X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение

Среди различных классов органических соединений широко распространены в природе и играют важнейшую роль в жизнедеятельности растений и животных33633-карбоновые кислоты. Карбоновые кислоты -органические соединения, содержащие одну или несколько карбоксильных групп -СООН. Название происходит от лат. carbo - уголь и греч. oxys - кислый. По числу -COOH этих групп различают моно-, ди, три- и тетракарбоновые кислоты (большее число групп -СООН в одной молекуле встречается редко). Карбоновые кислоты могут быть алифатическими - с нормальной и разветвленной цепью, циклическими и ароматическими, предельными и непредельными, содержать атомы галогенов и различные функциональные группы: ОН (оксикислоты), NH2 (аминокислоты), СО (кетокислоты) и т.д. Многие карбоновые кислоты в свободном состоянии, а также в виде различных производных (солей, эфиров) широко распространены в природе.

Актуальность темы курсовой работы: Карбоновые кислоты распространены в природе, очень разнообразны и находят широкое применение, поэтому их изучение важно и интересно с теоретической и практической точек зрения.

Цель курсовой работы: Изучить строение и свойства одноосновных карбоновых кислот.

Задачи:

изучить строение, номенклатуру, получение и свойства предельныx одноосновные карбоновых кислот;

изучить структуру, номенклатуру, способы синтеза и применение ненасыщенных одноосновных карбоновых кислот;

изучить строение, номенклатуру, получение и свойства ароматических одноосновные карбоновых кислот;

определить константы диссоциации уксусной, муравьиной и пропионовой кислот методом pH-метрии;

Глава 1. Предельные одноосновные карбоновые кислоты

1.  
   Строение и номенклатура предельных карбоновых кислот

Карбоновые кислоты

-органические соединения, содержащие одну или несколько карбоксильных групп –СООН, связанных с углеводородным радикалом.

Карбоксильная группа содержит две функциональные группы - карбо-нил >С=О и гидроксил -OH, непосредственно связанные друг с другом:

Классификация карбоновых кислот

Карбоновые кислоты классифицируют по двум структурным признакам.

1. По числу карбоксильных групп кислоты подразделяются на:

одноосновные (монокарбоновые). Например:

Н-СООН (муравьиная кислота

СН3-СООН(уксусная кислота)

многоосновные (дикарбоновые, трикарбоновые и т.д.).

HOOC-CH₂-COOH (малоновая кислота)

(лимонная кислота)

2. По характеру углеводородного радикала различают кислоты:

предельные ((насыщенные),например, CH₃CH₂CH₂COOH – бутановая кислота);

непредельные ((ненасыщенные),например, CH₂=CHCH₂COOH – 3-бутеновая кислота);

ароматические ((производные ароматических УВ),RC₆H₄COOH, например, C₆H₅COOH – бензойная кислота).

Насыщенные монокарбоновые кислоты

Наибольшее значение имеют насыщенные монокарбоновые кислоты. Общая формула насыщенных монокарбоновых кислот:

Важнейшие представители гомологического ряда этих кислот представлены в табл.1.В этой таблице приведены названия кислот RCOOH и кислотных остатков RCOO-.

Таблица 1

В структуре карбоновых кислот часто выделяют также кислотные радикалы

или ацилы .

Названия некоторых ацилов.

Номенклатура

По международной заместительной номенклатуре название кислоты производят от названия соответствующего(с тем же числом атомов углерода) углеводорода с добавлением окончания –овая и слова кислота. Нумерацию цепи всегда начинают с атома углерода карбоксильной группы,поэтому в названиях положение группы-СООН не указывают.

Например:

При составлении названий кислот, имеющих сложное строение, иногда также используют тривиальные названия кислот, соответствующие наиболее длинной прямой цепи .В этом случае атомы углерода в прямой цепи обозначают греческими буквами, начиная с атома углерода, соседнего с карбоксильной группой: альфа, бета, гамма, дельта и . т . д .,например:

[1].

1.2. Получение предельных карбоновых кислот

1. Окисление первичных спиртов и альдегидов.

В промышленном масштабе окисление ведут кислородом воздуха при катализе солями марганца или кобальта

В лаборатории окисление осуществляют неорганическими окислителями: KMnO₄ в кислой или нейтральной среде, K₂Cr₂O₇ в кислой среде.

2. Окисление неразветвленных алкенов

Окислителями являются K₂Cr₂O₇ в кислой среде или KMnO₄ в кислой среде.

3. Окисление алкинов.

В качестве окислителей используют те же реагенты, что и при окислении алкенов.

4.Окисление алканов (промышленный метод)

RCH₂CH₂R' + 5/2O₂ RCOOH + R'COOH + H₂O

Окисление осуществляют при катализе реакции солями кобальта или марганца.

5. Гидролитические методы.

а) Кислотный гидролиз нитрилов

RC≡ N + 2H₂O + HX  RCOOH + NH₄X

б) Основной гидролиз нитрилов

RC≡N + H₂O + NaOH  RCOONa + NH₃

в) Кислотный гидролиз амидов кислот

г) Основной гидролиз амидов кислот

д) Кислотный гидролиз сложных эфиров

е) Основной гидролиз сложных эфиров

RCOOR' + NaOH RCOONa + R'OH

ж) Гидролиз ангидридов карбоновых кислот

(RCO)₂O + H₂O 2RCOOH

з) Гидролиз галогенангидридов карбоновых кислот

RCOHal + H₂O  RCOOH + HHal

и) Гидролиз соединений, содержащих трихлорметильную группу

RCCl₃ + 2H₂O RCOOH + 3HCl

Гидролиз осуществляет либо основанием, либо водой при катализе апротонными кислотами, например, FeCl_3.

6. Металлоорганический синтез.

7. Реакции карбонилирования

8. Синтез Арндта-Эйстерта

Промежуточным продуктом является диазокетон.

Эта реакция представляет собой удобный способ превращения карбоновой кислоты RCOOH в ее ближайший гомолог RCH₂COOH.

Технически важную муравьиную и уксусную кислоты получают следующими способами.

Муравьиная кислота и ее эфиры:

1.3. Свойства и применение предельных карбоновых кислот

1.3.1. Физические и химические свойства

Физические свойства предельных одноосновных карбоновых кислот.

Низшие кислоты, т.е. кислоты с относительно небольшой молекулярной массой, содержащие в молекуле до четырёх атомов углерода, — жидкости с характерным резким запахом. Кислоты, содержащие от 4 до 9 атомов углерода, — вязкие маслянистые жидкости с неприятным запахом. Кислоты, состоящие из 9 атомов углерода и более, — твёрдые 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 (см. табл.2).

Простейшая карбоновая кислота — муравьиная НСООН, имея небольшую относительную молекулярную массу (М_r(НСООН) = 46), при обычных условиях является жидкостью с температурой кипения 100,8 °С. В то же время бутан (М_r(С₄Н₁₀) = 58) в тех же условиях газ 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.

.

Молекулы предельных одноосновных карбоновых кислот содержат полярную группу атомов — карбоксил

и практически неполярный углеводородный радикал. Карбоксильная группа притягивается молекулами воды, образуя с ними водородные связи.

Муравьиная и уксусная кислоты растворимы в воде неограниченно. С увеличением числа атомов в углеводородном радикале растворимость карбоновых кислот снижается.

Таблица 2

Физические свойства карбоновых кислот

Название		Формула кислоты	tпл.°C	tкип.°C	ρг/см3
кислоты
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

Насыщенные монокарбоновые кислоты представляют собой бесцветные жидкие или кристаллические вещества с острым своеобразным запахом, высшие карбоновые кислоты (С₁₅ – С₁₈) имеют слабый запах стеарина. Они имеют весьма высокие температуры кипения, что свидетельствует о значительной межмолекулярной ассоциации следствие образования межмолекулярных водородных связей, причем образуются как циклические димеры, так и линейные олигомеры.

Электронографическое изучение карбоновых кислот показало, что в их молекуле имеются карбонильная и гидроксильная группа, при этом связь С = О длиннее, чем в кетонах, а связь С – О короче, чем в спиртах. Это свидетельствует о сопряжении неподеленной пары кислорода гидроксильной группы и орбиталей карбонильной группы

Проявляя +М – эффект, атом кислорода гидроксильной группы увеличивает полярность связей ОН, но в то же время в некоторой степени уменьшает положительный заряд на углеродном атоме по сравнению альдегидами и кетонами. Одновременно действует электроноакцепторный индуктивный эффект (-I) кислородных атомов.

Таким образом в карбоксильной группе имеется сильно поляризованный положительно атом водорода гидроксильной группы и углеродный атом которые являются нуклеофильными центрами. В то же время кислородный атом имеет нуклеофильный характер.

Химические свойства предельных одноосновных карбоновых кислот

Большинство реакций карбоновых кислот может быть отнесено к одному из четырех основных типов:

1.Реакции, сопровождающиеся разрывом О-Н-связей, например, кислотная диссоциация.

2.Реакции по карбонильному углероду, которые имеют нуклеофильный характер.

3.Реакции расщепления

4.Реакции по С -углеродному атому алкильной группы.

Кислотность карбоновых кислот

Кислотность карбоновых кислот характеризуется константой кислотности К_а или показателем рК_а. Их значения обычно составляет приблизительно 10^-5, что свидетельствует о слабости этих кислот. Присутствие в структуре радикала электроноакцепторных заместителей будет стабилизировать карбоксилат анион, что приведет к увеличению кислотности соответствующей ему кислоты. Например: рК_а монохлоруксусной кислоты составляет 2,9 а уксусной – 4,8. По мере удаления электроноакцепторного заместителя от карбоксильной группы кислотность снижается, что связано с быстрым затуханием индуктивного эфекта: так рК_а -хлорпропионовой кислоты составляет ~4,0. Наоборот, увеличение разветвления алкильного радикала приводит к снижению кислотности, так как при этом возрастает индуктивный эффект алкильной группы. На основе этих данных можно представить следующие ряды кислотности карбоновых кислот.

Кислотность карбоновых кислот проявляется в их взаимодействии с активными металлами и основаниями.

2RCOOH + 2Na 2RCOONa + H₂

RCOOH + NaOH RCOONa + H₂O

2RCOOH + Na₂CO₃  2RCOONa + H₂O + CO₂

Основностькарбоновыхкислот

В кислой среде (pH» - активизировать окно «Параметры»

(мигающий режим)

4.Нажать клавишу «←» подтвердить вход в окно

5.Нажать клавишу «←» активизировать окно выбора единиц измерения

6.Нажимая клавиши «>» или «» - активизировать окно «Калибр» (мигающий режим)

10.Нажать клавишу «←» 2 раза - подтвердить вход в окно

11.Нажать клавишу «>» - вызвать окно для задания рН первого буферного раствора

12.Если установленное в окне значение соответствует рН первого буферного раствора, нажать клавишу «←» далее см. п. 14

13.Если установленное в окне значение НЕ соответствует рН первого буферного раствора, нажимая клавиши «>» или «» или «

Код для цитирования: Скопировать