Лекция по теме: «Кислородсодержащие органические соединения»

ГБОУ СПО МО «Мытищинское медицинское училище (техникум)»
Лекция по теме:
«Кислородсодержащие органические
соединения»
Кононова Галина Валентиновна, преподаватель химии
2014 год
Карбоновые кислоты
Строение
Вещества, содержащие в молекуле одну или несколько карбоксильных групп,
называются карбоновыми кислотами.
O
//
Группа атомов —С называется карбоксильной группой или карбоксилом.
\
OH
Органические кислоты, содержащие в молекуле одну карбоксильную группу,
являются одноосновными. Общая формула этих кислот R-COOН.
Карбоновые кислоты, содержащие две карбоксильные группы, называются
двухосновными. К ним относятся, например, щавелевая и янтарная кислоты.
Существуют и многоосновные карбоновые кислоты, содержащие более двух
карбоксильных групп. К ним относится, например, трехосновная лимонная кислота. В
зависимости от природы углеводородного радикала карбоновые кислоты делятся на
предельные, непредельные, ароматические
Предельными, или насыщенными, карбоновыми кислотами являются, например,
пропановая (пропионовая) кислота или уже знакомая нам янтарная кислота.
Очевидно, что предельные карбоновые кислоты не содержат п-связей в
углеводородном радикале.
В молекулах непредельных карбоновых кислот карбоксильная группа связана с
ненасыщенным, непредельным углеводородным радикалом, например в молекулах
акриловой (пропеновой) СН2=СН—СООН или олеиновой СН3—(СН2)7—СН= СН—
(СН2)7—СООН и других кислот.
Как видно из формулы бензойной кислоты, она является ароматической, так как
содержит в молекуле ароматическое (бензольное) кольцо.
Номенклатура и изомерия
Общие принципы образования названий карбоновых кислот, как и других
органических соединений, мы уже рассматривали. Остановимся подробнее на
номенклатуре одно- и двухосновных карбоновых кислот. Название карбоновой кислоты
образуется от названия соответствующего алкана (алкана с тем же числом атомов
углерода в молекуле) с добавлением суффикса -ов, окончания -ая и слова кислота.
Нумерация атомов углерода начинается с карбоксильной группы. Например:
Многие кислоты имеют и исторически сложившиеся, или тривиальные, названия (табл.
6).
После первого знакомства с многообразным и интересным миром органических
кислот рассмотрим более подробно предельные одноосновные карбоновые кислоты.
Понятно, что состав этих кислот будет отражаться общей формулой С nН2nO2, или
СnН2n+1CООН, или R-СООН.
Физические свойства предельных одноосновных карбоновых кислот
Низшие кислоты, т. е. кислоты с относительно небольшой молекулярной массой,
содержащие в молекуле до четырех атомов углерода, — жидкости с характерным резким
запахом (вспомните запах уксусной кислоты). Кислоты, содержащие от 4 до 9 атомов
углерода, — вязкие маслянистые жидкости с неприятным запахом; содержащие более 9
атомов углерода в молекуле — твердые вещества, которые не растворяются в воде.
Температуры кипения предельных одноосновных карбоновых кислот увеличиваются с
ростом числа атомов углерода в молекуле и, следовательно, с ростом относительной
молекулярной массы. Так, например, температура кипения муравьиной кислоты равна
101 °С, уксусной — 118 °С, пропионовой — 141 °С.
Простейшая карбоновая кислота — муравьиная НСООН, имея небольшую
относительную молекулярную массу (46), при обычных условиях является жидкостью с
температурой кипения 100,8 °С. В то же время бутан (МR(С4Н10) = 58) в тех же
условиях газообразен и имеет температуру кипения -0,5 °С. Это несоответствие
температур кипения и относительных молекулярных масс объясняется образованием
димеров карбоновых кислот, в которых две молекулы кислоты связаны двумя
водородными связями. Возникновение водородных связей становится понятным при
рассмотрении строения молекул карбоновых кислот.
Молекулы предельных одноосновных карбоновых кислот содержат полярную
группу атомов — карбоксил (подумайте, чем вызвана полярность этой функциональной
группы) и практически неполярный углеводородный радикал. Карбоксильная группа
притягивается молекулами воды, образуя с ними водородные связи.
Муравьиная и уксусная кислоты растворимы в воде неограниченно. Очевидно, что
с увеличением числа атомов в углеводородном радикале растворимость карбоновых
кислот снижается. Зная состав и строение молекул карбоновых кислот, нам будет
нетрудно понять и объяснить химические свойства этих веществ.
Химические свойства
Общие свойства, характерные для класса кислот (как органических, так и
неорганических), обусловлены наличием в молекулах гидроксильной группы,
содержащей сильно полярную связь между атомами водорода и кислорода. Эти свойства
вам хорошо известны. Рассмотрим их еще раз на примере растворимых в воде
органических кислот.
1. Взаимодействие с металлами, стоящими в электрохимическом ряду напряжений до
водорода. Так, железо восстанавливает водород из уксусной кислоты:
2СН3—СООН + Fe —> (CHgCOO)2Fe + Н2
2. Взаимодействие с основными оксидами с образованием соли и воды:
2R—СООН + СаО —> (R—СОО)2Са + Н20
3. Взаимодействие с гидроксидами металлов с образованием соли и воды (реакция
нейтрализации):
R—СООН + NaOH —> R—COONa + Н20 3R—СООН + Са(ОН)2 —>
(R—СОО)2Са + 2Н20
4. Взаимодействие карбоновых кислот со спиртами с образованием сложных эфиров —
уже известная вам реакция этерификации (одна из наиболее важных реакций,
характерных для карбоновых кислот). Взаимодействие карбоновых кислот со спиртами
катализируется катионами водорода.
Реакция этерификации обратима. Равновесие смещается в сторону образования
сложного эфира в присутствии водоотнимающих средств и удалении эфира из
реакционной смеси.
В реакции, обратной этерификации, которая называется гидролизом сложного
эфира (взаимодействие сложного эфира с водой), образуются кислота и спирт. Очевидно,
что реагировать с карбоновыми кислотами, т. е. вступать в реакцию этерификации,
могут и многоатомные спирты, например глицерин:
Все карбоновые кислоты (кроме муравьиной) наряду с карбоксильной группой
содержат в молекулах углеводородный остаток. Безусловно, это не может не сказаться
на свойствах кислот, которые определяются характером углеводородного остатка.
5. Реакции замещения (с галогенами) — в нее способны вступать предельные
карбоновые кислоты; например, при взаимодействии уксусной кислоты с хлором могут
быть получены различные хлорпроизводные кислоты:
При галогенировании карбоновых кислот, содержащих более одного атома
углерода в углеводородном остатке, возможно образование продуктов с различным
положением галогена в молекуле. При протекании реакции по свободнорадикальному
механизму могут замещаться любые атомы водорода в углеводородном остатке. Если же
реакцию проводить в присутствии небольших количеств красного фосфора, то она идет
селективно — водород замещается лишь в а-положении (у ближайшего к
функциональной группе атома углерода) в молекуле кислоты. Причины такой
селективности вы узнаете при изучении химии в высшем учебном заведении.
Способы получения
Карбоновые кислоты могут быть получены окислением первичных спиртов и
альдегидов
Ароматические карбоновые кислоты образуются при окислении гомологов
бензола.
Гидролиз различных производных карбоновых кислот также приводит к
получению кислот. Так, при гидролизе сложного эфира образуются спирт и карбоновая
кислота. Как уже говорилось выше, реакции этерификации и гидролиза,
катарилизируемые кислотой, обратимы. Гидролиз сложного эфира под действием
водного раствора щелочи протекает необратимо, в этом случае из сложного эфира
образуется не кислота, а ее соль. При гидролизе нитрилов сначала образуются амиды,
которые затем превращаются в кислоты. Карбоновые кислоты образуются при
взаимодействии магний-органических соединений с оксидом углерода(IV).
Отдельные представители карбоновых кислот и их значение
Муравьиная (метановая) кислота НСООН — жидкость с резким запахом и
температурой кипения 100,8 °С, хорошо растворима в воде. Муравьиная кислота
ядовита, при попадании на кожу вызывает ожоги! Жалящая жидкость, выделяемая
муравьями, содержит эту кислоту.
Муравьиная кислота обладает дезинфицирующим свойством и поэтому находит
свое применение в пищевой, кожевенной и фармацевтической промышленности,
медицине. Она также используется при крашении тканей и бумаги.
Уксусная (этановая) кислота -СН3СООН — бесцветная жидкость с характерным
резким запахом, смешивается с водой в любых отношениях. Водные растворы уксусной
кислоты поступают в продажу под названием уксуса (3—5%-ный раствор) и уксусной
эссенции (70—80%-ный раствор) и широко используются в пищевой промышленности.
Уксусная кислота — хороший растворитель многих органических веществ и поэтому
используется при крашении, в кожевенном производстве, в лакокрасочной
промышленности. Кроме этого, уксусная кислота является сырьем для получения
многих важных в техническом отношении органических соединений: например, на ее
основе получают вещества, используемые для борьбы с сорняками, — гербициды.
Уксусная кислота является основным компонентом винного уксуса, характерный
запах которого обусловлен именно ей. Она продукт окисления этанола и образуется из
него при хранении вина на воздухе.
Важнейшими представителями высших предельных одноосновных кислот
являются пальмитиновая С15Н31СООН и стеариновая С17Н35СООН кислоты. В
отличие от низших кислот эти вещества твердые, плохо растворимые в воде.
Однако их соли — стеараты и пальмитаты — хорошо растворимы и обладают
моющим действием, поэтому их еще называют мылами. Понятно, что эти вещества
производят в больших масштабах.
Из непредельных высших карбоновых кислот наибольшее значение имеет
олеиновая кислота С17Н33СООН, или (СН2)7СООН. Это маслоподоб-ная жидкость без
вкуса и запаха. Широкое применение в технике находят ее соли.
Простейшим представителем двухосновных карбоновых кислот является
щавелевая (этандиовая) кислота НООС—СООН, соли которой встречаются во многих
растениях, например в щавеле и кислице. Щавелевая кислота — это бесцветное
кристаллическое вещество, хорошо растворяется в воде. Она применяется при полировке
металлов, в деревообрабатывающей и кожевенной промышленности.