Карбоновые кислоты

Карбоновые кислоты

Карбо́новые кисло́ты — класс органических соединений, молекулы которых содержат одну или несколько функциональных карбоксильных групп -COOH. Кислые свойства объясняются тем, что данная группа может сравнительно легко отщеплять протон. За редкими исключениями карбоновые кислоты являются слабыми. Например, у уксусной кислоты CH₃COOH константа кислотности равна 1,75·10⁻⁵. Ди- и трикарбоновые кислоты более сильные, чем монокарбоновые.

Номенклатура

По международной номенклатуре ИЮПАК, карбоновые кислот называют, выбирая за основу наиболее длинную углеродную цепочку, содержащую группу -СООН, и добавляя к названию соответствующего углеводорода окончание "овая" и слово "кислота". При этом атому углерода, входящему в состав карбоксильной группы, присваивается первый номер. Например СН₃-СН₂-СООН - пропановая кислота, СН₃-С(СН₃)₂-СООН - 2,2-диметилпропановая кислота.
По рациональной номенклатуре к названию углеводорода добавляют окончание "карбоновая" и слово "кислота", не включая при этом в нумерацию цепи атом углерода карбоксильной группы. Например, С₅Н₉СООН - циклопентанкарбоновая кислота, СН₃-С(СН₃)₂-СООН - трет-бутилкарбоновая кислота.
Многие из карбоновых кислот имеют тривиальные названия (некоторые из них приведены в таблице).

Названия одноосновных карбоновых кислот

Тривиальное название	Название по ИЮПАК	Формула	Название солей
Муравьиная кислота	Метановая кислота	HCOOH	формиаты
Уксусная кислота	Этановая кислота	CH3COOH	ацетаты
Пропионовая кислота	Пропановая кислота	C2H5COOH	пропионаты
Масляная кислота	Бутановая кислота	C3H7COOH	бутираты
Валериановая кислота	Пентановая кислота	C4H9COOH	валераты
Капроновая кислота	Гексановая кислота	C5H11COOH	капраты
Энантовая кислота	Гептановая кислота	C6H13COOH	энантоаты
Каприловая кислота	Октановая кислота	C7H15COOH	каприлаты
Пеларгоновая кислота	Нонановая кислота	C8H17COOH	пеларогоаты
Каприновая кислота	Декановая кислота	C9H19COOH	капринаты
Ундециловая кислота	Ундекановая кислота	C10H21COOH	ундеканоаты
Лауриновая кислота	Додекановая кислота	C11H23COOH	лаураты
-	Тридекановая кислота	C12H25COOH	тридеканоаты
Миристиновая кислота	Тетрадекановая кислота	C13H27COOH	миристиаты
-	Пентадекановая кислота	C14H29COOH	пентадеканоат
Пальмитиновая кислота	Гексадекановая кислота	C15H31COOH	пальмитаты
Маргариновая кислота	Гептадекановая кислота	C16H33COOH	маргараты
Стеариновая кислота	Октадекановая кислота	C17H35COOH	стеараты
-	Нонадекановая кислота	C18H37COOH	нонадеканоаты
Арахиновая кислота	Эйкозановая кислота	C19H39COOH	арахаты
-	Генэйкозановая кислота	C20H41COOH	генэйкозаноаты
Бегеновая кислота	Докозановая кислота	C21H43COOH	бегенаты
-	Трикозановая кислота	C22H45COOH	трикозаноаты
Лигноцериновая кислота	Тетракозановая кислота	C23H47COOH	лигноцераты
-	Пентакозановая кислота	C24H49COOH	пентакозаноаты
Церотиновая кислота	Гексакозановая кислота	C25H51COOH	церотитаты
-	Гептакозановая кислота	C26H53COOH	гептакозаноаты
Монтановая кислота	Октакозановая кислота	C27H55COOH	монтаноаты
-	Нонакозановая кислота	C28H57COOH	нонакозаноаты
Мелиссовая кислота	Триаконтановая кислота	C29H59COOH	мелиссаты
-	Гентриаконтановая кислота	C30H61COOH	Гентриаконтаноаты
-	Дотриаконтановая кислота	C31H63COOH	Дотриаконтаноаты
Псилластеариловая кислота	Тритриаконтановая кислота	C32H65COOH	псилластеарилаты

Названия двухосновных карбоновых кислот

Тривиальное название	Название по ИЮПАК	Формула	Название солей
Щавелевая кислота	Этандиовая кислота	HOOCCOOH	оксалаты
Малоновая кислота	Пропандиовая кислота	HOOCСH2COOH	малонаты
Янтарная кислота	Бутандиовая кислота	HOOC(СH2)2COOH	сукцинаты
Глутаровая кислота	Пентандиовая кислота	HOOC(СH2)3COOH	глутараты
Адипиновая кислота	Гександиовая кислота	HOOC(СH2)4COOH	адипинаты
Пимелиновая кислота	Гептандиовая кислота	HOOC(СH2)5COOH	пимелинаты
Пробковая кислота	Октандиовая кислота	HOOC(СH2)6COOH	субераты
Азелаиновая кислота	Нонандиовая кислота	HOOC(СH2)7COOH	азелаинаты
Себациновая кислота	Декандиовая кислота	HOOC(СH2)8COOH	себацинаты
-	Ундекандиовая кислота	HOOC(СH2)9COOH
-	Додекандиовая кислота	HOOC(СH2)10COOH
Брассиловая кислота	Тридекандиовая кислота	HOOC(СH2)11COOH
-	Тетрадекандиовая кислота	HOOC(СH2)12COOH
-	Пентадекандиовая кислота	HOOC(СH2)13COOH
Тапсиевая кислота	Гексадекандиовая кислота	HOOC(СH2)14COOH
-	Гептадекандиовая кислота	HOOC(СH2)15COOH
-	Октадекандиовая кислота	HOOC(СH2)16COOH
-	Нонадекандиовая кислота	HOOC(СH2)17COOH
-	Эйкозандиовая кислота	HOOC(СH2)18COOH
Японовая кислота	Генэйкозандиовая кислота	HOOC(СH2)19COOH

Карбоновые кислотные остатки

Кислотный остаток			Название
ацилгруппа	название	ацилатгруппа
Н-CO¯	Формил	H-COO¯	Формиат
CH3-CO¯	Ацетил	CH3-COO¯	Ацетат
СН3СН2-СО¯	Пропионил	СН3СН2-СОO¯	Пропионат
СН3СН2CH2-СО¯	Бутирил	СН3СН2CH2-СОO¯	Бутират
С3Н7-СО¯	Изобутирил	С3Н7-СОO¯	Изобутират
СН3(СН2)3-СО¯	Валериил	СН3(СН2)3-СОO¯	Валериат
С6H5-СО¯	Бензоил	С6H5-СОO¯	Бензоат

Классификация

В зависимости от радикала, связанного с карбоксилом, различают следующие группы карбоновых кислот:

ароматические

алифатические (в том числе предельные и непредельные)

алициклические

гетероциклические.

По числу карбоксильных групп кислоты могут быть одно-, двух- и многоосновными. При введении в молекулы кислоты других функциональных групп (например, -ОН, =CO, -NH₂ и др.) образуются окси-, кето-, аминокислоты и другие классы соединений.

Применение

Муравьиная кислота – в медицине - муравьиный спирт (1,25% спиртовой раствор муравьиной кислоты), в пчеловодстве, в органическом синтезе, при получении растворителей и консервантов; в качестве сильного восстановителя.

Уксусная кислота – в пищевой и химической промышленности (производство ацетилцеллюлозы, из которой получают ацетатное волокно, органическое стекло, киноплёнку; для синтеза красителей, медикаментов и сложных эфиров). В домашнем хозяйстве как вкусовое и консервирующее вещество.

Масляная кислота – для получения ароматизирующих добавок, пластификаторов и флотореагентов.

Щавелевая кислота – в металлургической промышленности (удаление окалины).

Стеариновая C17H35COOH и пальмитиновая кислота C15H31COOH – в качестве поверхностно-активных веществ, смазочных материалов в металлообработке.

Олеиновая кислота C17H33COOH – фотореагент и собиратель при обогащении руд цветных металлов.

Карбоновые кислоты - исходные соединения для получения промежуточных продуктов органического синтеза, в частности кетенов, галогенангидридов, виниловых эфиров, галогенкислот. Соли карбоновых кислот и щелочных металлов применяют как мыла, эмульгаторы, смазочные масла; соли тяжелых металлов - сиккативы, инсектициды и фунгициды, катализаторы. Эфиры кислот - пищевые добавки, растворители; моно- и диэфиры гликолей и полигликолей пластификаторы, компоненты лаков и алкидных смол; эфиры целлюлозы - компоненты лаков и пластмассы. Амиды кислот эмульгаторы и флотоагенты.

Получение

• Окисление спиртов

$\mathrm{RCH_2OH + [O] \longrightarrow \ RCOOH}$

• Окисление альдегидов

$~ RCHO + [O] \longrightarrow \ RCOOH$

• Гидролиз тригалогеналканов

$~ RCCl_3 + 3NaOH \longrightarrow \ RCOOH + 3NaCl + H_2O$

• Карбоксилирование металлорганических соединений

$~ RLi + CO_2 \longrightarrow \ RCOOLi$
$~ 2RMg + 2CO_2 \longrightarrow \ (RCOO)_2Mg$

• Гидролиз сложных эфиров

$~ R^1-COO-R^2 + KOH \longrightarrow \ R^1-COOK + R^2-OH$

• Гидролиз нитрилов

$~1. RCN + H_2O \longrightarrow \ RCONH_2$
$~2. RCONH_2 +H_2O \longrightarrow \ RCO_2H$
Катализируется кислотой или основанием; первоначально образуется амид, который гидролизуется до кислоты; лишь в редких случаях амид устойчив к гидролизу; удобный лабораторный метод (если нитрил доступен)

• Реакция Арндта-Эйстерта

$~1. RCOCl + CH_2N_2 \longrightarrow \ RCOCHN_2$

$~2. RCOCHN_2 + H_2O \longrightarrow \ RCH_2CO_2H$
Используется для получения высших гомологов кислот из низших.

Физические свойства

Низшие карбоновые кислоты — жидкости с ост­рым запахом, хорошо растворимые в воде. С повышением относительной молекулярной массы растворимость кислот в воде и их плотность уменьшаются, а темпера­тура кипения повышается. Высшие кислоты, начиная с пеларгоновой (н-нонановой) СН₃-(СН₂)₇-СООН, — твердые вещества, без запаха, нерастворимые в воде. Низшие карбоновые кислоты в безводном виде и в виде концентрированных растворов раздражают кожу и вызывают ожоги, особенно муравьиная кислота и уксусная кислота.
На физических свойствах карбоновых кислот сказывается значительная степень ассоциации вследствие образования водородных связей. Кислоты в отличие от спиртов, образуют более прочные водородные связи, вследствие того что связи $O-H$ в них в большей степени поляризованы по типу $O^-\longleftarrow \ H^+$ Кроме того, у карбоновых кислот имеется возможность образования водородных связей с кислородом карбонильного диполя, обладающим значительной электроотрицательностью, а не только с кислородом другой гидроксильной группы. Действительно, в твердом и жидком состояниях карбоновые кислоты существуют в основном в виде циклических димеров.

Характерные химические реакции

Наиболее важные химические свойства, характерные для большинства карбоновых кислот:
1. Карбоновые кислоты при реакции с металлами, их оксидами или их осно́вными гидроксидами дают соли соответствующих металлов:

$~2 CH_3COOH + Mg \longrightarrow (CH_3COO)_2Mg + H_2$

$~2 CH_3COOH + CaO \longrightarrow (CH_3COO)_2Ca + H_2O$

$~CH_3COOH + NaOH \longrightarrow CH_3COONa + H_2O$

2. Карбоновые кислоты могут вытеснять более слабую кислоту из её соли, например:

$~2CH_3COOH + Na_2SiO_3 \longrightarrow 2CH_3COONa + H_2SiO_3$

$~HCOOH + NaHCO_3 \longrightarrow HCOONa + H_2O + CO_2$

3. Карбоновые кислоты в присутствии кислого катализатора реагируют со спиртами, образуя сложные эфиры (реакция этерификации):

$~CH_3COOH + CH_3CH_2OH \longrightarrow CH_3COOCH_2CH_3 + H_2O$

4. При нагревании аммонийных солей карбоновых кислот образуются их амиды:

$~CH_3COONH_4 \longrightarrow CH_3CONH_2 + H_2O$

5. Под действием $~SOCl_2$ карбоновые кислоты превращаются в соответствующие хлорангидриды:

$~CH_3COOH + SOCl_2 \longrightarrow CH_3COCl + HCl + SO_2$

Литература

• Общая органическая химия т. 4 под ред. Д. Бартона и Д. Оллиса. М.: Химия. 1983
• Сайкс П. Механизмы реакций в органической химии. М.: Химия. 1991
• Адамс М. Карбоновые кислоты в органике. М.: Химия. 1990
• Дж. Роберт, М.Касерио "Основы органической химии" т. 1 Издание 2-е, дополненное. 1978

Ссылки

• Карбоновые кислоты (рус.) на сайте XuMuK

См. также

• Карбоксильная группа
• Оксикислоты
• Кетокислоты
• Аминокислоты
• Сложные эфиры
• Хлорангидриды карбоновых кислот
• Ангидриды карбоновых кислот
• Амины
• Нитрилы