Лекция №28 . Карбоновые кислоты: строение, свойства,получение, применение

Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

Лекция №28 . Карбоновые кислоты: строение, свойства,получение, применение.

1. Карбоновые кислоты – это кислородсодержащие органически вещества, молекулы которых содержат одну или несколько карбоксильных групп (-СOOH), соединённых с углеродным радикалом или водородным атомом. Карбоксильная группа содержит две функциональные группы – карбонил >С=О и гидроксил -OH, непосредственно связанные друг с другом:

2. Классификация А) По числу карбоксильных групп в молекуле

Название	Примеры
1) Одноосновные	Метановая, муравьиная кислота Этановая, уксусная кислота
2) Двухосновные	HOOC – COOH Щавелевая кислота
3) Многоосновные

Б) По природе углеводородного радикала

Название	Примеры
1) Предельные (насыщенные)	HCOOH Метановая, муравьиная кислота CH3COOH Этановая, уксусная кислота
2) Непредельные	Акриловая кислота СН2=СНСООН Кротоновая кислота СН3–СН=СН–СООН Олеиновая СН3–(СН2)7–СН=СН–(СН2)7–СООН Линолевая СН3–(СН2)4–(СН=СН–СН2)2–(СН2)6–СООН Линоленовая СН3–СН2–(СН=СН–СН2)3–(СН2)6–СООН
3) Ароматические	С6Н5СООН – бензойная кислота НООС–С6Н4–СООН Пара-терефталевая кислота

Изомерия

I . Структурная

А) Изомерия углеродного скелета (начиная с C₄)

Б) Межклассовая со сложными эфирами R- CO – O- R₁ (начиная с C₂)

Например: для С₃Н₆О₂

CH₃-CH₂-COOH пропионовая кислота

СH₃-CO-OCH₃ метиловый эфир уксусной кислоты

II . Пространственная

А) Оптическая

Например:

Б) Цис- транс – изомерия для непредельных кислот

Пример:

ПРЕДЕЛЬНЫЕ ОДНООСНОВНЫЕ КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ

C_nH ₂ _n ₊₁ - COOH или C_nH ₂ _n O ₂

Гомологический ряд

Название		Формула кислоты	t_пл. °C	t_кип. °C	ρ г/см³
кислоты		Формула кислоты	t_пл. °C	t_кип. °C	ρ г/см³
муравьиная	метановая	HCOOH	8,3	100,5	1,22
уксусная	этановая	CH₃COOH	16,8	118	1,05
пропионовая	пропановая	CH₃CH₂COOH	-21	141	0,99
масляная	бутановая	CH₃(CH₂)₂COOH	-6	164	0,96

Строение карбоксильной группы

Карбоксильная группа сочетает в себе две функциональные группы – карбонил >C=O 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:

Растворимость в воде и высокие температуры кипения кислот обусловлены образованием межмолекулярных водородных связей.

С увеличением молекулярной массы растворимость кислот в воде уменьшается.

II . Специфические свойства

1. Образование функциональных производных R-CO-X

(свойства гидроксильной группы)

Получение хлорангидридов:

R-COOH + PCl₅ → R-CO-Cl + POCl₃ + HCl

2. Образование амидов

CH₃COOH + NH₃→CH₃COONH₄^t˚C→ CH₃CONH₂ + H₂O

Вместо карбоновых кислот чаще используют их галогенангидриды:

Амиды образуются также при взаимодействии карбоновых кислот (их галогенангидридов или ангидридов) с органическими производными аммиака (аминами):

Амиды играют важную роль в природе. Молекулы природных пептидов и белков построены из a-аминокислот с участием амидных групп - пептидных связей

3. Реакции замещения с галогенами

(свойства углеводородного радикала, образуется а-хлорпроизводное карбоновой кислоты ):

5. Реакции декарбоксилирования солей карбоновых кислот (получение алканов):

R-COONa + NaOH ^t→ Na₂CO₃ + R-H (алкан)

6. Окисление в атмосфере кислорода:

R-COOH + O₂ → CO₂ + H₂O

Особенности муравьиной кислоты H - COOH :

Даёт реакцию «Серебряного зеркала»:

H-COOH + 2[Ag(NH₃)₂]OH → 2Ag↓ + (NH₄)₂CO₃ + 2NH₃ + H₂O

Окисление хлором:

H-COOH + Cl₂ → CO₂ + 2HCl

Вступает в реакцию с гидроксидом меди(II):

H-COOH + 2Cu(OH)₂^t→ Cu₂O↓ + CO₂↑ + 3H₂

Разлагается при нагревании:

HCOOH ^t^,^H²^SO⁴→ CO↑ + H₂O

Непредельные карбоновые кислоты способны к реакциям присоединения:

СН₂=СН-СООН + Н₂→ СН₃-СН₂-СООН

СН₂=СН-СООН + Сl₂→ СН₂Сl-СНСl-СООН

СН₂=СН-СООН + HCl → СН₂Сl-СН₂-СООН

СН₂=СН-СООН + Н₂O → НО-СН₂-СН₂-СООН

Две последние реакции протекают против правила Марковникова.

Непредельные карбоновые кислоты и их производные способны к реакциям полимеризации.

Получение карбоновых кислот

I. В промышленности

1. Выделяют из природных продуктов (жиров, восков, эфирных и растительных масел)

2. Окисление алканов:

2CH₄ + 3O₂ ^t,kat → 2HCOOH + 2H₂O

метан муравьиная кислота

2CH₃-CH₂-CH₂-CH₃ + 5O₂ ^t,kat,p → 4CH₃COOH + 2H₂O

н-бутан уксусная кислота

3. Окисление алкенов :

CH₂=CH₂ + O₂ ^t,kat → CH₃COOH

этилен

СH₃-CH=CH₂ + 4[O] ^t,kat → CH₃COOH + HCOOH

пропен уксусная кислота муравьиная кислота

4. Окисление гомологов бензола (получение бензойной кислоты):

C₆H₅-C_nH_2n+1 + 3n[O] ^KMnO4,H+→ C₆H₅-COOH + (n-1)CO₂ + nH₂O

5C₆H₅-CH₃ + 6KMnO₄ + 9H₂SO₄ → 5C₆H₅-COOH + 3K₂SO₄ + 6MnSO₄ + 14H₂O

толуол бензойная кислота

5. Получение муравьиной кислоты:

1 стадия : CO + NaOH ^t,p → HCOONa

формиат натрия – соль

2 стадия : HCOONa + H₂SO₄ → HCOOH + NaHSO₄

6. Получение уксусной кислоты:

CH₃OH + CO ^t,p → CH₃COOH

Метанол

II. В лаборатории

1. Гидролиз сложных эфиров:

OH^-

R-COOR₁ + H₂O ↔ RCOOH + R₁-OH

H⁺

2. Из солей карбоновых кислот:

R-COONa + HCl → R-COOH + NaCl

3. Растворением ангидридов карбоновых кислот в воде:

(R-CO)₂O + H₂O → 2 R-COOH

4. Щелочной гидролиз галоген производных карбоновых кислот:

R- C = O + NaOH → R-COOH + NaCl

│

Задания для СРС по теме « Альдегиды. Карбоновые кислоты».

1. Вычислите массу уксусного альдегида, который образовался из ацетилена, полученного из кальций карбида массой 711г, который содержит 10% примесей.

2. При сжигании 7,5г органического вещества образуется 4,5г водяных паров и 11г оксида углерода (IV). Найдите молекулярную формулу вещества и назовите его, если известно, что плотность его паров по водороду равна 15.

3. Окислили 2 моль метанола, а образовавшийся метаналь растворили в 200г воды. Вычислите содержание метаналя в растворе в процентах.

4. Составьте уравнения по приведенной схеме:

этилен → хлорэтан → етилен → ацетилен → этаналь.

5. Составьте уравнения реакций по данной схеме:

СН₃Сl → С₂Н₆ → С₂Н₄ → С₂Н₅ОН → СН₃СНО.

6. Составьте уравнения реакций по данной схеме:

этанол → этаналь → этан → этилен → полиэтилен.

7. Составьте уравнения реакций по данной схеме:

этан → этилен → этанол → уксусный альдегид → уксусная кислота.

8. Укажите вещество, которое образуется при взаимодействии альдегида с водородом

А) спирт; Б) кетон;

В) карбоновая кислота; Г) углерод (IV) оксид.

9. Обозначьте вещество, молекула которой содержит гидроксильную группу:

А) этаналь; Б) этанол; В) этан; Г) этен.

10. Установите соответствие веществ буквам в схеме превращений:

1) H₂O; 2) СuО; 3) 2H₂O; 4) H₂; 5) КОН(спирт.).

11. Установите соответствие веществ буквам в схеме превращений:

1) СuО; 2) НВr; 3) КОН; 4) Аg₂О; 5) Вr₂.

12. Установите соответствие веществ буквам в схеме превращений:

1) КОН; 2) Аg₂О; 3)Сl₂; 4) СuО; 5) НСl.

13. Установите соответствие веществ буквам в схеме превращений:

1) НСl; 2) Аg₂О; 3) КОН; 4) Вr₂; 5) СuО

Темы докладов и рефератов

1. Формальдегид, его применение в медицине 2. Ацетальдегид, свойства, применение. 3. Цитраль: применение в медицине. 4. Ацетон: строение, свойства, применение

1. Ацетилсалициловая кислота: получение, применение. 2. Пировиноградная кислота. 3. Молочная кислота. 4. Лимонная кислота и ее соли. 5. Винная кислота. 6. Яблочная кислота.

Литература:

1. Еремин, Кузьменко Химия-11. проф. уровень; М.: «Дрофа», 2009

2. Габриелян Химия 10 класс, проф. уровень; М: «Дрофа», 2012

Дополнительная информация

Ненасыщенные непредельные кислоты с одной двойной связью в молекуле имеют общую формулу C_nH₂_n_-1COOH.

Высокомолекулярные непредельные кислоты часто упоминаются диетологами (они называют их ненасыщенными). Самая распространенная из них –

олеиновая СН₃–(СН₂)₇–СН=СН–(СН₂)₇–СООН или C₁₇H₃₃COOH. Она представляет собой бесцветную жидкость, затвердевающую на холоде. Особенно важны полиненасыщенные кислоты с несколькими двойными связями:

линолевая СН₃–(СН₂)₄–(СН=СН–СН₂)₂–(СН₂)₆–СООН или C₁₇H₃₁COOH с двумя двойными связями,

линоленовая СН₃–СН₂–(СН=СН–СН₂)₃–(СН₂)₆–СООН или C₁₇H₂₉COOH с тремя двойными связями и

арахидоновая СН₃–(СН₂)₄–(СН=СН–СН₂)₄–(СН₂)₂–СООН с четырьмя двойными связями; их часто называют незаменимыми жирными кислотами. Именно эти кислоты обладают наибольшей биологической активностью: они участвуют в переносе и обмене холестерина, синтезе простагландинов и других жизненно важных веществ, поддерживают структуру клеточных мембран, необходимы для работы зрительного аппарата и нервной системы, влияют на иммунитет. Отсутствие в пище этих кислот тормозит рост животных, угнетает их репродуктивную функцию, вызывает различные заболевания. Линолевую и линоленовую кислоты организм человека сам синтезировать не может и должен получать их готовыми с пищей (как витамины). Для синтеза же арахидоновой кислоты в организме необходима линолевая кислота. Полиненасыщенные жирные кислоты с 18 атомами углерода в виде эфиров глицерина находятся в так называемых высыхающих маслах – льняном, конопляном, маковом и др. Линолевая кислота C₁₇H₃₁COOH и линоленовая кислота C₁₇H₂₉COOH входят в состав растительных масел. Например, льняное масло содержит около 25% линолевой кислоты и до 58% линоленовой.

Сорбиновая (2,4-гексадиеновая) кислота СН₃–СН=СН–СН=СНСООН была получена из ягод рябины (на латыни – sorbus). Эта кислота – прекрасный консервант, поэтому ягоды рябины не плесневеют.

Простейшая непредельная кислота, акриловая СН₂=СНСООН, имеет острый запах (на латыни acris – острый, едкий). Акрилаты (эфиры акриловой кислоты) используются для получения органического стекла, а ее нитрил (акрилонитрил) – для изготовления синтетических волокон.

Называя вновь выделенные кислоты, химики, нередко, дают волю фантазии. Так, название ближайшего гомолога акриловой кислоты, кротоновой СН₃–СН=СН–СООН, происходит вовсе не от крота, а от растения Croton tiglium, из масла которого она была выделена. Очень важен синтетический изомер кротоновой кислоты – метакриловая кислота СН₂=С(СН₃)–СООН, из эфира которой (метилметакрилата), как и из метилакрилата, делают прозрачную пластмассу – оргстекло.

Бензойная кислота известна человечеству очень давно. Первые упоминания об этом веществе относятся к шестнадцатому веку. Именно тогда ученым впервые удалось выделить бензойную кислоту из одноименной смолы методом сублимации. А в девятнадцатом веке немецкие химики исследовали это соединение более детально и сравнили свойства бензойной кислоты со свойствами гиппуровой кислоты. Противомикробное и противогрибковое действие бензойной кислоты послужило причиной того, что в двадцатом веке ее начали использовать в качестве пищевого консерванта при производстве продуктов питания. Физические и химические свойства бензойной кислоты Своим внешним видом бензойная кислота напоминает тонкие продолговатые листочки или иголочки белого цвета с характерным блеском. Она очень хорошо растворяется практически в любой среде: в жирах, спиртах и в обычной воде. Кроме того, при температуре свыше 122 градусов по Цельсию бензойная кислота расплавляется и переходит в газообразное состояние. Любой химик скажет вам, что это соединение относится карбоновым одноосновным кислотам ароматического ряда. Но нам больше интересно, каковы свойства бензойной кислоты, и не наносит ли она вреда человеческому здоровью. На этикетках продуктов питания она обозначается кодом Е210. В промышленных масштабах бензойную кислоту производят из толуола, методом окисления последнего. Раньше ее получали из фталевой кислоты или бензотрихлорида, но сейчас этот способ не актуален в силу дороговизны и сложности технологического процесса.

Что касается безопасности и натуральности, то бензойную кислоту можно назвать природным соединением, поскольку она присутствует в составе некоторых ягод (черники, брусники, клюквы), а также образуется в кисломолочных продуктах, таких, как йогурты или простокваша. Это не значит, что ее там так же много, как в некоторых консервированных продуктах заводского производства. Но, с другой стороны, это свидетельствует о том, что бензойная кислота не токсична и не опасна для человека, если употреблять ее в разумных количествах.

Применение бензойной кислоты Консервант Е210 активно используется пивоваренной, кондитерской и хлебопекарной промышленностью. Вот неполный список продуктов, выпускаемых с применением бензойной кислоты: Фруктовые соки и пюре; Варенья, джемы и повидла; Молочные продукты; Овощные консервы; Мороженое; Ликеры, пиво, вина; Конфеты и сахарозаменители; Соленая и маринованная рыба; Маргарин и масло; Жевательная резинка. Без применения бензойной кислоты не обходится и производство некоторых косметических средств.

Кроме того, ее добавляют в лекарственные препараты, например, в антисептические мази против чесотки. Фармацевтика интересуется бензойной кислотой не из-за консервирующих свойств. Это вещество прекрасно справляется с микробами, грибками и простейшими паразитами. Добавляют ее и в сиропы от кашля, поскольку она оказывает выраженное отхаркивающее действие, разжижает мокроту и помогает вывести ее из бронхов. Очень эффективны медицинские растворы для ножных ванночек с добавлением бензойной кислоты. С их помощью можно избавиться от потливости ног и грибковых поражений кожи.

Химическая промышленность тоже использует бензойную кислоту – в качестве основного реагента при производстве некоторых органических соединений.

Влияние бензойной кислоты на здоровье Когда бензойная кислота попадает в наш организм, она вступает в реакцию с белковыми молекулами и трансформируется в гиппуровую кислоту, а уже потом выводится наружу вместе с мочой. Разумеется, этот процесс представляет собой лишнюю нагрузку на выделительную систему, поэтому российским законодательством установлена предельно допустимая норма использования бензойной кислоты при производстве продуктов питания. Ее не должно быть больше, чем 5 миллиграммов на 1 килограмм готового продукта. Но о вреде бензойной кислоты обычно рассуждают не в контексте нагрузки на почки. Дело в том, что при определенных условиях из этого химического соединения может образовываться чистый бензол – опасное вещество, относящееся к канцерогенам, то есть провоцирующее развитие онкологических заболеваний. Но чтобы произошла такая реакция, необходима очень высокая температура. В организме человека выделение бензола из бензойной кислоты невозможно. Однако греть консервированные продукты, не предназначенные для этого, и употреблять их в таком виде не рекомендуется. Некоторые современные специалисты в области пищевой химии полагают, что при взаимодействии бензойной кислоты Е210 и аскорбиновой кислоты Е300 возможно возникновение нежелательных химических реакций с выделением бензола. Но для этого процесса также требуется особая среда с повышенной температурой. В любом случае, вы можете узнать из этикетки, есть ли такое сочетание веществ в конкретном продукте, и принять решение, покупать его или нет. Любителям кошек следует помнить, что для ваших питомцев бензойная кислота и ее соли крайне опасны сами по себе, даже в мизерных количествах. Поэтому прежде чем предлагать своей кошке какой-либо продукт со своего стола, убедитесь, что в его составе нет такого консерванта. Вообще это одна из многих причин, почему не стоит кормить домашних любимцев «человеческими» продуктами. Лучше покупать специальное питание или готовить для них пищу самим.