Формула карбоновых кислот общая: Формула карбоновой кислоты в химии

Введение карбоновым кислотам

Обозначение карбоновых кислот кислоты.Эти соединения имеют кислотную природу, и общая формула для этого гомологического ряда: $ {{\ text {C}} _ ​​{\ text {n}}} {{\ text {H}} _ {\ text {2n + 1 }}} \ text {COOH} $.

Полный ответ:
Гомологический ряд — это ряд химических соединений, которые имеют одну и ту же функциональную группу и аналогичные химические свойства, а последовательные члены различаются на $ — \ text {C} {{\ text {H}} _ { 2}} $ group.
Карбоновые кислоты также образуют гомологичный ряд, и, как и все гомологические ряды, карбоновые кислоты имеют общую формулу и общие свойства, которые перечислены ниже:
-Общая формула карбоновых кислот: $ {{\ text {C}} _ ​​{ \ text {n}}} {{\ text {H}} _ {\ text {2n + 1}}} \ text {COOH} $.
-Соединения показывают постепенное изменение физических свойств, таких как точки кипения.
-Все имеют сходные химические свойства.
Функциональной группой в карбоновых кислотах является карбоксильная группа, –COOH. Карбоксильная группа состоит из гидроксильной группы (-OH), связанной с карбонильной группой (-C = O). Структура приведена ниже:

Дополнительная информация:
Карбоновые кислоты широко встречаются в природе. Молочная кислота, содержащаяся в кисломолочных продуктах, и лимонная кислота, содержащаяся в цитрусовых, — это карбоновые кислоты.

Примечание:
Соединения, образованные заменой гидроксильной группы (-ОН) карбоновых кислот некоторыми другими группами, известны как производные карбоновых кислот.Этот класс производных карбоновых кислот включает многие важные соединения, такие как ацилгалогениды, сложные эфиры, ангидриды кислот и амиды.

Реакционная способность карбоновых кислот

Карбоновые кислоты

Карбоксильная функциональная группа, которая характеризует карбоновые кислоты, необычна тем, что она состоит из двух функциональных групп, описанных ранее в этом тексте. Как видно из формулы справа, карбоксильная группа состоит из гидроксильной группы, связанной с карбонильной группой.Его часто записывают в сжатом виде как –CO ₂ H или –COOH. Другие комбинации функциональных групп были описаны ранее, и были описаны значительные изменения в химическом поведении в результате групповых взаимодействий (например, фенол и анилин). В этом случае изменение химических и физических свойств в результате взаимодействия гидроксильной и карбонильной группы настолько велико, что комбинацию обычно рассматривают как отдельную и отличающуюся функциональную группу.

1.Номенклатура карбоновых кислот

Как и в случае с альдегидами, карбоксильная группа должна располагаться на конце углеродной цепи. В системе номенклатуры IUPAC углерод карбоксильной группы обозначен № 1, и другие заместители расположены и названы соответственно. Характерный суффикс IUPAC для карбоксильной группы — « oic acid », и следует проявлять осторожность, чтобы не путать эту систематическую номенклатуру с аналогичной общей системой. Эти две номенклатуры показаны в следующей таблице вместе с их температурами плавления и кипения.

Замещенные карбоновые кислоты названы либо системой IUPAC, либо общепринятыми названиями. Если вы не уверены в правилах номенклатуры ИЮПАК, вам следует ознакомиться с ними сейчас. Некоторые общепринятые названия, например, аминокислота треонин, не имеют никакого систематического происхождения, и их нужно просто запомнить. В других случаях в общих названиях используется обозначение греческой буквы для атомов углерода рядом с карбоксильной группой. Ниже приведены некоторые примеры обеих номенклатур.

Простые дикарбоновые кислоты общей формулы HO ₂ C– (CH ₂ ) _n –CO ₂ H (где n = от 0 до 5) известны под общими названиями: оксалиновый (n = 0), малоновый (n = 1), янтарный (n = 2), глутаровый (n = 3), адипиновый (n = 4) и Пимелиновая (n = 5) кислоты. Общие названия, такие как эти, может быть трудно запомнить, поэтому были придуманы мнемонические средства, которые принимают форму запоминающейся фразы. Для этой группы соединений одна такая фраза: « O h M y S uch G ood A pple P ie «.

2. Натуральные продукты на основе карбоновых кислот

Карбоновые кислоты широко распространены в природе, часто в сочетании с другими функциональными группами. Простые алкилкарбоновые кислоты, состоящие из четырех-десяти атомов углерода, представляют собой жидкости или легкоплавкие твердые вещества с очень неприятным запахом. жирных кислот являются важными компонентами биомолекул, известных как липидов , особенно жиров и масел. Как показано в следующей таблице, эти длинноцепочечные карбоновые кислоты обычно называют их общими названиями, которые в большинстве случаев отражают их источники.Мнемоническая фраза для натуральных жирных кислот C ₁₀ — C ₂₀ каприновая, лауриновая, миристиновая, пальмитиновая, стеариновая и арахидиновая: « C urly, L arry & M oe P erform S illy A ntics «(обратите внимание, что имена трех марионеток расположены в алфавитном порядке).
Интересно, что молекулы большинства природных жирных кислот имеют четное число атомов углерода . Аналогичные соединения, состоящие из нечетного числа атомов углерода, совершенно стабильны и были получены синтетическим путем.Поскольку природа создает эти длинноцепочечные кислоты, связывая вместе ацетатные звенья, неудивительно, что количество атомов углерода, составляющих природные продукты, кратно двум. Все двойные связи в ненасыщенных соединениях, перечисленных справа, являются цис (или Z).

Следующие формулы являются примерами других встречающихся в природе карбоновых кислот.Молекулярные структуры варьируются от простых до сложных, часто включают множество других функциональных групп, и многие из них являются хиральными.

3. Родственные карбонильные производные

Другие комбинации функциональных групп с карбонильной группой могут быть получены из карбоновых кислот и обычно рассматриваются как родственные производные. Пять общих классов этих производных карбоновых кислот перечислены в следующей таблице. Хотя нитрилы не имеют карбонильной группы, они включены сюда, потому что все функциональные атомы углерода имеют одинаковую степень окисления.Верхний ряд (заштрихованный желтым) показывает общую формулу для каждого класса, а нижний ряд (голубой) дает конкретный пример каждого. Как и в случае аминов, амиды классифицируются как 1º, 2º или 3º, в зависимости от количества алкильных групп, связанных с азотом.

Подобные функциональные группы встречаются во многих натуральных продуктах. Некоторые примеры показаны ниже, где функциональная группа окрашена в красный цвет. Большинство функций представляют собой амиды или сложные эфиры, кантаридин является редким примером природного ангидрида.Циклические сложные эфиры называются лактонами , а циклические амиды называются лактамами . Пенициллин G выполняет две амидные функции, одна из которых является β-лактамом. Греческая буква определяет расположение азота относительно карбонильной группы амида.

Свойства карбоновых кислот

1. Физические свойства карбоновых кислот

В таблице в начале этой страницы указаны точки плавления и кипения для гомологической группы карбоновых кислот, содержащих от одного до десяти атомов углерода.Точки кипения регулярно увеличивались с размером, а точки плавления — нет. Неразветвленные кислоты, состоящие из четного числа атомов углерода, имеют температуры плавления выше, чем гомологи с нечетными номерами, имеющие на один больше или на один атом углерода. Это отражает различия в силах межмолекулярного притяжения в кристаллическом состоянии. В таблице жирных кислот мы видим, что наличие цис-двойной связи значительно снижает температуру плавления соединения. Таким образом, пальмитолеиновая кислота плавится на 60º ниже, чем пальмитиновая кислота, и аналогичное уменьшение происходит для соединений C ₁₈ и C ₂₀ .Опять же, виноваты изменения в кристаллической упаковке и межмолекулярных силах.

Факторы, влияющие на относительные температуры кипения и растворимость в воде различных типов соединений, обсуждались ранее. Как правило, диполярные силы притяжения между молекулами повышают температуру кипения данного соединения, например, водородные связи. Водородная связь также является важным фактором водорастворимости ковалентных соединений. Чтобы освежить ваше понимание этих принципов, щелкните здесь.В следующей таблице приведены несколько примеров этих свойств для некоторых полярных соединений аналогичного размера (неполярный углеводородный гексан предоставлен для сравнения).

Все первые пять позиций содержат кислородные функциональные группы, и относительно высокие температуры кипения первых двух явно связаны с водородными связями.Карбоновые кислоты имеют исключительно высокие температуры кипения, в значительной степени из-за димерных ассоциаций, включающих две водородные связи. Структурная формула димера уксусной кислоты показана здесь. Когда указатель мыши проходит над рисунком, появляется диаграмма электронного облака. Высокие температуры кипения амидов и нитрилов в значительной степени обусловлены сильным дипольным притяжением, в некоторых случаях дополненным водородными связями.

2. Кислотность карбоновых кислот

Некоторые типичные карбоновые кислоты pK _a перечислены в следующей таблице.Когда мы сравниваем эти значения со значениями сопоставимых спиртов, таких как этанол (pK _a = 16) и 2-метил-2-пропанол (pK _a = 19), становится ясно, что карбоновые кислоты более сильные кислоты десять степеней десяти! Кроме того, электроотрицательные заместители рядом с карбоксильной группой увеличивают кислотность.

Почему присутствие карбонильной группы, смежной с гидроксильной группой, должно иметь такое сильное влияние на кислотность гидроксильного протона? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны вернуться к природе кислотно-щелочного равновесия и определению pK _a , проиллюстрированному общими уравнениями, приведенными ниже. Эти отношения были описаны в предыдущем разделе этого текста.

Мы знаем, что равновесие благоприятствует термодинамически более стабильной стороне, и что величина константы равновесия отражает разницу энергий между компонентами каждой стороны. В кислотно-основном равновесии равновесие всегда благоприятствует более слабой кислоте и основанию (это более стабильные компоненты). Вода является стандартной базой, используемой для измерений pK _и ; следовательно, все, что стабилизирует сопряженное основание (A: ^(-) ) кислоты, обязательно сделает эту кислоту (H – A) сильнее и сместит равновесие вправо.Как карбоксильная группа, так и карбоксилат-анион стабилизируются за счет резонанса, но стабилизация аниона намного больше, чем стабилизация нейтральной функции, как показано на следующей диаграмме. В карбоксилат-анионе две участвующие структуры имеют равный вес в гибриде, а связи C – O имеют одинаковую длину (между двойной и одинарной связью). Эта стабилизация приводит к заметно повышенной кислотности, как показано на энергетической диаграмме, отображаемой при нажатии кнопки « Toggle Display ».

Описанный здесь резонансный эффект, несомненно, является основным фактором исключительной кислотности карбоновых кислот. Однако индуктивные эффекты также играют роль. Например, спирты имеют pK _a , равное 16 или больше, но их кислотность увеличивается за счет электроноакцепторных заместителей в алкильной группе.Следующая диаграмма иллюстрирует этот фактор для нескольких простых неорганических и органических соединений (строка №1) и показывает, как индуктивное удаление электронов может также увеличить кислотность карбоновых кислот (строки №2 и 3). Кислый водород во всех примерах окрашен в красный цвет.

Вода менее кислая, чем перекись водорода, потому что водород менее электроотрицателен, чем кислород, и ковалентная связь, соединяющая эти атомы, поляризована, как показано. Спирты немного менее кислые, чем вода, из-за плохой электроотрицательности углерода, но хлоралгидрат, Cl ₃ CCH (OH) ₂ , и 2,2,2-трифторэтанол значительно более кислые, чем вода, из-за индуктивный отвод электронов электроотрицательными галогенами (и вторым кислородом в хлоралгидрате).В случае карбоновых кислот, если электрофильный характер карбонильного углерода снижается, кислотность карбоновой кислоты также будет уменьшаться. Точно так же увеличение его электрофильности увеличит кислотность кислоты. Уксусная кислота в десять раз слабее кислоты, чем муравьиная кислота (первые две позиции во втором ряду), подтверждая электронодонорный характер алкильной группы по отношению к водороду, как отмечалось ранее при обсуждении стабильности карбокатиона. Электроотрицательные заместители увеличивают кислотность за счет индуктивного отвода электронов.Как и ожидалось, чем выше электроотрицательность заместителя, тем больше увеличивается кислотность (F> Cl> Br> I), и чем ближе заместитель находится к карбоксильной группе, тем сильнее его влияние (изомеры в 3-м ряду). Заместители также влияют на кислотность производных бензойной кислоты, но резонансные эффекты конкурируют с индуктивными эффектами. Метоксигруппа является электронодонорной, а нитрогруппа — электроноакцепторной (последние три записи в таблице значений pK _и ).

Получение карбоновых кислот

Атом углерода карбоксильной группы имеет высокую степень окисления. Поэтому неудивительно, что многие химические реакции, используемые для их получения, являются окислениями.Такие реакции обсуждались в предыдущих разделах этого текста, и на следующей диаграмме суммировано большинство из них. Чтобы просмотреть предыдущее обсуждение любого из этих классов реакции, просто щелкните номер (от 1 до 4 ) или описательный заголовок группы.

Две другие полезные методики получения карбоновых кислот включают гидролиз нитрилов и карбоксилирование металлоорганических промежуточных соединений. Как показано на следующей диаграмме, оба метода начинаются с органического галогенового соединения, а карбоксильная группа в конечном итоге заменяет галоген.Оба метода требуют двух стадий, но они дополняют друг друга в том смысле, что промежуточный нитрил в первой процедуре образуется в результате реакции S _N 2, в которой цианид-анион является нуклеофильным предшественником карбоксильной группы. Гидролиз может быть катализируемым кислотой или основанием, но последние дают карбоксилатную соль в качестве исходного продукта.
Во второй процедуре электрофильный галогенид сначала превращается в сильно нуклеофильное производное металла, которое присоединяется к диоксиду углерода (электрофилу).Исходный продукт представляет собой соль карбоновой кислоты, которую затем необходимо высвободить обработкой сильной водной кислотой.

Реакции карбоновых кислот

1. Солевое образование

Из-за своей повышенной кислотности карбоновые кислоты реагируют с основаниями с образованием ионных солей, как показано в следующих уравнениях.В случае гидроксидов щелочных металлов и простых аминов (или аммиака) образующиеся соли имеют ярко выраженный ионный характер и обычно растворимы в воде. Тяжелые металлы, такие как серебро, ртуть и свинец, образуют соли, имеющие более ковалентный характер (3-й пример), и растворимость в воде снижается, особенно для кислот, состоящих из четырех или более атомов углерода.

Карбоновые кислоты и соли с алкильными цепями длиной более шести атомов углерода демонстрируют необычное поведение в воде из-за наличия как гидрофильных (CO ₂ ), так и гидрофобных (алкильных) участков в одной и той же молекуле.Такие молекулы называются амфифильными (греч. Amphi = обе) или амфифильными . В зависимости от природы гидрофильной части эти соединения могут образовывать монослои на поверхности воды или сферические кластеры, называемые мицеллами, в растворе.

2. Замещение гидроксильного водорода

Этот класс реакции можно назвать электрофильным замещением по кислороду и определяется следующим образом (E — электрофил). Некоторые примеры этой замены представлены в уравнениях (1) — (4).

Если E является сильным электрофилом, как в первом уравнении, он будет атаковать нуклеофильный кислород карбоновой кислоты напрямую, давая положительно заряженный промежуточный продукт. который затем теряет протон. Если E представляет собой слабый электрофил, такой как алкилгалогенид, необходимо преобразовать карбоновую кислоту в более нуклеофильный карбоксилат-анион, чтобы облегчить замещение.Это процедура, используемая в реакциях 2 и 3. Уравнение 4 иллюстрирует использование реагента диазометана (CH ₂ N ₂ ) для получения метиловых эфиров. Этот токсичный и взрывоопасный газ всегда используется в виде эфирного раствора (ярко-желтого цвета). За реакцией легко следует выделение газообразного азота и исчезновение окраски реагента. Считается, что эта реакция протекает за счет быстрого связывания сильного электрофила с карбоксилат-анионом.
Природа реакций S _N 2, как в уравнениях 2 и 3, описана в другом месте.Механизмы реакций 1 и 4 будут отображены при нажатии кнопки « Toggle Mechanism » под диаграммой.

Алкины могут также служить электрофилами в реакциях замещения такого типа, как показано на примере синтеза винилацетата из ацетилена. При добавлении внутримолекулярных карбоксильных групп к алкенам образуются циклические сложные эфиры, известные как лактоны . Чаще всего образуются пятичленные (гамма) и шестичленные (дельта) лактоны.Электрофильные частицы, такие как кислоты или галогены, являются необходимыми инициаторами лактонизации. Даже слабый электрофильный йод инициирует иодолактонизацию γ, δ- и δ, ε-ненасыщенных кислот. Примеры этих реакций будут отображены при нажатии кнопки « Другие примеры ».

3. Замещение гидроксильной группы

Реакции, в которых гидроксильная группа карбоновой кислоты заменяется другой нуклеофильной группой, важны для получения функциональных производных карбоновых кислот.Спирты представляют собой полезный эталонный химический состав, по которому можно оценивать этот класс превращений. В общем, гидроксильная группа оказалась плохой уходящей группой, и практически все спиртовые реакции, в которых она была потеряна, включали предшествующее превращение -ОН в лучшую уходящую группу. Это подтвердилось и в отношении карбоновых кислот.
Четыре примера этих реакций замещения гидроксила представлены следующими уравнениями. В каждом примере новая связь с карбонильной группой окрашена в пурпурный цвет, а нуклеофильный атом, который заменил гидроксильный кислород, окрашен в зеленый цвет.Гидроксильный фрагмент часто теряется в виде воды, но в реакции № 1 водород теряется в виде HCl, а кислород — в виде SO ₂ . Эта реакция параллельна аналогичному превращению спиртов в алкилхлориды, хотя ее механизм отличается. Другими реагентами, которые производят аналогичное превращение в ацилгалогениды, являются PCl ₅ и SOBr ₂ .
Образования амида и ангидрида, показанные в уравнениях № 2 и 3, требуют сильного нагревания, и более мягкие процедуры, обеспечивающие эти превращения, будут описаны в следующей главе.

Реакция № 4 называется этерификацией , поскольку она обычно используется для превращения карбоновых кислот в их сложноэфирные производные. Сложные эфиры могут быть получены разными способами; действительно, уравнения №1 и №4 на предыдущей диаграмме иллюстрируют образование трет-бутилового и метилового эфиров соответственно. Катализируемое кислотой образование этилацетата из уксусной кислоты и этанола, показанное здесь, является обратимым, с константой равновесия около 2. Реакцию можно принудительно завершить, удалив воду по мере ее образования.Этот тип этерификации часто называют этерификацией Фишера . Как и ожидалось, обратная реакция, катализируемый кислотой гидролиз сложного эфира, может быть проведена путем добавления избытка воды.
Вдумчивое изучение этой реакции (№4) заставляет задуматься, почему она классифицируется как гидроксильное замещение, а не как замещение водорода. Следующие уравнения, в которых гидроксильный атом кислорода карбоновой кислоты окрашен в красный цвет, а атом спирта — в синий, иллюстрируют это различие (обратите внимание, что исходные соединения находятся в центре).

Чтобы правильно классифицировать эту реакцию и установить правдоподобный механизм, атом кислорода спирта был изотопно помечен как ¹⁸ O (окрашен в синий цвет в нашем уравнении).Поскольку этот кислород содержится в сложноэфирном продукте, а не в воде, гидроксильная группа кислоты должна быть заменена при замещении. Механизм этой общей реакции этерификации будет отображен при нажатии кнопки « Esterification Mechanism »; Кроме того, как только диаграмма механизма отображается, координату реакции для нее можно увидеть, щелкнув по головке зеленой стрелки «Энергетическая диаграмма , ». Механизмы присоединения-элиминирования этого типа протекают через тетраэдрические промежуточные соединения (такие как A и B на схеме механизмов) и являются обычными в реакциях ацильного замещения.Кислотный катализ необходим для повышения электрофильности карбоксильного атома углерода, чтобы он быстрее связывался с нуклеофильным кислородом спирта. Основной катализ бесполезен, потому что основание превращает кислоту в основание, сопряженное с карбоксилат-анионом, разновидность, у которой снижается электрофильный характер углерода.
Поскольку тетраэдрический промежуточный продукт занимает больше места, чем планарная карбонильная группа, можно ожидать, что скорость этой реакции будет замедляться при использовании объемных реагентов.Чтобы проверить это предсказание, этерификацию уксусной кислоты сравнивали с этерификацией 2,2-диметилпропановой кислоты, (CH ₃ ) ₃ CO ₂ H. Здесь относительно небольшая метильная группа уксусной кислоты заменена более крупной. трет-бутильная группа, и более объемная кислота реагирует в пятьдесят раз медленнее, чем уксусная кислота. Увеличение количества спиртового реагента приводит к аналогичному снижению скорости.

Восстановление и окисление карбоновых кислот

1.Редукция

Атом углерода карбоксильной группы находится в относительно высокой степени окисления. Восстановление до 1º-спирта происходит быстро при обработке мощным металлогидридным реагентом, алюмогидридом лития, как показано следующим уравнением. Одна треть гидрида теряется в виде газообразного водорода, а исходный продукт состоит из солей металлов, которые необходимо гидролизовать для образования спирта. Это восстановление происходит за счет добавления гидрида к карбонильному углероду таким же образом, как указано ранее для альдегидов и кетонов.Полученная соль карбонилгидрата затем распадается на альдегид, который подвергается дальнейшему восстановлению.

Диборан, B ₂ H ₆ , восстанавливает карбоксильную группу аналогичным образом.Боргидрид натрия, NaBH ₄ , не восстанавливает карбоновые кислоты; однако выделяется газообразный водород и образуются соли кислоты. Непосредственное частичное восстановление карбоновых кислот до альдегидов невозможно, но такие превращения достигаются в две стадии с помощью определенных карбоксильных производных. Это будет описано позже.

2. Окисление

Поскольку он уже находится в высокой степени окисления, дальнейшее окисление удаляет углерод карбоксильной группы в виде диоксида углерода.В зависимости от условий реакции степень окисления оставшейся органической структуры может быть выше, ниже или неизменной. Следующие ниже реакции являются примерами декарбоксилирования (потеря CO ₂ ). В первом случае карбоксильная группа замещается бромом, поэтому как атом углерода карбоксильной группы, так и оставшаяся органическая часть окисляются. Соли серебра также использовались, чтобы инициировать эту трансформацию, известную как реакция Хунсдикера . Вторая реакция представляет собой интересное бис-декарбоксилирование, при котором атомы органического остатка сохраняют свои первоначальные степени окисления.Тетраацетат свинца также окисляет монокарбоновые кислоты аналогично реакции №1. Наконец, третий пример иллюстрирует общее декарбоксилирование β-кетокислот, которое оставляет органический остаток в восстановленном состоянии (обратите внимание, что углерод CO ₂ повысил степень окисления).

Три дополнительных примера реакции Хунсдикера и предлагаемый механизм превращения будут показаны выше при нажатии на диаграмму.Обратите внимание, что метадигалогенбензол, образующийся в реакции 4, не может быть получен прямыми реакциями галогенирования, поскольку хлор и бром являются орто / пара-направляющими заместителями. Также различные производные йодида могут быть получены непосредственно из соответствующих карбоновых кислот. Карбоксилатная соль тяжелого металла превращается в ацилгипогалогенид под действием галогена. Слабая связь кислород-галоген в этом промежуточном продукте гомолитически расщепляется при нагревании или на свету, и образующийся карбоксильный радикал декарбоксилатируется до алкильного или арильного радикала.Затем цепная реакция повторяет эти события. Поскольку ацилгипогалогениты являются источником электрофильного галогена, эта реакция протекает иначе, когда присутствуют двойные связи и реакционноспособные производные бензола. В этом отношении помните о добавлении гипогалогенных реагентов к двойным связям и легком бромировании анизола.

Для обзора основных реакций карбоновых кислот щелкните здесь

25.12: Карбоновые кислоты — химия LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

1. Карбоновые кислоты
   1. Свойства карбоновых кислот
2. Резюме
3. Авторы и ссылки

Уксус (разбавленная уксусная кислота) доступен в каждом продуктовом магазине страны.Большие кувшины емкостью один галлон можно найти повсюду в домашних условиях. В одном журнале была опубликована статья, в которой перечислено 150 способов использования уксуса, от удаления грязи с компьютера до мытья оконных жалюзи. Смесь уксуса и пищевой соды — отличный способ очистить канализацию в раковине. Вы также можете очистить ковры и клавиши пианино. Неплохо для того, что могло показаться вам просто ингредиентом заправки для салата!

Карбоновые кислоты

Органические кислоты, такие как уксусная кислота, содержат функциональную группу, называемую карбоксильной группой .

Карбоксильная группа содержит \ (\ ce {C = O} \) карбонильной группы, причем атом углерода также связан с гидроксильной \ (\ left (\ ce {-OH} \ right) \) группой. Карбоновая кислота представляет собой органическое соединение, которое содержит карбоксильную функциональную группу. Общая формула карбоновой кислоты может быть сокращена как \ (\ ce {R-COOH} \). Атом углерода карбоксильной группы может быть присоединен к атому водорода или углеродной цепи. Название карбоновой кислоты следующее:

1. Назовите исходное соединение, найдя самую длинную непрерывную цепь, содержащую карбоксильную группу.
2. Замените -e в конце названия алкана на -oic acid .

Свойства карбоновых кислот

Карбоновые кислоты — это слабые кислоты. В водном растворе связь \ (\ ce {O-H} \) гидроксильной группы может разорваться, давая отрицательный ион карбоксилата и ион водорода.

Меньшие представители ряда алифатических карбоновых кислот представляют собой бесцветные летучие жидкости с сильным запахом.Этановая кислота широко известна как уксусная кислота; обычный бытовой уксус — это \ (5 \% \) раствор уксусной кислоты. Более крупные карбоновые кислоты представляют собой твердые вещества с низкими температурами плавления. Существует множество ароматических карбоновых кислот, которые представляют собой твердые кристаллические вещества. Карбоновые кислоты могут образовывать межмолекулярные водородные связи и, таким образом, имеют относительно высокие температуры плавления и кипения по сравнению с другими органическими соединениями, которые не могут образовывать водородные связи. Карбоновые кислоты с более короткими углеродными цепями хорошо растворимы в воде, тогда как кислоты с более длинными углеродными цепями менее растворимы.

Многие карбоновые кислоты встречаются в природе в растениях и животных. Цитрусовые, такие как апельсины и лимоны, содержат лимонную кислоту.

Этаноевую и лимонную кислоты часто добавляют в продукты, чтобы придать им терпкий вкус. Бензойная, пропановая и сорбиновая кислоты используются в качестве пищевых консервантов из-за их способности убивать микроорганизмы, которые могут привести к порче.Метановая и этановая кислоты широко используются в промышленности в качестве отправной точки для производства красок, клеев и покрытий.

Сводка

• Органические кислоты, такие как уксусная кислота, все содержат функциональную группу, называемую карбоксильной группой.
• Карбоксильная группа содержит \ (\ ce {C = O} \) карбонильной группы, причем атом углерода также связан с гидроксильной \ (\ left (\ ce {-OH} \ right) \) группой.
• Карбоновая кислота — это органическое соединение, содержащее карбоксильную функциональную группу.

Авторы и авторство

• Фонд CK-12 Шарон Бьюик, Ричард Парсонс, Тереза ​​Форсайт, Шонна Робинсон и Жан Дюпон.

Карбоновая кислота: структурная формула, свойства и использование — стенограмма видео и урока

Структурная формула и свойства

Карбоновые кислоты среди нас — они используются в производстве обычных предметов, которые есть у нас дома, таких как мыло, уксус и аспирин.Мы используем так много коммерческих продуктов, которые производятся с использованием карбоновых кислот. Итак, что же такое карбоновые кислоты? Карбоновые кислоты — это классификация органических соединений. Они являются органическими, потому что содержат углерод (C) в своей химической структуре.

Что делает органическое соединение карбоновой кислотой? Органическое соединение, которое представляет собой карбоновую кислоту , включает в свою химическую структуру карбоксильную группу -COOH.В этом случае нам необходимо более внимательно изучить структурную формулу карбоновой кислоты. Структурная формула карбоновой кислоты RCOOH, как показано на следующей иллюстрации. Здесь группа R представляет собой боковую группу, которая может содержать водород и / или углерод и другие атомы. Группа R связана с карбоксильной группой (выделена синим цветом). В карбоксильной группе атом углерода (C) связан с -OH и имеет двойную связь с кислородом (O).

Мы видим, что структурная формула карбоновой кислоты может быть записана двумя способами.Слева (1) показаны все углеродные, водородные и кислородные связи, а справа (2) атом углерода представлен изгибом структурной формулы.

Например, в бензойной кислоте группа R (в красной рамке) представляет собой кольцо из атомов углерода и водорода с чередующимися двойными связями. В салициловой кислоте, показанной ниже, группа R (в красной рамке) представляет собой кольцо из атомов углерода и водорода, связанных вместе с группой -ОН, присоединенной к кольцу.

Карбоновые кислоты — полярные вещества.Когда мы говорим « полярный », это означает, что электрический заряд внутри соединения не сбалансирован; одна часть соединения имеет частично положительный заряд, а другая часть — частично отрицательный. Поскольку карбоновые кислоты являются полярными веществами, они могут растворяться в других полярных веществах, таких как вода.

Другое свойство карбоновых кислот — их температура кипения, как правило, выше, чем у воды.Например, температура кипения воды составляет 100 градусов по Цельсию. Салициловая кислота, карбоновая кислота, имеет температуру кипения 211 градусов по Цельсию, что намного выше, чем у воды.

Карбоновые кислоты также относятся к слабым кислотам, и они имеют сильный запах. Например, уксусная кислота, карбоновая кислота, входит в состав уксуса, и эта кислота является причиной сильного резкого запаха уксуса. Давайте также подумаем о сильном запахе рвоты — его сильный запах также можно отнести к карбоновой кислоте, масляной кислоте, присутствующей в рвотных массах.

Существует так много карбоновых кислот для различных целей. У нас есть много товаров для дома, в состав которых входят карбоновые кислоты. Карбоновые кислоты входят не только в коммерческие продукты — они также являются важной частью питания. Давайте посмотрим на некоторые распространенные карбоновые кислоты и на то, как они используются.

Глава 4 — Карбоновые кислоты, сложные эфиры — CHE 120 — Введение в органическую химию — Учебник

4.2 Карбоновые кислоты: структура и названия

Цели обучения

1. Назовите карбоновые кислоты общими названиями.
2. Назовите карбоновые кислоты в соответствии с номенклатурой IUPAC.

Карбоновые кислоты широко встречаются в природе, часто в сочетании со спиртами или другими функциональными группами, такими как жиры, масла и воски. Они входят в состав многих продуктов питания, лекарств и товаров для дома. Неудивительно, что многие из них наиболее известны под общими именами, основанными на латинских и греческих словах, описывающих их источник. То, что вы узнаете в этой главе о химии карбоновых кислот, поможет вам понять биохимию (от главы 6 «Углеводы» до главы 11 «Метаболические пути и производство энергии»).

Самая простая карбоновая кислота, муравьиная кислота (HCOOH), была впервые получена путем перегонки муравьев (лат. formica , что означает «муравей»). Укусы некоторых муравьев вводят муравьиную кислоту, а укусы ос и пчел содержат муравьиную кислоту (а также другие ядовитые вещества).

Следующим более высоким гомологом является уксусная кислота, которую получают путем ферментации сидра и меда в присутствии кислорода. В результате этого брожения образуется уксус, раствор, содержащий 4–10% уксусной кислоты, а также ряд других соединений, улучшающих его вкус.Уксусная кислота, вероятно, самая известная слабая кислота, используемая в учебных и промышленных лабораториях химии.

Примечание

Чистая уксусная кислота затвердевает при 16,6 ° C, что лишь немного ниже нормальной комнатной температуры. В плохо отапливаемых лабораториях конца 19 — начала 20 веков на севере Северной Америки и Европы уксусная кислота часто «замерзала» на полке хранения. По этой причине чистая уксусная кислота (иногда называемая концентрированной уксусной кислотой) стала известна как ледяная уксусная кислота , , название, которое сохранилось до наших дней.

Третий гомолог, пропионовая кислота (CH ₃ CH ₂ COOH), редко встречается в повседневной жизни. Четвертый гомолог, масляная кислота (CH ₃ CH ₂ CH ₂ COOH), является одним из веществ с самым неприятным запахом, который только можно себе представить. Он содержится в прогорклом масле и является одним из компонентов запаха тела. Распознавая чрезвычайно малые количества этого и других химикатов, ищейки могут отслеживать беглецов. Модели первых четырех карбоновых кислот показаны на рисунке 4.1 «Шариковые модели карбоновых кислот».

Рисунок 4.1 Шариковые модели карбоновых кислот

Карбоновые кислоты содержат атом углерода, дважды связанный с атомом кислорода, а также присоединенный к группе ОН. Здесь показаны четыре кислоты: муравьиная кислота (а), уксусная кислота (б), пропионовая кислота (в) и масляная кислота (г).

Кислота с карбоксильной группой, присоединенной непосредственно к бензольному кольцу, называется бензойной кислотой (C ₆ H ₅ COOH).

В общих названиях карбоновых кислот используются греческие буквы (α, β, γ, δ и т. Д.), А не числа, для обозначения положения групп заместителей в кислотах.Эти буквы обозначают положение атома углерода по отношению к атому углерода карбоксильной группы.

В системе номенклатуры Международного союза теоретической и прикладной химии (IUPAC) родительский углеводород — это тот углеводород, который соответствует самой длинной непрерывной цепи (LCC), содержащей карбоксильную группу. Окончание исходного алкана — e заменено суффиксом — oic и словом acid . Например, карбоновая кислота, полученная из пентана, представляет собой пентановую кислоту (CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ COOH).Как и в случае с альдегидами, первым считается атом углерода карбоксильной группы; числа используются для обозначения любых замещенных атомов углерода в родительской цепи.

Примечание

греческих букв; числа используются с именами ИЮПАК.

Пример 1

Дайте общие названия и названия IUPAC для каждого соединения.

1. ClCH ₂ CH ₂ CH ₂ COOH

Решение

1. LCC содержит четыре атома углерода; поэтому соединение называют замещенной масляной (или бутановой) кислотой.

   Атом хлора присоединен к γ-углероду в общей системе или С4 в системе ИЮПАК. Соединение представляет собой γ-хлормасляную кислоту или 2-бромбутановую кислоту.

2. LCC содержит четыре атома углерода; поэтому соединение называют замещенной масляной (или бутановой) кислотой.

Атом брома (Br) находится у α-углерода в общей системе или C2 в системе ИЮПАК. Соединение представляет собой α-броммасляную кислоту или 4-хлорбутановую кислоту.

Упражнения по развитию навыков

Дайте название IUPAC для каждого соединения.

Пример 2

Напишите сжатую структурную формулу β-хлорпропионовой кислоты.

Решение

Пропионовая кислота имеет три атома углерода: C – C – COOH. Присоедините атом хлора (Cl) к родительской цепи у бета-атома углерода, второй от карбоксильной группы: Cl – C – C – COOH. Затем добавьте достаточно атомов водорода, чтобы каждый атом углерода получил четыре связи: ClCH ₂ CH ₂ COOH.

Упражнения по развитию навыков

1. Напишите сжатую структурную формулу 4-бром-5-метилгексановой кислоты.

Упражнения по обзору концепции

1. Как называется IUPAC карбоновая кислота с прямой цепью с шестью атомами углерода?

2. Альдегид с прямой цепью с пятью атомами углерода имеет общее название валеральдегид. Каково общее название соответствующей карбоновой кислоты с прямой цепью?

Основные выводы

• Простые карбоновые кислоты наиболее известны под общими названиями, основанными на латинских и греческих словах, описывающих их источник (например,g., муравьиная кислота, латиница formica , что означает «муравей»).
• Греческие буквы, а не числа, обозначают положение замещенных кислот в общепринятом соглашении об именах.
Названия
• IUPAC образованы от LCC исходного углеводорода с окончанием — e исходного алкана, замененным суффиксом — oic и словом acid .

Упражнения

1. Изобразите структуру каждого соединения.

а. гептановая кислота

г.3-метилбутановая кислота

г. 2,3-дибромбензойная кислота

г. β-гидроксимасляная кислота

2. Изобразите структуру каждого соединения.

а. o -нитробензойная кислота

г. р -хлорбензойная кислота

г. 3-хлорпентановая кислота

г. α-хлорпропионовая кислота

3. Назовите каждое соединение либо именем ИЮПАК, либо общим названием, либо обоими.

а. (CH ₃ ) ₂ CHCH ₂ COOH

г.(CH ₃ ) ₃ CCH (CH ₃ ) CH ₂ COOH

г. CH ₂ OHCH ₂ CH ₂ COOH

4. Назовите каждое соединение его названием IUPAC.

а. Канал ₃ (Канал ₂ ) ₈ COOH

г. (CH ₃ ) ₂ CHCCl ₂ CH ₂ CH ₂ COOH

г. CH ₃ CHOHCH (CH ₂ CH ₃ ) CHICOOH

ответов

1.

а. Канал ₃ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₂ Канал ₂ COOH

г.

г.

г.

3.

а. 3-метилбутановая кислота; β-метилмасляная кислота

г. 3,4,4-триметилпентановая кислота

г. 4-гидроксибутановая кислота; γ-гидроксимасляная кислота

Карбоновые кислоты и их производные

Изображение: «Диаграмма солнечного света карбоновых кислот» Владислава Андриашвили.Лицензия: CC BY-SA 3.0

Карбоновая кислота

Карбоновые кислоты считаются слабыми кислотами, поскольку они могут отдавать протон (H +) в небольшой степени. Когда протон удаляется из группы –OH соединения, электроны в оставшейся группе –COO– проявляют резонанс, вызывая небольшую стабилизацию образовавшегося аниона.

Общие замены группы –OH:

• Замена группы –ОН в структуре карбоновой кислоты приводит к образованию различных производных карбоновой кислоты.
• Замена группы –OH галогенидной группой (–X) приводит к образованию ацилхлоридов.
• Замена группы –OH на аминогруппу (–Nh3) приводит к образованию амидов.
• Замена группы –OH на –OR приводит к образованию сложных эфиров.
• Замена группы ОН на –OOCR приводит к образованию ангидридов кислот и многому другому.

Ниже приведены некоторые примеры этих производных карбоновых кислот.

«Структура карбоновой кислоты и ее производных» Марка Ксавьера Байлона

Номенклатура

Самый простой способ дать название карбоновым кислотам — это подсчитать количество атомов углерода в самой длинной непрерывной цепи, которая включает углерод карбоксильной группы.Затем –e в названии алкана или алкена, соответствующем идентифицированному количеству атомов углерода, заменяется на –oic acid. В таблице ниже показаны некоторые из распространенных карбоновых кислот с их систематическими названиями.

Таблица 1: Примеры карбоновых кислот и их систематические названия

В большинстве приведенных выше примеров единственной заметной функциональной группой является группа карбоновой кислоты.

Однако также возможна карбоновая кислота с одной или несколькими другими функциональными группами, присутствующими в цепи.Например, гидроксиэтановая кислота будет означать этановую кислоту с другой гидроксигруппой.

При наименовании органических соединений наиболее приоритетной функциональной группой является группа карбоновой кислоты. Углероду, к которому присоединены другие функциональные группы, присваиваются номера, причем карбонильному атому углерода группы карбоновой кислоты назначается углерод 1. При написании их названий заместители располагаются в алфавитном порядке, независимо от их числа атомов углерода. Ниже приведены некоторые примеры моно- и дизамещенных карбоновых кислот.

В случаях, когда соединение имеет 2 группы карбоновых кислот по обе стороны от самой длинной углеродной цепи, суффикс — диовая кислота добавляется к названию алкана для самой длинной углеродной цепи. Ниже представлена ​​структура бутандиовой кислоты:

«Бутандиовая кислота» Марка Ксавье Байлона

Нуклеофильная ацильная замена

Из-за присущей карбонильной связи C = O полярности карбоновые кислоты склонны к атаке посредством реакции нуклеофильного замещения. Как и в случае с альдегидами, нуклеофил атакует карбонильный углерод, образуя тетраэдрический промежуточный продукт и, в процессе, образуя различные возможные производные карбоновой кислоты.В реакции нуклеофильного ацильного замещения происходит отщепление одного из 2 заместителей, присоединенных к карбонильному атому углерода, когда нуклеофил присоединяется к этому атому углерода.

В отличие от альдегидов и кетонов, где –H или другой алкильный заместитель присоединен к карбонильному углероду, заместители в карбоновой кислоте (или ее производных) являются хорошими уходящими группами. Поскольку –H и алкильные группы в альдегиде или кетонах не являются хорошими уходящими группами, они подвергаются нуклеофильному присоединению, тогда как карбоновые кислоты подвергаются нуклеофильному замещению.Общий механизм этого типа реакции показан на рисунке:

«Механизм реакций нуклеофильного замещения ацила» Марк Ксавье Байлон

Реакционная способность производных карбоновых кислот

Производство производных карбоновой кислоты представляет собой двухстадийную реакцию, каждая из которых важна для прогнозирования реакционной способности соединения. Кроме того, электронные и стерические факторы также важно учитывать при сравнении реакционной способности карбоновых кислот и их производных.

Стерические факторы являются важным фактором при оценке реактивности, потому что присутствие объемных групп значительно влияет на скорость первого шага в производстве производных; чем массивнее алкильная группа, присоединенная к карбонильному углероду, тем труднее нуклеофилу атаковать карбонильный углерод.

Поляризация ацильных соединений также важна для прогнозирования реакционной способности. Более сильно поляризованные ацильные соединения реагируют легче, чем менее полярные.Это означает, например, что ацилхлориды будут реагировать быстрее при нуклеофильном замещении по сравнению с менее поляризованными амидами.

Гидролиз

Когда производные карбоновой кислоты реагируют с водой, все реакции приводят к образованию карбоновых кислот. Это связано с тем, что, например, такие группы, как –Nh3 и –Cl, являются лучше уходящими группами по сравнению с –OH. Следовательно, когда молекула воды присоединяется к карбонильному углероду, уходящие группы легко удаляются вместе с H + из воды.Ниже представлен механизм гидролиза ацилхлорида. По такому же механизму следуют и другие производные карбоновых кислот.

«Механизм гидролиза ацилхлорида» Марка Ксавье Байлона

Образование амидов из сложных эфиров

Возможна реакция аминолиза сложных эфиров с использованием аммиака или аминов в качестве нуклеофилов. Однако эта реакция обычно не используется, поскольку использование ацилгалогенидов приводит к более быстрым реакциям.