного фосфора образуются галогензамещенные кислоты, причем на галоген замещается атом водорода при со­седнем с карбоксильной группой атоме углерода (α-атоме): р_кр.

СН₃-СН₂-СООН + Вr₂ → СН₃-СНВr-СООН + НВr

 

4. Непредельные карбоновые кислоты способны к реакциям при­соединения:

СН₂=СН-СООН + Н₂ → СН₃-СН₂-СООН,

СН₂=СН-СООН + Сl₂ → СН₂Сl-СНСl-СООН,

СН₂=СН-СООН + HCl → СН₂Сl-СН₂-СООН,

СН₂=СН-СООН + Н₂O → НО-СН₂-СН₂-СООН,

 

Две последние реакции протекают против правила Марковникова.

Непредельные карбоновые кислоты и их производные способ­ны к реакциям полимеризации.

5. Окислительно-восстановительные реакции карбоновых кислот:

Карбоновые кислоты при действии восстановителей в при­сутствии катализаторов способны превращаться в альдегиды, спирты и даже углеводороды.

Муравьиная кислота НСООН отличается рядом особенностей, поскольку в ее составе есть альдегидная группа.

Муравьиная кислота — сильный восстановитель и легко окис­ляется до СО₂. Она дает реакцию "серебряного зеркала":

НСООН + 2[Ag(NH₃)₂]OH → 2Ag + (NH₄)₂CO₃ + 2NH₃ + H₂O,

или в упрощенном виде в аммиачном растворе при нагревании:

НСООН + Аg₂О → 2Аg + СО₂ + Н₂О.

Насыщенные карбоновые кислоты устойчивы к действию кон­центрированных серной и азотной кислот. Исключение составля­ет муравьиная кислота:

Н₂SО_4(конц)

НСООН → СО + Н₂О

6. Реакции декарбоксилирования. Насыщенные незамещенные монокарбоновые кислоты из-за большой прочности связи С—С при нагревании декарбоксилируются с трудом. Для этого необхо­димо сплавление соли щелочного металла карбоновой кислоты со щелочью:

_t^o

CH₃-CH₂-COONa + NaOH → С₂Н₆↑ + Na₂CO₃

Двухосновные карбоновые кислоты легко отщепляют СО₂ при нагревании:

_t^o

НООС-СН₂-СООН → СН₃СООН + CO₂↑