Jump to content

Карбоновая кислота

(Перенаправлено с Carboxylic )

Структура карбоновой кислоты
Карбоксилат-анион
3D-структура карбоновой кислоты

В органической химии карбоновая кислота — это органическая кислота , содержащая карбоксильную группу ( -C(=O)-OH ) [1] присоединен к R-группе . Общую формулу карбоновой кислоты часто записывают как R-COOH или R−CO 2 H , иногда как R-C(O)OH , где R относится к органильной группе (например, алкилу , алкенилу , арилу ), или водороду , или другим группам. Карбоновые кислоты распространены широко. Важные примеры включают аминокислоты и жирные кислоты . Депротонирование карбоновой кислоты дает карбоксилат- анион .

Примеры и номенклатура

[ редактировать ]

Карбоновые кислоты обычно идентифицируются по их тривиальным названиям . Они часто имеют суффикс -ic acid . IUPAC Также существуют имена, рекомендованные ; в этой системе карбоновые кислоты имеют суффикс -овая кислота . [2] Например, масляная кислота ( CH 3 CH 2 CH 2 CO 2 H ) представляет собой бутановую кислоту согласно рекомендациям IUPAC. В номенклатуре сложных молекул, содержащих карбоновую кислоту, карбоксил можно рассматривать как положение первой родительской цепи , даже если имеются другие заместители , такие как 3-хлорпропановая кислота . Альтернативно его можно назвать заместителем «карбокси» или «карбоновой кислоты» в другой исходной структуре, такой как 2-карбоксифуран .

Карбоксилат-анион ( R-COO или R-CO - 2 ) карбоновой кислоты обычно называют с суффиксом -ate , что соответствует общему образцу -ic кислоты и -ate для сопряженной кислоты и ее сопряженного основания соответственно. Например, сопряженным основанием уксусной кислоты является ацетат .

Угольная кислота , которая встречается в природе в бикарбонатных буферных системах , обычно не классифицируется как одна из карбоновых кислот, несмотря на то, что она имеет фрагмент , похожий на группу COOH.

Насыщенные карбоновые кислоты с прямой цепью (алкановые кислоты)
Углерод
атомы
Общее имя Название ИЮПАК Химическая формула Общее расположение или использование
1 Муравьиная кислота Метановая кислота HCOOH Укусы насекомых
2 Уксусная кислота Этановая кислота СН 3 СООН Уксус
3 Пропионовая кислота Пропановая кислота СН 3 СН 2 СООН Консервант для хранящихся зерен, запаха тела , молока, сливочного масла, сыра.
4 Масляная кислота Бутановая кислота СН 3 (СН 2 ) 2 СООН Масло
5 Валериановая кислота Пентановая кислота СН 3 (СН 2 ) 3 СООН Валериана растение
6 Капроновая кислота гексановая кислота СН 3 (СН 2 ) 4 СООН Козий жир
7 Энантовая кислота гептановая кислота СН3 ( СН2 ) 55СООН Аромат
8 Каприловая кислота Октановая кислота СН3 ( СН2 ) 66СООН Кокосы
9 Пеларгоновая кислота Нонановая кислота СН 3 (СН 2 ) 7 СООН Пеларгония растение
10 Каприновая кислота Декановая кислота СН3 ( СН2 ) 88СООН Кокосовое и пальмоядровое масло
11 Ундециловая кислота Ундекановая кислота СН 3 (СН 2 ) 9 СООН Противогрибковое средство
12 Лауриновая кислота Додекановая кислота СН 3 (СН 2 ) 10 СООН Кокосовое масло и мыло для мытья рук
13 Тридециловая кислота Тридекановая кислота СН 3 (СН 2 ) 11 СООН Растительный метаболит
14 Миристиновая кислота Тетрадекановая кислота СН 3 (СН 2 ) 12 СООН Мускатный орех
15 Пентадециловая кислота Пентадекановая кислота СН 3 (СН 2 ) 13 СООН Молочный жир
16 Пальмитиновая кислота Гексадекановая кислота СН 3 (СН 2 ) 14 СООН Пальмовое масло
17 Маргаровая кислота Гептадекановая кислота СН3 ( СН2 ) 1515СООН Феромоны у различных животных
18 Стеариновая кислота Октадекановая кислота СН3 ( СН2 ) 1616СООН Шоколад , воск, мыло и масла
19 Нонадециловая кислота Нонадекановая кислота СН 3 (СН 2 ) 17 СООН Жиры, растительные масла, феромоны
20 Арахиновая кислота икозановая кислота СН 3 (СН 2 ) 18 СООН Арахисовое масло
Другие карбоновые кислоты
Сложный класс Члены
ненасыщенные монокарбоновые кислоты акриловая кислота (2-пропеновая кислота) – CH 2 =CH-COOH , используется в синтезе полимеров.
Жирные кислоты насыщенные и ненасыщенные монокарбоновые кислоты со средней и длинной цепью с четным числом атомов углерода; примеры: докозагексаеновая кислота и эйкозапентаеновая кислота (пищевые добавки)
Аминокислоты строительные блоки белков
Кетокислоты кислоты биохимического значения, содержащие кетоновую группу; примеры: ацетоуксусная кислота и пировиноградная кислота.
Ароматические карбоновые кислоты содержащий по меньшей мере одно ароматическое кольцо; примеры: бензойная кислота – натриевая соль бензойной кислоты используется в качестве пищевого консерванта; салициловая кислота – бета-гидрокси типа, содержащаяся во многих продуктах по уходу за кожей; фенилалкановые кислоты - класс соединений, в которых фенильная группа присоединена к карбоновой кислоте.
Дикарбоновые кислоты содержащие две карбоксильные группы; примеры: адипиновая кислота ( мономер, используемый для производства нейлона) и алдаровая кислота (семейство сахарных кислот).
Трикарбоновые кислоты содержащие три карбоксильные группы; примеры: лимонная кислота – содержится в цитрусовых и изолимонная кислота.
Альфа-гидроксикислоты содержащие гидроксигруппу в первом положении; примеры: глицериновая кислота , гликолевая кислота и молочная кислота (2-гидроксипропановая кислота) – содержатся в кислом молоке, винная кислота – содержится в вине.
Бета-гидроксикислоты содержащий гидроксигруппу во втором положении
Омега-гидроксикислоты содержащий гидроксильную группу за первым или вторым положением
Дивинилэфиры жирных кислот содержит дважды ненасыщенную углеродную цепь, присоединенную посредством эфирной связи к жирной кислоте, обнаруженную в некоторых растениях.

Физические свойства

[ редактировать ]

Растворимость

[ редактировать ]

Карбоновые кислоты полярны . Поскольку они оба являются акцепторами водородной связи ( карбонильная группа −C(=O)− ) и доноры водородной связи ( гидроксил −OH ), они также участвуют в образовании водородных связей . Вместе гидроксильная и карбонильная группы образуют функциональную группу карбоксил. Карбоновые кислоты обычно существуют в виде димеров в неполярных средах из-за их склонности к «самоассоциации». Карбоновые кислоты меньшего размера (от 1 до 5 атомов углерода) растворимы в воде, тогда как карбоновые кислоты большего размера имеют ограниченную растворимость из-за увеличения гидрофобности алкильной цепи. Эти кислоты с более длинной цепью обычно растворимы в менее полярных растворителях, таких как эфиры и спирты. [3] Водный гидроксид натрия и карбоновые кислоты, даже гидрофобные, реагируют с образованием водорастворимых солей натрия. Например, энантовая кислота плохо растворяется в воде (0,2 г/л), но ее натриевая соль хорошо растворима в воде.

Точки кипения

[ редактировать ]

Карбоновые кислоты, как правило, имеют более высокие температуры кипения, чем вода, из-за большей площади поверхности и склонности образовывать стабилизированные димеры за счет водородных связей . Чтобы произошло кипение, либо связи димера должны быть разорваны, либо вся структура димера должна испариться, что значительно увеличивает требования к энтальпии испарения .

карбоновой кислоты Димеры

Кислотность

[ редактировать ]

Карбоновые кислоты представляют собой кислоты Бренстеда – Лоури, поскольку они представляют собой протон ( H + ) доноры. Это наиболее распространенный тип органических кислот .

Карбоновые кислоты обычно являются слабыми кислотами , то есть они лишь частично диссоциируют на [ Н3О ] + катионы и R−CO 2 Анионы в нейтральном водном растворе. Например, при комнатной температуре в 1- молярном растворе уксусной кислоты диссоциирует только 0,001% кислоты (т.е. 10 −5 моль из 1 моля). Электроноакцепторные заместители, такие как -CF 3 группа , дают более сильные кислоты (p K a уксусной кислоты составляет 4,76, тогда как трифторуксусная кислота с трифторметильным заместителем имеет p K a 0,23). Электронодонорные заместители дают более слабые кислоты (p K a муравьиной кислоты составляет 3,75, тогда как уксусная кислота с метильным заместителем имеет p K a 4,76).

Карбоновая кислота [4] п К а
Муравьиная кислота ( HCO 2 H ) 3.75
Хлоромуравьиная кислота ( ClCO 2 H ) 0.27 [5]
Уксусная кислота ( СН 3 СО 2 Н ) 4.76
Глицин ( NH2CH2CO2H CH2CO2H) 2.34
Фторуксусная кислота ( FCH2CO2H CO2H) 2.586
Дифторуксусная кислота ( F2CHCO2H CHCO2H) 1.33
Трифторуксусная кислота ( CF3CO2H CO2H) 0.23
Хлороуксусная кислота ( ClCH 2 CO 2 H ) 2.86
Дихлоруксусная кислота ( Cl 2 CHCO 2 H ) 1.29
Трихлоруксусная кислота ( CCl 3 CO 2 H ) 0.65
Бензойная кислота ( С 6 ЧАС 5 -СО 2 ЧАС ) 4.2
Нитробензойная кислота ( орто- 2 - C 6 H 4 (NO 2 )CO 2 H ) 2.16
Щавелевая кислота ( HO-C(=O)-C(=O)-OH ) (первая диссоциация) 1.27
Оксалат водорода ( HO-C(=O)-CO - 2 ) (вторая диссоциация щавелевой кислоты) 4.14

Депротонирование карбоновых кислот дает карбоксилат-анионы; они стабилизированы резонансом , поскольку отрицательный заряд делокализован по двум атомам кислорода, увеличивая стабильность аниона. Каждая из углерод-кислородных связей в карбоксилат-анионе имеет характер частичной двойной связи. Частичный положительный заряд карбонильного углерода также ослабляется - 1 / 2 отрицательных заряда на 2 атомах кислорода.

Карбоновые кислоты часто имеют сильный кислый запах. Эфиры карбоновых кислот обычно имеют фруктовый приятный запах, и многие из них используются в парфюмерии .

Характеристика

[ редактировать ]

Карбоновые кислоты легко идентифицируются как таковые с помощью инфракрасной спектроскопии . Они демонстрируют резкую полосу, связанную с колебанием карбонильной связи C=O ( ν C=O ) между 1680 и 1725 см-1. −1 . Характерная полоса ν O–H проявляется в виде широкого пика в диапазоне 2500–3000 см. −1 область. [3] [6] К 1 ЯМР Спектрометрии гидроксилводород появляется в области 10–13 м.д., хотя часто он либо уширен, либо не наблюдается из-за обмена со следами воды.

Возникновение и применение

[ редактировать ]

Многие карбоновые кислоты производятся в промышленных масштабах. Они также часто встречаются в природе. Эфиры жирных кислот являются основными компонентами липидов, а полиамиды аминокарбоновых кислот — основными компонентами белков .

Карбоновые кислоты используются в производстве полимеров, фармацевтических препаратов, растворителей и пищевых добавок. Промышленно важные карбоновые кислоты включают уксусную кислоту (компонент уксуса, предшественник растворителей и покрытий), акриловую и метакриловую кислоты (прекурсоры полимеров, клеев), адипиновую кислоту (полимеры), лимонную кислоту (ароматизатор и консервант в пищевых продуктах и ​​напитках), этилендиаминтетрауксусная кислота (хелатирующий агент), жирные кислоты (покрытия), малеиновая кислота (полимеры), пропионовая кислота (пищевой консервант), терефталевая кислота (полимеры). Важными карбоксилатными солями являются мыла.

Промышленные маршруты

[ редактировать ]

В целом промышленные пути получения карбоновых кислот отличаются от тех, которые используются в меньших масштабах, поскольку требуют специального оборудования.

  • Карбонилирование спиртов на примере процесса Cativa для производства уксусной кислоты. Муравьиную кислоту получают другим путем карбонилирования, также начиная с метанола.
  • Окисление альдегидов воздухом с использованием кобальтовых и марганцевых катализаторов. Требуемые альдегиды легко получают из алкенов гидроформилированием .
  • Окисление углеводородов воздухом. Для простых алканов этот метод недорог, но недостаточно селективен, чтобы быть полезным. Аллильные и бензильные соединения подвергаются более избирательному окислению. Алкильные группы бензольного кольца окисляются до карбоновой кислоты независимо от длины ее цепи. Бензойная кислота толуола , терефталевая кислота параксилола и из являются фталевая из ортоксилола показательными крупномасштабными кислота из превращениями. Акриловую кислоту получают из пропена . [7]
  • Окисление этена с использованием катализатора кремневольфрамовой кислоты .
  • Катализируемое основанием дегидрирование спиртов.
  • Карбонилирование в сочетании с добавлением воды. Этот метод эффективен и универсален для алкенов, образующих вторичные и третичные карбокатионы , например, от изобутилена до пивалиновой кислоты . В реакции Коха присоединение воды и оксида углерода к алкенам или алкинам катализируется сильными кислотами. Гидрокарбоксилирование включает одновременное добавление воды и CO . Такие реакции иногда называют « химией Реппе ».
HC≡CH + CO + H 2 O → CH 2 =CH−CO 2 H

Лабораторные методы

[ редактировать ]

В препаративных методах мелкомасштабных реакций для исследований или производства тонких химикатов часто используются дорогие расходные реагенты.

RLi + CO 2 → RCO 2 Li +
RCO 2 ли + + HCl → RCO 2 H + LiCl
R−C(=O)− Ar + H 2 O → R−CO 2 H + ArH

Менее распространенные реакции

[ редактировать ]

Многие реакции приводят к образованию карбоновых кислот, но используются только в особых случаях или представляют в основном академический интерес.

карбоновых кислот Органические реакции

Наиболее широко практикуются реакции превращения карбоновых кислот в сложные эфиры , амиды , соли карбоксилатов , хлорангидриды и спирты . Карбоновые кислоты реагируют с основаниями с образованием карбоксилатных солей, в которых водород гидроксильной ( –OH ) группы заменен катионом металла . Например, уксусная кислота, содержащаяся в уксусе, реагирует с бикарбонатом натрия (пищевой содой) с образованием ацетата натрия , углекислого газа и воды:

CH 3 COOH + NaHCO 3 → CH 3 COO Уже + + СО 2 + Н 2 О

Карбоновые кислоты также реагируют со спиртами, образуя сложные эфиры . Этот процесс широко используется, например, при производстве полиэфиров . Аналогичным образом карбоновые кислоты превращаются в амиды , но это преобразование обычно не происходит путем прямой реакции карбоновой кислоты и амина. Вместо этого сложные эфиры являются типичными предшественниками амидов. Превращение аминокислот в пептиды — важный биохимический процесс, требующий участия АТФ .

Гидроксильная группа карбоновых кислот может быть заменена атомом хлора с использованием тионилхлорида с получением ацилхлоридов . В природе карбоновые кислоты превращаются в тиоэфиры .

Снижение

[ редактировать ]

Как и сложные эфиры , большинство карбоновых кислот можно восстановить до спиртов путем гидрирования или с помощью агентов, переносящих гидрид, таких как литийалюминийгидрид . Сильные агенты-переносчики алкила, такие как литийорганические соединения, но не реактивы Гриньяра , восстанавливают карбоновые кислоты до кетонов вместе с переносом алкильной группы.

( Реактив Вильсмайера N , N - диметил(хлорметилен)аммоний хлорид; [ClHC=N + (СН 3 ) 2 ]Cl ) является высокохемоселективным агентом восстановления карбоновой кислоты. Он избирательно активирует карбоновую кислоту с образованием карбоксиметиленаммониевой соли, которую можно восстановить с помощью мягкого восстановителя, такого как трис( т -бутокси)алюмогидрид лития, с получением альдегида в одном сосуде. Известно, что эта процедура допускает наличие реакционноспособных карбонильных функциональных групп, таких как кетон, а также умеренно реакционноспособных сложноэфирных, олефиновых, нитрильных и галогенидных группировок. [9]

Специализированные реакции

[ редактировать ]

Карбоксильный радикал

[ редактировать ]

Карбоксильный радикал •СООН существует недолго. [10] Константа кислотной диссоциации •COOH была измерена с помощью спектроскопии электронного парамагнитного резонанса . [11] Карбоксильная группа имеет тенденцию к димеризации с образованием щавелевой кислоты .

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Интернет-исправленная версия: (2006–) « Карбоновые кислоты ». дои : 10.1351/goldbook.C00852
  2. ^ Рекомендации 1979 года . Органическая химия Номенклатура ИЮПАК. Правила С-4 Карбоновые кислоты и их производные.
  3. ^ Перейти обратно: а б Моррисон, RT; Бойд, Р.Н. (1992). Органическая химия (6-е изд.). Прентис Холл. ISBN  0-13-643669-2 .
  4. ^ Хейнс, Уильям М., изд. (2011). Справочник CRC по химии и физике (92-е изд.). ЦРК Пресс . стр. 5–94–5–98. ISBN  978-1439855119 .
  5. ^ «Хлоркарбоновая кислота» . База данных метаболомов человека .
  6. ^ Смит, Брайан. «Облигация C = O, Часть VIII: Обзор» . Спектроскопия . Проверено 12 февраля 2024 г.
  7. ^ Рименшнейдер, Вильгельм (2002). «Карбоновые кислоты алифатические». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a05_235 . ISBN  3527306730 . .
  8. ^ Перри К. Ривз (1977). «Карбоксилирование ароматических соединений: ферроценкарбоновая кислота». Орг. Синтез . 56:28 . дои : 10.15227/orgsyn.056.0028 .
  9. ^ Фудзисава, Тамоцу; Сато, Тошио. «Восстановление карбоновых кислот до альдегидов: 6-Ооксдеканал» . Органические синтезы . 66 : 121. дои : 10.15227/orgsyn.066.0121 ; Сборник томов , т. 8, с. 498 .
  10. ^ Миллиган, Делавэр; Джакокс, Мэн (1971). «Инфракрасный спектр и структура промежуточных продуктов реакции OH с CO». Журнал химической физики . 54 (3): 927–942. Бибкод : 1971ЖЧФ..54..927М . дои : 10.1063/1.1675022 .
  11. ^ Значение p K a = −0,2 ± 0,1. Дживараджан, А.С.; Кармайкл, И.; Фессенден, RW (1990). «Измерение ESR p K a карбоксильного радикала и ab initio расчет константы сверхтонкого углерода-13». Журнал физической химии . 94 (4): 1372–1376. дои : 10.1021/j100367a033 .
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: a17921365a8d72005d418e068ef638ca__1721561160
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/a1/ca/a17921365a8d72005d418e068ef638ca.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Carboxylic acid - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)