2020-07-12
156
Цель занятия: Изучить строение и свойства карбоновых кислот.
I. Вопросы к занятию.
1.Определение и классификация карбоновых кислот.
2. Предельные одноосновные кислоты
3. Непредельные карбоновые кислоты.
4. Производные карбоновых кислот
II. Краткая теоретическая часть.
1. Определение и классификация карбоновых кислот.
Карбоновыми кислотами называются соединения, содержащие функциональную группу - СООН (карбоксильная группа).
Соединения, содержащие одну карбоксильную группу, называются одноосновными карбоновыми кислотами, две - двухосновными и т.д. Органические кислоты могут быть предельными (насыщенными) - карбоксил связан с алкилом R-СООН; непредельными (ненасыщенными) - карбоксил связан с непредельным радикалом (СН2=СН-СООН - акриловая); ароматическими - карбоксильная группа связана с углеродным атомом бензольного ядра (бензойная кислота). Кислоты, содержащие карбоксильные группы в боковой цепи, рассматриваются как жирноароматические (С6Н5-СН2-СООН -фенилуксусная). Номенклатура ИЮПАК разрешает сохранять для многих кислот их тривиальные названия: НСООН - муравьиная кислота (содержится в яде муравьев), СН3СООН - уксусная кислота (основной компонент винного уксуса), масляная СН3СН2СН2СООН - выделена из коровьего масла и т.д. Для более сложных случаев названия кислот производят от названия углеводородов с тем же числом атомов углерода, что и в молекуле кислоты, нумерацию кислот начинают с атома углерода карбоксильной группы, с добавлением суффикса - овая кислота. Так, муравьиную кислоту можно назвать по-другому - метан овая кислота, уксусную – этан овая. Иногда при составлении рациональных названий кислот с родственной цепью углерода их рассматривают как производные уксусной кислоты. Например, (СН3)3С-СООН - триметилуксусная кислота
Названия ароматических карбоновых кислот образуют добавлением слов «карбоновая кислота» к названию родоначального углеводорода. В качестве альтернативы иногда допускается использование суффикса «ойная».Замещенные ароматические карбоновые кислотыбензольного и нафталинового рядов называют как производные бензойной и нафтойной кислот.
Первые три представителя ряда насыщенных карбоновых кислот - подвижные жидкости с характерным острым запахом, смешиваются с водой в любых соотношениях. Кислоты, в молекуле которых содержится от 4 до 9 атомов углерода - масляные жидкости с неприятным запахом, растворимость их в воде невелика. Высшие кислоты (от С10) - твердые вещества, не имеют запаха, поскольку обладают малой летучестью, нерастворимы в воде. На физические свойства карбоновых кислот большое влияние оказывает их способность к ассоциации с образованием циклических димеров за счет водородных связей. Температуры кипения карбоновых кислот выше, чем у спиртов, имеющих ту же молекулярную массу.
Карбоновые кислоты ряда бензола - бесцветные кристаллические соединения с т.пл. более 100 °С. Плохо растворяется в холодной и лучше в горячей воде.
НСООН т.кип. 101°С, CH3COOH т.кип. 118°С
Строение карбоксильной группы
Группы С=О и ОН, образующие карбоксильную группу, взаимно влияют друг на друга и значительно отличаются по свойствам от соответствующих групп в альдегидах (кетонах) и спиртах. Электронное строение карбоксильной группы и карбоксилат-аниона можно представить следующим образом.
Электронная плотность в группе С+δ = О-δ смещена в сторону атома кислорода. Вследствие этого на карбонильном атоме углерода создается недостаток электронной плотности, и он стягивает на себя неподеленные электронные пары атома кислорода гидроксильной группы (одна из НПЭ атома кислорода гидроксильной группы делокализована перекрыванием с π-орбиталью карбонильной группы). В результате этого атом углерода карбоксильной группы становится менее электрофильным, чем атом углерода в карбонильной группе альдегидов и кетонов, а электронная плотность связи О-Н смещается в сторону атома кислорода. Водород становится подвижным и приобретает способность отщепляться в виде протона. Таким образом, кислотные свойства соединений, содержащих карбоксильную группу, объясняются сопряжением двойной связи карбонильной группы с неподеленной парой атома кислорода гидроксильной группы.
В водных растворах карбоновые кислоты диссоциируют и образуют карбоксилат-анион. Его электронное строение можно представить как резонансный гибрид двух энергетически эквивалентных структур.
В карбоксилат-анионе отрицательный заряд распределяется поровну между двумя атомами кислорода. Такое выравнивание электронной плотности в молекуле по сравнению с предельными резонансными структурами с энергетической точки зрения более выгодно. Это явление также облегчает лёгкость отщепления протона от гидроксильной группы кислот.
Наличие по соседству с карбоксильной группой электроноакцепторных группировок, особенно в α-положении, уменьшает электронную плотность на атоме углерода карбонильной группы и стабилизирует карбоксилат-ион, уменьшая его основность, это приводит к увеличению силы кислоты.
Наоборот, введение донорных заместителей приводит к уменьшению силы кислоты (например, уксусная кислота более слабая, чем муравьиная).
Примеры:
По мере удаления электроноакцепторного заместителя от карбоксильной группы его влияние на кислотность быстро ослабевает.
В целом, органические карбоновые кислоты – слабые: слабее чем НСl, HNO3, но сильнее чем угольная кислота.
Бензойная кислота является более слабой кислотой, чем муравьиная, но более сильной, чем уксусная. Согласно этим данным фенильная группа является менее сильным донором, чем метильная и сильнее стабилизирует карбоксилат-анион.
Электроноакцепторные заместители в ароматическом ядре повышают кислотность бензойных кислот, электронодонорные оказывают противоположное действие.
