38. Карбонові кислоти
Карбонові кислоти
Визначення. Карбоновими кислотами називаються органічні сполуки, в молекулах яких містяться одна або кілька карбоксильн их груп –СООН, сполучених з вуглеводневим радикалом. У мурашиній кислоті –СООН група з’єднана з атомом водню. Карбоксильна група складається з карбонільної >СO і
гідроксильної –ОН.
Загальна формула карбонових кислот
де R – вуглеводневий радикал.
Класифікація. За числом карбоксильних груп у молекулі розрізняють одноосновні – монокарбонові кислоти, двоосновні – дикарбонові і т. д. Залежно від природи вуглеводневого радикалу існують різні гомологічні ряди кислот: аліфатичні насичені (алканові) з загальною формулою СnН2n+1СООН, ненасичені алкенові СnН2n-1СООН та алкінові СnН2n-3СООН і ароматичні – аренові R–С6Н4–СООН.
Номенклатура. За міжнародною номенклатурою назва кислоти утворюється з назви відповідного вуглеводню і закінчення -ова з урахуванням атома вуглецю карбоксильної групи (табл. 64). Для позначення положення замісників у вуглеводневому ланцюгу крім цифр вживають також літери грецбкого алфавіту:
Часто користуються тривіальними назвами кислот (мурашина, оцтова, масляна, щавлева, молочна, винна, лимонна та ін.).
Ізомерія. У гомологічному ряду насичених аліфатичних монокарбонових кислот існують ізомери вуглеводневого ланцюга (див. табл. 64). У ненасичених аліфатичних монокарбонових кислот трапляється ізомерія вуглеводневого ланцюга, положення подвійного чи потрійного зв’язку, цис-транс-ізомерія (олеїнова кислота – цис-ізомер, елаїдинова – транс-ізомер) і міжкласова з складними ефірами.
Будова молекули. Електронна будова карбонових кислот зображується формулою:
просторова – моделлю Стюарта (рис. 37).
У карбоксильній групі карбонільна група >С=О і гідроксильна –ОН впливають одна на одну. В результаті властивості групи –ОН в кислотах і спиртах, а також властивості карбонільної групи в кислотах і альдегідах різні. Розглянемо механізм такого взаємного впливу. Як відомо, карбонільна група >С=O сильно поляризована – електрони зміщені до атома кисню, атом вуглецю має деякий позитивний заряд. Тому він притягує до себе електрони від атома кисню гідроксигрупи, що викликає зміщення електронної хмари зв’язку О–Н до атома кисню:
Внаслідок цього зв’язок між атомами водню та кисню дуже послаблюється. Кислоти виявляють більш сильні кислотні властивості, ніж спирти. У свою чергу, гідроксильна група впливає на карбонільну – зміщення електронної пари від атома кисню гідроксигрупи до атома вуглецю частково нейтралізує позитивний заряд вуглецю. В результаті у карбонільній групі пі-зв’язок стає міцнішим, зменшується її здатність вступати в реакції приєднання. На відміну від альдегідів водень приєднується до карбонільної групи кислоти лише за особливих умов.
На зв’язок між атомами водню та кисню в гідроксигрупі впливає також вуглеводневий радикал – зі збільшенням негативного індукційного ефекту радикалу сильніше відтягуються електрони від атома кисню гідроксигрупи – сила кислот зростає. Так, хлороцтова кислота є сильнішою за оцтову, ароматична – сильнішою за аліфатичну з таким же числом атомів вуглецю, багатоосновні сильніші за одноосновні. Аліфатичні радикали виявляють позитивний індукційний ефект, тому мурашина кислота сильніша, ніж її гомологи.
Між молекулами кислот виникають водневі зв’язки. Рідкі кислоти складаються з димерів – циклічних або лінійних:
У циклічних димерах між двома молекулами кислот утворюються два водневі зв’язки. Мурашина кислота навіть у газоподібному стані існує у вигляді димерів.
Поширення у природі. Карбонові кислоти містяться в рослинних та тваринних організмах у вільному (лимонна, щавлева, яблучна, мурашина) і зв’язаному (у вигляді складних ефірів, ефірних масел та жирів – оцтова, масляна, стеаринова, олеїнова тощо) станах.
Фізичні властивості. На відміну від альдегідів серед алканових кислот немає газоподібних речовин. Нижчі члени ряду (до пальмітинової кислоти) – рідини з гострим запахом, добре розчинні у воді. Збільшення молекулярної маси обумовлює зниження розчинності у воді. Вищі кислоти (починаючи з пальмітинової) – тверді речовини без запаху, нерозчинні у воді.
Температури кипіння карбонових кислот вищі, ніж відповідних спиртів. Відсутність газоподібних речовин серед кислот, їх добра розчинність і високі температури кипіння пояснюються утворенням більшого числа водневих зв’язків між молекулами кислот порівняно зі спиртами.
Хімічні властивості. Кислотні властивості. Розчини карбонових кислот у воді мають кислий смак, забарвлюють лакмус і метиловий оранжевий у червоний колір, проводять електричний струм, взаємодіють з металами з виділенням водню. Це свідчить, що органічні кислоти вступають у реакції, характерні для кислот (п. 10.4).
Дисоціацію карбонових кислот у загальному вигляді можна описати рівнянням:
R–СООH <=> RСОO– + Н+.
За ступенем дисоціації мурашина кислота є електролітом середньої сили, інші карбонові кислоти належать до слабких електролітів внаслідок впливу вуглеводневого радикалу.
Метали, розташовані в ряду стандартних електродних потенціалів ліворуч від водню, витісняють його з карбонових кислот.
Звичайно, реакція відбувається повільніше, ніж із сильними кислотами, з утворенням солей – іонних сполук:
Внаслідок взаємодії кислот з основними оксидами та основами утворюються солі:
Під час реакцій з солями карбонові кислоти витісняють слабші та леткі кислоти з їх солей:
Реакції за участю вуглеводневого радикалу. У карбонових кислот під впливом карбоксильної групи збільшується рухливість атомів водню, які стоять біля атома вуглецю, сусіднього з карбоксильною групою. Тому вони легко замішуються атомами хлору або брому:
Характерною властивістю карбонових кислот є їх взаємодія з спиртами з утворенням сетерів (реакція етерифікації):
Хлороцтова та альфа-бромпропанова кислоти сильніші за карбонові, з яких вони утворилися, внаслідок індукційних ефектів замісників:
Одержання та використання карбонових кислот буде розглянуто на прикладі їх окремих представників.