Строение карбоксильной группы
Карбоксильная группа сочетает в себе две функциональные группы — карбонил =CO и гидроксил -OH, взаимно влияющие друг на друга.
Кислотные свойства карбоновых кислот обусловлены смещением электронной плотности к карбонильному кислороду и вызванной этим дополнительной (по сравнению со спиртами) поляризации связи О-Н.
В водном растворе карбоновые кислоты диссоциируют на ионы:
R-COOH = R-COO− + H+
Растворимость в воде и высокие температуры кипения кислот обусловлены образованием межмолекулярных водородных связей.
С увеличением молекулярной массы растворимость кислот в воде уменьшается.
Изомерия. У карбоновых кислот возможны следующие виды изомерии:
1. Изомерия углеродной цепи.
2. Изомерия положения кратной связи
3. Цис-транс- изомерия, например:
4. Межклассовая изомерия5.
У гетерофункциональных кислот имеется изомерия, связанная с положением функциональных групп.
Производные карбоновых кислот
1. Галогенангидриды.
При действии галогенидов фосфора или хлористого тионила происходит образование галогенагидридов:
CH3COOH + PCl5 ® CH3COCl + POCl3 + HCl
Галоген в галогенангидридах обладает большой реакционной способностью. Сильный индукционный эффект определяет легкость замещения галогена другими нуклеофилами: -OH, -OR, -NH2, -N3, -CN и др.:
CH3COCl + CH3COOAg ® (CH3CO)2O уксусный ангидрид + AgCl
1. Ангидриды.
Ангидриды образуются при взаимодействии солей кислот с их галогенангидридами:
CH3COONa + CH3COCl ® NaCl + (CH3CO)2O
Ангидриды кислот обладают большой химической активностью и являются, как и галогенангидриды, хорошими ацилирующими агентами.
2. Амиды.
Амиды получают через галогенангидриды
CH3COCl +2 NH3 ® CH3CONH2 ацетамид + NH4Cl
или из аммонийных солей кислот, при сухой перегонке которых отщепляется вода и образуется амид кислоты. Также амиды кислот образуются как побочный продукт при гидролизе нитрилов. Процессы амидирования имеют важное значение в промышленности для производства ряда ценных соединений (N,N-диметилформамид, диметилацетамид, этаноламиды высших кислот).
4. Нитрилы. Важнейшими представителями нитрилов являются ацетонитрил CH3CN (применяется как полярный растворитель) и акрилонитрил CH2=CHCN (мономер для получения синтетического волокна нейрона и для производства дивинилнитрильного синтетического каучука, обладающего масло- и бензостойкостью). Основным способом получения нитрилов является дегидратация амидов на кислотных катализаторах:
CH3CONH2 ® CH3C-CN + H2O
5. Сложные эфиры. Сложные эфиры карбоновых кислот имеют важное практическое значение в качестве растворителей, гидравлических жидкостей, смазочных масел, пластификаторов и мономеров. Их получают этерификацией спиртов кислотами, ангидридами и галогенангидридами или взаимодействием кислот и алкенов:
CH3-CH=CH2 + CH3COOH ® CH3COOCH(CH3)2
Многие эфиры используются в качестве душистых веществ:
CH3COOCH2CH3 грушевая эссенция
CH3CH2CH2COOCH2CH2CH2CH2CH3 ананасовая эссенция
HCOOCH2CH3 ромовая эссенция
Двухосновные насыщенные кислоты
Двухосновные предельные (насыщенные) кислоты имеют общую формулу CnH2n(COOH)2. Из них важнейшими являются:
НООС-СООН - щавелевая, этандикарбоновая кислота;
НООС-СН2-СООН - малоновая, пропандикарбоновая кислота;
НООС-СН2-СН2-СООН - янтарная, бутандикарбоновая кислота;
НООС-СН2-СН2-СН2-СООН - глутаровая, пентандикарбоновая кислота.
Сложные эфиры являются производными спиртов и кислот. Их можно рассматривать либо как продукт замещения гидроксильного водорода в спирте на радикал кислоты (ацил) R-C=O, либо как продукт замещения гидроксила в карбоксильной группе кислоты на остаток спирта – OR’
Физические свойства
Сложные эфиры низших и средних гомологов – летучие жидкости с характерным, часто приятным запахом. Многие из них являются носителями запаха различных плодов, овощей и фруктов. Сложные эфиры труднее растворимы в воде, чем образующие их спирты и кислоты.
Химические свойства
Гидролиз (омыление) сложных эфиров
Под действием воды, особенно в кислой или щелочной среде, сложные эфиры разлагаются (гидролизуются) с образованием кислоты и спирта:
O O
II II
CH3—C—O—C2H5 + HOH ® CH3—C—OH + C2H5OH
уксусноэтиловый эфир уксусная к-та этиловый спирт
Этим сложные эфиры отличаются от простых эфиров, которые, как уже известно, гидролизу не подвергаются. Однако гидролиз сложных эфиров идет медленно и гораздо менее энергично, чем гидролиз ангидридов.
Продуктами щелочного гидролиза сложных эфиров является спирт и соль кислоты:
O O
II II
R—C—O—R’ + NaOH ¾® R—C—ONa + R’—OH
сложный эфир соль к-ты спирт
Щелочной гидролиз сложных эфиров называют омылением. Скорость гидролиза эфиров возрастает также при нагревании и в случае применения избытка воды.
Способы получения сложных эфиров
Реакция этерификации
Сложные эфиры могут быть получены при непосредственном взаимодействии кислоты и спирта, например:
CH3—C—OH + HO—CH2—CH3 <=> CH3—C—O—CH2—CH3 + H2O
II укс. к-та II этиловый эфир