Кислоты : лекция для студ. ф-та ИЭФ

Citation preview

Карбоновые кислоты Карбоновые кислоты – производные углеводородов, которые содержат в молекуле функциональную группу: карбоксильная

O C

OH

Общая формула: CnH2nO2

Классификация карбоновых кислот: 1). В зависимости от природы углеводородного радикала, с которым связана карбоксильная группа, различают: -алифатические (насыщенные и ненасыщенные), -алициклические, -ароматические, -гетероциклические кислоты

O С

OH

бензойная кислота

O C

OH

N никотиновая кислота

C

O OH

2). По числу карбоксильных групп: - монокарбоновые- одноосновные - дикарбоновые - двухосновные - трикарбоновые и т.д.

Номенклатура. Рациональная: к названию углеводородных радикалов добавляется название основы – уксусная кислота O CH3

O

CH2

С ОH

СH3 CH C

OH диметилуксусная кислота

фенилуксусная кислота

O CH2 CH CH2 С

винилуксусная кислота ОH

Систематическая: название кислот производят от соответствующего углеводорода, добавляя суффикс -овая, атом углерода карбоксильной группы начинает нумерацию; 4 O 1 2 3

СH2 CH CH2 C

ОH бутен-3-овая кислота 5

4

3

2

1

СH3 CH CH2 CH C OH

Cl

O ОH

Тривиальные названия O

H CH3 CH3

CH3

С O С

H2C H2C

муравьиная кислота OH OH O С

H2C

уксусная кислота

OH пропионовая кислота O С

OH

масляная кислота

O CH3

CH

С

CH3

изомасляная OH кислота O

валерьяновая кислота

CH3 CH CH2 H C С 2 2 OH O пальмитиновая С кислота C15H31 OH O C17H35

С

OH

стеариновая кислота

Способы получения 1.ЖЕСТКОЕ ОКИСЛЕНИЕ УВ: -АЛКАНОВ -АЛКЕНОВ -АЛКИНОВ

CH3 CH3-C=CH2-CH3 O

KMnO4 H2SO4

O

CH3-C-CH3 + H3C C -MnO2 OH

- ЖЕСТКОЕ ОКИСЛЕНИЕ ГОМОЛОГОВ

АРЕНОВ

O CH3 CH-CH3 KMnO4 H2SO4 изопропилбензол кумол

C

OH + CO2+ MnO2

- ЖЕСТКОЕ ОКИСЛЕНИЕ СПИРТОВ:

CH3 CH2 CH2 OH

Na2Cr2O7/H2SO4

CH3 CH2 C

O ОH

2. Гидролиз геминальных тригаCl логензамещенных УВ CH3

Cl C Cl 3Cl2/hv

H2O -3HCl O

OH HO C OH -H2O гемтриол

C

OH

3. Гидролиз нитрилов

O

H2O/H

H2O/H CH -CH -C CH3-CH2-C N 3 2 -NH3 NH2 амид нитрил пропановой пропановой кислоты кислоты O CH3-CH2-C OH

4. Через металлоорганические соединения R H2C Br + Mg

R H2C С

δ δ R H2C MgBr

O H2O/H OMgBr

δ δ O C O

O R H2C С

+ Mg(OH)Br OH

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА С1-С9 - бесцветные жидкости, -ароматические, -высшие алифатические -и все дикарбоновые – твердые вещества. Т. кип. жидких кислот выше, чем спиртов и альдегидов из-за образования ассоциатов за счет водородных связей:

R

С O

O

H

H

O

O С

R

Водородные связи в карбоновых кислотах относятся к числу самых сильных: 29 кДж/моль Низшие члены гомологического ряда алифатических монокарбоновых кислот смешиваются с водой в любых пропорциях. Ароматические карбоновые кислоты плохо растворимы в воде, но лучше в этаноле.

Для карбоновых кислот характерны: 1. Реакции с участием карбоксильной группы: 1) кислотные свойства идут с разрывом связи О-Н ; 2) реакции с разрывом связи С-О с образованием функциональных производных; 2. реакции с участием углеводородного радикала

1. Реакции с участием карбоксильной группы:

1) Кислотные свойствазамещение водорода гидроксильной группы на атом металла с образованием солей карбоновых кислот. Карбоновые кислоты являются более сильными кислотами, чем спирты и фенолы

O H3 C

C

NaOH

OH O H2O ONa ацетат натрия

H3C

C

Качественная реакция на карбоновые кислоты –реакция с содой → выделение углекислого газа

O C6H5 C

NaHCO3

OH

O

CO2 H2O ONa бензоат натрия C6 H 5 C

Химические свойства солей карбоновых кислот: а)электролиз

O

O

электролиз

C CH-R + R CH C NaO ONa CH3 CH3 R CH CH R +CO2 +NaOH + H2 CH3 CH3

б) декарбоксилирование солей карбоновых кислот O NaOH CH3-CH2 C 0 200-300 C ONa CH3-CH3 + Na2CO3

в) при нагревании солей-пиролиз

O

O

R C O Ca O C R

300

O R C R

o

CaCO3

г) при нагревании солей идет дегидратация

O

o

O

t C C H O NH2 NH O R 2 4 R

2. Реакции с разрывом связи С - ОН идут с образованием функциональных производных кислот -галогенангидриды - ангидриды -сложные эфиры - амиды

По своему результату эти реакции могут рассматриваться как реакции ацилирования – замещение в молекуле реагента атома водорода или металла на ацильную группу

O R C

2.1.Образование галогенангидридов кислот.

O R

С

Hal

Названия: название ацила + галоген (в форме прилагательного или с окончанием –ид)бутаноил хлорид, или хлорангидрид бутановой кислоты.

Получение галогенангидридов.

O PBr3 O R

С

OH

PCl5

H3PO3 С R O Br R

SOCl2 R

С O С

Cl

Cl

POCl3 HCl SO2 HCl

Химические

свойства:

галогенангидриды легко обменивают атом галогена на нуклеофильные группы (SNреакции):

O HOH

O R

C

Cl

C гидролиз - HCl R OH O спирты R'OH C - HCl R O OR'

соли спирта

C6H5ONa C - NaCl R OC6H5 O аммиак NH3 C и амины - HCl R NH2

2.2.Образование ангидридов кислот.

O R

C

O R

C

O R

C O

O R'

C O

Получение ангидридов кислот : а) из кислот o O

O

P2O5,t -H2O C C CH3 H3C OH HO O H3 C C O H3C

C O

б)из соли кислоты и галогенангидрида кислоты O O R

C

R

O ONa Cl

C

C

-NaCl

R'

O R'

C O

Химические свойства: ангидриды кислот, как и галогенангидриды, являются хорошими ацилирующими средствами:

HOH R

O R

C O

R

R'OH R

C O

O

O

C

C

OH R

O

OH гидролиз O

C

C

OR' R

O

NH3 R

C

NH2

OH алкоголиз O C

R OH аммонолиз

2.3. Образование сложных эфиров. а) Реакция карбоновых кислот со спиртами, приводящая к сложным эфирам называется реакцией этерификации:

O R

С

O

R'OH H

С

R'

R O O H - H2O сложный эфир

б) реакции галогенангидридов кислот со спиртами O R C Cl

H OR1

- HCl

O R C OR1

Химические свойства сложных эфиров – реакции гидролиза O H2O/H H OR1 R C OH O R C OR1 O H2O/ OH H OR + R C O 1

2.4.Образование амидов кислот

O R

C

NH2

а) Получение из кислот и NH3:

O R C

O

NH3

C

R ONH4 OH аммонийная соль O o t R C H2O NH2

б) Из ангидридов кислот: O R C

Cl

O

2NH3

-NH

R C Cl

4

NH2

в) Гидролиз нитрилов:

R C N

O

H2O/H R

C

NH2

Химические свойства амидов кислот: O

HOH R o H ,t

OH

O R

C

NH2

HOH

NaOH ,to P2O5 ,to

NH3 гидролиз

C

O R

C

NH3 гидролиз

ONa

R C

дегидратация NH H2O

3. Реакции по α-углеродному атому-идут с образованием замещенных кислот. -Галогенирование O

H3C (CH2)3 H2C C гексановая кислота

PCl3

Br2 - HBr OH

H3C (CH2)3 CH C

O OH

Br 3-бромгексановая кислота

- Реакции по ароматическому кольцукарбоксильная группа ориентант II рода. O C OH Br2 O HBr AlBr3 C Br OH KNO3 H2SO4

C

O OH H2O NO2

Применение кислот Муравьиная: -восстановление металлов из их солей:

O H-C O

o

190 C 2Ni

Ni + 2CO2+H2

-протрава при крашении тканей -дубильное вещество для кожи -для получения щавелевой кислоты

Уксусная: -образуется при скисании вина, содержится в зеленых листьях растений, в желчи животных Применяют: -консервант -в производстве ацетатного волокна -в синтезе душистых веществ -как растворитель

Бензойная кислота: содержится в бальзамах, ладане, эфирных маслах Применяют соль кислоты- бензоат Na, в качестве консерванта

С

O

ONa

Салициловая кислота - применяют в медицине: O OH O- C CH3 COOH COOH

аспирин OH

OH COOC6H5 салол

COOCH3 метилсалицилат

Ненасыщенные кислоты Акриловая кислота - жидкость с резким запахом, Ткип.=140оС, хорошо растворима в воде

CH2 CH C

O

OH акриловая кислота пропеновая

Применяют производные акриловой кислоты: - акрилонитрил – смотреть хим. свойства алкинов - метакриловая – в производстве прозрачных полимерных материалов

CH3 CH2 C C

O полим.

OH метакриловая кислота 2-метилпропеновая

COOH CH2 C

n

CH3

-метиловый эфир метакриловой кислоты – в производстве оргстекла

CH3 CH2 C C

O полим.

OСH3 метиловый эфир метакриловой кислоты

COOСH3 CH2 C

n

CH3

Двухосновные кислоты- карбоновые кислоты, содержащие две карбоксильные группы

Гомологический ряд: HOOC-COOH – щавелевая, этандиовая HOOC-CH2-COOH – малоновая, пропандиовая HOOC-(CH2)2-COOH – янтарная, бутандиовая HOOC-(CH2)3-COOH–глутаровая, пентандиовая HOOC-(CH2)4-COOH–адипиновая, гександиовая

COOH COOH фталевая 1,2-бензолдикарбоновая

COOH

COOH терефталевая 1,4-бензолдикарбоновая

Химические свойства: 1. Кислотные – образуют с NaOH, NaHCO3 два ряда солей: кислые и средние соли. Кислотные свойства выше одноосновных кислот, так как содержат две карбоксильные группы

2. Отношение кислот к нагреванию: HOOC COOH

200oC

H COOH

HOOC H2C COOH H3C COOH

o

CO2

150 C CO2

O C H2C

CH2 COOH 300 C - H O H2C 2 CH COOH o

2

O C

Ангидрид янтарной кислоты

O

O C OH C OH O

O 230 C

C

H2 O

C

o

-

O O

Ангидрид фталевой кислоты

Применение Щавелевая: - для окрашивания тканей, - как хорошее отбеливающее средство, - удаляет из тканей ржавчину и чернила

Адипиновая – в производстве полиамидного волокна «Найлон» реакцией конденсации адипиновой кислоты и гексаметилендиамина. - Эти волокна обладают высокой прочностью, упругостью, устойчивостью к действию химических реагентов, микроорганизмов, хорошо окрашиваются. - По своим свойствам ткани из этих волокон являются заменителями шерсти. Из них делают бытовые ткани, парашюты, рыболовные сети, каркасы шин.

COOH

NH2

(CH2)4

+ (CH2)6

COOH

H NH гексаметилендиамин

O

-H2O

C (CH2)4 C NH (CH2)6 NH O полиамидное волокно

n

Терефталевая кислота применяется в производстве полиэфирного волокна «лавсан» – реакцией конденсации терефталевой кислоты и этиленгликоля

COOH + HO-CH2-CH2-OH -H O 2

HOOC

OC

O C O-CH2-CH2-O

полиэтилентерефталат

n

Реакция конденсации терефталевой кислоты и глицерина применяется в производстве алкидных смол, которые растворяют в растворителях и получают очень прочные лаки и эмали.

n HOOC

COOH + HO-CH2-CH-CH2 -H O 2 OH OH O O C C O-CH2 -CH-CH2O n OH алкидная смола

Высшие жирные кислоты Пальмитиновая- С15Н31СООН, Тпл 63оС Стеариновая - С17Н33СООН, Тпл 69оС Эти кислоты содержатся: в масле какао, жире животных. В промышленности получают из нефти- окислением высших алканов над катализаторами.

Применение: - в производстве мыла: Naсоли этих кислот твердое мыло, К-соли - жидкое мыло - в производстве смазочных материалов для защиты металла - в производстве резины, линолеума, лаков, краски

Высшие ненасыщенные кислоты С17Н33СООН

(CH ) COOH 2 7 9 CH3-(CH2)7 C C H H олеиновая кислота Z-октадецен-9-овая кислота

С17Н31СООН CH3-(CH2)4

12

9 (CH2)7COOH

H H H H линолевая кислота Z-октадекадиен-9,12овая кислота

С17Н29СООН CH3-CH2 H

15

HH

12

HH

9 (CH2)7COOH H

Z-октадекатриен-9,12,15овая кислота линоленовая кислота

Эти кислоты входят в состав жиров, бесцветные маслянистые жидкости, легче воды. При Т=14оС образуют игольчатые кристаллы, легко окисляются на воздухе (как и алкены) и желтеют. Проявляют химические свойства алкенов и карбоновых кислот.

Жиры, липиды Жиры, липиды - сложные эфиры глицерина и высших насыщенных или ненасыщенных кислот Наряду с белками и углеводами входят в состав растительных и животных организмов

Структурная формула жиров

O

C H 2 -O -C -R C H -O -C -R O C H 2 -O -C -R O

Биологическая роль жиров: - источник энергии (1г при окислении выделяет 39 кДж энергии) -растворяют в организме биологически активные вещества, например, витамины -участвуют при осуществлении важных функций организма -жировая ткань изолирует внутренние органы от ударов, толчков и переохлаждения

Растения синтезируют жиры из крахмала, а животные и человек – получают с пищей или синтезируют из углеводов. Жиры впервые синтезировал Бертло в 1854 году

Физические свойства: не имеют определенной Тпл, не растворимы в воде, с водой образуют эмульсию (молоко), при перегонке разлагаются. - В состав жидких жиров (масло) входят ненасыщенные кислоты, твердых– насыщенные

Химческие свойства: 1. Кислотный или щелочной гидролиз O

CH2-O-C-C17H33

Н2O/ H

CH-O-C-C17H33 O CH2-O-C-C17H33 O триглицерид олеиновой кислоты + 3 C17H33COOH

CH2-OH CH-OH + CH2-OH глицерин

олеиновая кислота

2. Восстановление кратной связи–образуется твердый жир Жиры применяют -в фармацевтической промышленности. -парфюмерии (крем, помада)