Класифікація, номенклатура, ізомерія і способи добування насичених, ненасичених та ароматичних монокарбонових кислот. Електронна будова карбоксильної трупи

Карбоновые кислоты — органические соединения, содержащие карбоксильную гpуппу.

Такое строение объясняет появление у рассматриваемых соединений кислотных свойств, т.е. более свободное отщепление катиона водорода H⁺ (протона), чем это имеет место у спиртов и фенолов. Карбонильная гpуппа кислот, как и альдегидов, поляризована: электроны p-связи смещены в сторону более электроотрицательного атома кислорода, благодаря этому атом углерода получает частичный положительный заряд. У атома кислорода гидроксильной гpуппы имеются неподеленные электронные пары, расположенные на негибридных р-орбиталях. Их смещение в сторону атома углерода карбонильной гpуппы компенсирует частично имеющийся на нем положительный заряд.

Следствием такого смещения электронной плотности является уменьшение абсолютной величины частичного отрицательного заряда на гидроксильном атоме кислорода и вследствие этого смещение к нему электронов s-связи О—Н, что обусловливает более свободное отщепление протона.

Таким образом, в отличие от спиртов карбоновые кислоты являются электролитами (хотя, как правило, слабыми). Сила карбоновых кислот зависит от строения углеводородных радикалов и заместителей в них. Электронодонорные заместители ослабляют кислотные свойства, электроноакцепторные (электроотрицательные), наоборот, усиливают. Например, последовательное увеличение числа атомов хлора (электроноакцепторного заместителя) в радикале уксусной кислоты приводит к усилению кислотных свойств, т.е. возрастанию степени электролитической диссоциации кислот.

По международной номенклатуре ИЮПАК, карбоновые кислоты 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

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

· ароматические (бензойная кислота)

· алифатические (в том числе предельные (капроновая кислота) и непредельные (акриловая кислота))

· алициклические (хинная кислота)

· гетероциклические (никотиновая кислота).

По числу карбоксильных групп кислоты могут быть:

· одноосновными (уксусная кислота)

· двухосновными (щавелевая кислота)

· многоосновными (лимонная кислота).

При введении в молекулы кислоты других функциональных групп (например, -ОН, =CO, -NH₂ и др.) образуются окси-,кето-, аминокислоты и другие классы соединений.

Способы получения. 1. Окисление альдегидов и первичных спиртов — общий способ получения карбоновых кислот. В ка­честве окислителей применяются KМnО₄ и K₂Сr₂О₇.

2. Другой общий способ — гидролиз галогензамещенных угле­водородов, содержащих, три атома галогена у одного атома уг­лерода. При этом образуются спирты, содержащие группы ОН у одного атома углерода — такие спирты неустойчивы и отщепля­ют воду с образованием карбоновой кислоты:

3. Получение карбоновых кислот из цианидов (нитрилов) — это важный способ, позволяющий наращивать углеродную цепь при получении исходного цианида. Дополнительный атом угле­рода вводят в состав молекулы, используя реакцию замещения галогена в молекуле галогенуглеводорода цианидом натрия, например:

СН₃-Вr + NaCN → CH₃ - CN + NaBr.

Образующийся нитрил уксусной кислоты (метилцианид) при на­гревании легко гидролизуется с образованием ацетата аммония:

CH₃CN + 2Н₂О → CH₃COONH₄.

При подкислении раствора выделяется кислота:

CH₃COONH₄ + HCl → СН₃СООН + NH₄Cl.

4. Использование реактива Гриньяра по схеме:

R-MgBr + СО₂ → R-COO-MgBr → R-COOH + Mg(OH)Br

5. Гидролиз сложных эфиров:

R-COOR¹ + КОН → R-COOK + R'OH,

R-COOK + HCl → R-COOH + KCl.

6. Гидролиз ангидридов кислот:

(RCO)₂O + Н₂О → 2RCOOH.

7. Для отдельных кислот существуют специфические спосо­бы получения.

Муравьиную кислоту получают нагреванием оксида углерода (II) с порошкообразным гидроксидом натрия под давлением и об­работкой полученного формиата натрия сильной кислотой:

Уксусную кислоту получают каталитическим окислением бу­тана кислородом воздуха:

2С₄Н₁₀ + 5O₂ → 4СН₃СООН + 2Н₂О.

Для получения бензойной кислоты можно использовать окис­ление монозамешенных гомологов бензола кислым раствором перманганата калия:

5С₆Н₅-СН₃ + 6KMnO₄ + 9H₂SO₄ = 5С₆Н₅СООН + 3K₂SO₄ + 6MnSO₄ + 14H₂O.

Кроме того, бензойную кислоту можно получить из бензальдегида с помощью реакции Канниццаро. В этой реакции бензальдегид обрабатывают 40—60%-ным раствором гидроксида натрия при комнатной температуре. Одновременное окисление и восстано­вление приводит к образованию бензойной кислоты и соответ­ственно фенилметанола (бензилового спирта):