Карбоновая кислота
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.
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 |
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 .
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.
Запах
[ редактировать ]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 1Н 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.
Синтез
[ редактировать ]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
- Гидролиз триглицеридов, полученных из растительных или животных масел. Эти методы синтеза некоторых длинноцепочечных карбоновых кислот связаны с мыловарением .
- Ферментация этанола. Этот метод используется при производстве уксуса .
- Реакция Кольбе-Шмитта обеспечивает путь к получению салициловой кислоты , предшественника аспирина .
Лабораторные методы
[ редактировать ]В препаративных методах мелкомасштабных реакций для исследований или производства тонких химикатов часто используются дорогие расходные реагенты.
- Окисление первичных спиртов или альдегидов сильными окислителями, такими как дихромат калия , реактив Джонса , перманганат калия или хлорит натрия . Этот метод больше подходит для лабораторных условий, чем промышленное использование воздуха, которое более «зелено», поскольку дает меньше неорганических побочных продуктов, таких как оксиды хрома или марганца. [ нужна ссылка ]
- Окислительное расщепление олефинов озонолизом калия , перманганатом или дихроматом .
- Гидролиз нитрилов , сложных эфиров или амидов , обычно с кислотным или основным катализом.
- Карбонизация реактива Гриньяра и литийорганических реагентов:
- Галогенирование с последующим гидролизом метилкетонов в галоформной реакции
- Катализируемое основаниями расщепление неенолизируемых кетонов, особенно арилкетонов : [8]
- 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.
- Диспропорционирование альдегида в реакции Канниццаро.
- Перегруппировка дикетонов при перегруппировке бензиловой кислоты
- В образовании бензойных кислот участвуют реакция фон Рихтера из нитробензолов и реакция Кольбе-Шмитта из фенолов .
Реакции
[ редактировать ]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 ]- Как и во всех карбонильных соединениях, протоны α-углерода лабильны из-за кето-енольной таутомеризации . Таким образом, α-углерод легко галогенируется в реакции галогенирования Хелла – Фольхарда – Зелинского .
- Реакция Шмидта превращает карбоновые кислоты в амины .
- Карбоновые кислоты декарбоксилируются по реакции Хунсдикера .
- Реакция Дакина-Уэста превращает аминокислоту в соответствующий аминокетон.
- При разложении Барбье-Виланда карбоновая кислота в алифатической цепи, имеющая простой метиленовый мостик в альфа-положении, может укоротить цепь на один атом углерода. Обратная процедура — это синтез Арндта-Эйстерта , при котором кислота превращается в ацилгалогенид, который затем вступает в реакцию с диазометаном с образованием еще одного метилена в алифатической цепи.
- Многие кислоты подвергаются окислительному декарбоксилированию . Ферменты , катализирующие эти реакции, известны как карбоксилазы ( EC 6.4.1) и декарбоксилазы (EC 4.1.1).
- Карбоновые кислоты восстанавливаются до альдегидов через сложный эфир и ДИБАЛ , через хлорангидрид при восстановлении Розенмунда и через тиоэфир при восстановлении Фукуямы .
- При кетоновом декарбоксилировании карбоновые кислоты превращаются в кетоны.
- Литийорганические реагенты (>2 экв.) реагируют с карбоновыми кислотами с образованием дилитий-1,1-диолата, стабильного тетраэдрического промежуточного продукта , который разлагается с образованием кетона при кислотной обработке.
- Электролиз Кольбе представляет собой электролитическую реакцию декарбоксилирующей димеризации. Он избавляется от карбоксильных групп двух молекул кислоты, а оставшиеся фрагменты соединяет вместе.
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 ]- Кислотный ангидрид
- Хлорид кислоты
- Амид
- Аминокислота
- Эстер
- Список карбоновых кислот
- Дикарбоновая кислота
- Псевдокислота
- Тиокарбокси
- Углекислый газ (CO 2 )
Ссылки
[ редактировать ]- ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Интернет-исправленная версия: (2006–) « Карбоновые кислоты ». дои : 10.1351/goldbook.C00852
- ^ Рекомендации 1979 года . Органическая химия Номенклатура ИЮПАК. Правила С-4 Карбоновые кислоты и их производные.
- ^ Перейти обратно: а б Моррисон, RT; Бойд, Р.Н. (1992). Органическая химия (6-е изд.). Прентис Холл. ISBN 0-13-643669-2 .
- ^ Хейнс, Уильям М., изд. (2011). Справочник CRC по химии и физике (92-е изд.). ЦРК Пресс . стр. 5–94–5–98. ISBN 978-1439855119 .
- ^ «Хлоркарбоновая кислота» . База данных метаболомов человека .
- ^ Смит, Брайан. «Облигация C = O, Часть VIII: Обзор» . Спектроскопия . Проверено 12 февраля 2024 г.
- ^ Рименшнейдер, Вильгельм (2002). «Карбоновые кислоты алифатические». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a05_235 . ISBN 3527306730 . .
- ^ Перри К. Ривз (1977). «Карбоксилирование ароматических соединений: ферроценкарбоновая кислота». Орг. Синтез . 56:28 . дои : 10.15227/orgsyn.056.0028 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- pH и титрование карбоновых кислот - бесплатное программное обеспечение для расчетов, анализа данных, моделирования и создания диаграмм распределения.
- ПМСП.