Муниципальное бюджетное образовательное учреждение
Средняя общеобразовательная школа села Старобурново
муниципального района Бирский район Республики Башкортостан
Тематические лекции
по химии для 11 класса
для подготовки к ЕГЭна 2015-2016 учебный годcоставила учитель химииАсылбаева Марина Евгеньевна
Тема 18. Кислородсодержащие органические вещества.
18.4. Карбоновые кислоты.
Карбоновые кислоты – органические соединения, содержащие одну или несколько карбоксильных групп -СООН.
Карбоксильная группа содержит две функциональные группы – карбонил >С=О и гидроксил -OH, непосредственно связанные друг с другом:
Строение карбоксильной группы
Карбоксильная группа сочетает в себе две функциональные группы – карбонил и гидроксил, взаимно влияющие друг на друга. Это влияние передается по системе сопряжения sp2-атомов O–C–O.
Электронное строение группы –СООН придает карбоновым кислотам характерные химические и физические свойства.
Смещение электронной плотности к карбонильному атому кислорода вызывает дополнительную (по сравнению со спиртами и фенолами) поляризацию связи О–Н, что определяет подвижность водородного атома (кислотные свойства).
В водном растворе карбоновые кислоты диссоциируют на ионы:
Однако карбоновые кислоты в целом – слабые кислоты: в водных растворах их соли сильно гидролизованы.
Пониженная электронная плотность (δ+) на атоме углерода в карбоксильной группе обусловливает возможность реакций нуклеофильного замещения группы -ОН.
Группа -СООН за счет положительного заряда на атоме углерода снижает электронную плотность на связанном с ней углеводородном радикале, т.е. является по отношению к нему электроноакцепторным заместителем. В случае предельных кислот карбоксильная группа проявляет -I-эффект, а в непредельных (например, CH2=CH-COOH) и ароматических (С6Н5-СООН) – -I и -М-эффекты.
Карбоксильная группа, являясь электроноакцептором, вызывает дополнительную поляризацию связи С–Н в соседнем (α-) положении и увеличивает подвижность α-водородного атома в реакциях замещения по углеводородному радикалу.
Реакционные центры в молекулах карбоновых кислот.
Большинство реакций карбоновых кислот протекают с участием одного из 4-х реакционных центров.
1.Реакции по связи О–Н с отщеплением протона (H+)
Например, кислотная диссоциация, образование солей.
2. Реакции с разрывом связи C–O под действием нуклеофильного реагента Nu:, который замещает ОН-группу.
Это реакция нуклеофильного замещения с образованием функциональных производных карбоновых кислот.
3. Реакции по связи R–C, сопровождающиеся отщеплением CO2.
Реакции этого типа называются декарбоксилированием (например, образование муравьиной кислоты HCOOH при нагревании щавелевой HOOC-COOH, или уксусной кислоты CH3COOH из малоновой HOOC-CH2-COOH).
4. Реакции с участием связи С–Н в α-звене.
Атомы водорода и кислорода в карбоксильной группе -СООН способны к образованию межмолекулярных водородных связей, что во многом определяет физические свойства карбоновых кислот.
Вследствие ассоциации молекул карбоновые кислоты имеют высокие температуры кипения и плавления. При нормальных условиях они существуют в жидком или твёрдом состоянии.
Например, простейший представитель – муравьиная кислота НСООН – бесцветная жидкость с т. кип. 101 °С, а чистая безводная уксусная кислота CH3COOH при охлаждении до 16,8 °С превращается в прозрачные кристаллы, напоминающие лед (отсюда ее название ледяная кислота).
Простейшая ароматическая кислота - бензойная C6H5COOH (т. пл. 122,4°С) - легко возгоняется, т.е. переходит в газообразное состояние, минуя жидкое. При охлаждении её пары сублимирутся в кристаллы. Это свойство используется для очистки вещества от примесей.
Растворимость карбоновых кислот в воде обусловлена образованием межмолекулярных водородных связей с растворителем:
Низшие гомологи С1-С3 смешиваются с водой в любых соотношениях. С увеличением углеводородного радикала растворимость кислот в воде уменьшается. Высшие кислоты, например, пальмитиновая C15H31COOH и стеариновая C17H35COOH – бесцветные твердые вещества, не растворимые в воде.
Химические свойства карбоновых кислот.
1. Образование солей происходит при действии на карбоновые кислоты:
а) активных металлов
2RCOOH + Mg → (RCOO)2Mg + H2↑
б) аммиака
RCOOH + NH3 → RCOONH4
в) основных оксидов
2RCOOH + CuO →(RCOO)2Cu + H2O
г) гидроксидов металлов и аммония
RCOOH + NaOH → RCOONa + H2O
д) солей более слабых кислот
2RCOOH + Na2CO3 → 2RCOONa + H2O + CO2
Названия солей составляют из названий остатка RCOO– (карбоксилат-иона) и металла. Например, CH3COONa – ацетат натрия, (HCOO)2Ca – формиат кальция, C17H35COOK – стеарат калия и т.п.
Более сильные кислоты способны вытеснять карбоновые кислоты из их солей:
CH3COONa + HCl →CH3COOH + NaCl
2. Образование сложных эфиров R–COOR':
Реакция образования сложного эфира из кислоты и спирта называется реакцией этерификации.
3. Образование амидов:
Вместо карбоновых кислот чаще используют их галогенангидриды:
Амиды образуются также при взаимодействии карбоновых кислот (их галогенангидридов или ангидридов) с органическими производными аммиака (аминами):
4. Реакции с участием связи С–Н в α-звене
Особенности химических свойств
Муравьиной кислоты.
Муравьиная кислота - единственная из карбоновых кислот, содержащая одновременно альдегидную и карбоксильную группы:
В ходе реакции метановая кислота окисляется до угольной, которая разлагается на углекислый газ и воду.
А) Реакция «серебряного зеркала» с реактивом Толленса (только для муравьиной к-ты)
НСООН + Ag2O (ам.р-р нитрата серебра(I)) t → CO2↑ + 2H2O + 2Ag↓ НСООН + 2[Ag(NH3)2]OH →CO2↑+2H2O+2Ag↓+4NH3↑ (гидроксид диамминсеребра(I))
Б) Помимо реакции серебряного зеркала существует также реакция с гидроксидом меди (II) Cu(OH)2 (феллингова жидкость). Для этого свежеприготовленному гидроксиду меди (II) добавляют муравьиную кислоту и нагревают смесь:
CuSO4 + 2NaOH → Na2SO4 + Cu(OH)2↓
НСООН + 2Cu(OH)2 t→ CO2↑+Cu2O↓+ 2H2O
Выпадает оксид меди (I) Cu2O - осадок красного цвета.
Способ получениякарбоновых кислот.
Реакции окисления
А. Окисление первичных спиртов
R-CH2-OH +[O] →R-COOH;
СН3-CH2-OH+[O]→СН3-COOH (этанол) (уксусная к-та)
Б. Окисление альдегидов
R-COH+[O] →R-COOH;
СН3-COH+[O] →СН3-COOH 1 (этаналь) (уксусная к-та)
В. Окисление гомологов бензола
C6H5СН3 + 3[O]→ C6H5СООН (бензойная кислота) метилбензол (толуол)
Гидролиз различных производных карбоновых кислот
А. Гидролиз сложных эфиров
СН3-СOOCH3 + Н2О → СН3-СOOH + СН3ОН (обратимый процесс) метилацетат
СН3-СOOCH3 +NaOH → СН3-СOONa + СН3ОН (необратимый процесс) метилацетат (ацетат Na ) ( метанол)
Специфические способы получения важнейших Карбоновых кислот
Получение муравьиной кислоты
Реакция соединения и обмена
NaOH + CО→. HCOONa (формиат Na). Реакция протекает при условиях 2000C, 15 атм.
2HCOONa + H2SO4 = Na2SO4 + 2НСOOН (муравьиная к-та)
Каталитическое окисление метана
СН4+ [O]→ НСOOН
Декарбоксилирование щавелевой кислоты
НООС-СООН t→ СO2 + НСООН (муравьиная к-та) (щавелевая к-та)
Получение уксусной кислоты
Каталитическое окисление н-бутана кислородом воздуха
2С4Н10 + 5О2 cat.→ 4СН3СООН + 2Н2О
Синтез из метанола (метод карбонилирования метанола, т. е. присоединения к нему молекулы угарного)
СН3ОН + СО t, cat.(СоI2)→ СН3СООН
Уксуснокислое брожение спирта
СН3CH2ОН ферменты, О2→ СН3СООН + Н2О
Взаимосвязь кислот и их производных
Карбоновые кислоты и их функциональные производные находятся в тесной взаимосвязи друг с другом. На схеме показаны возможные пути их взаимопревращений:
Приложенные файлы
