Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Министерство Образования и науки РФ
«МАТИ – Российский Государственный Технологический Университет имени К.Э.Циолковского» (МАТИ)
______________________________________________________________________
КАФЕДРА: «Общая химия, физика и химия композиционных материалов»
Р Е Ф Е Р А Т
На тему «КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ»
Тема: Карбоновые кислоты
Студент: Зыкрин Г.Г.
Группа: 4НАН – 1ДБ -079
Руководитель: Соловьева И.В.
МОСКВА 2011
Историческая справка
Неспелые фрукты, щавель, барбарис, клюква, лимон… Что общего между ними? Даже дошкольник, не задумываясь, ответит: они кислые. А вот обусловлен кислый вкус плодов и листьев многих растений различными карбоновыми кислотами, в состав которых входит одна или несколько карбоксильных групп - СООН.
Название кислот "карбоновые" происходит от латинского названия угольной кислоты acidum carbonicum, которая была первой изученной в истории химии углеродсодержащей кислотой. Их часто называют жирными кислотами, так как высшие гомологи впервые были получены из природных жиров.
Классификация карбоновых кислот
Карбоновые кислоты классифицируют по двум структурным признакам.
циклопропанкарбоновая кислота
Номенклатура карбоновых кислот
Систематические названия кислот даются по названию соответствующего углеводорода с добавлением суффикса -овая и слова кислота.
Некоторые одноосновные кислоты
|
Формула |
Название кислоты R-COOH |
Название остатка RCOO- |
|
|
систематическое |
тривиальное |
||
|
HCOOH |
метановая |
муравьиная |
формиат |
|
CH3COOH |
этановая |
уксусная |
ацетат |
|
C2H5COOH |
пропановая |
пропионовая |
пропионат |
|
C3H7COOH |
бутановая |
масляная |
бутират |
|
C4H9COOH |
пентановая |
валерьяновая |
валерат |
|
C5H11COOH |
гексановая |
капроновая |
капрат |
|
C15H31COOH |
гексадекановая |
пальмитиновая |
пальмитат |
|
C17H35COOH |
октадекановая |
стеариновая |
стеарат |
|
C6H5COOH |
бензолкарбоновая |
бензойная |
бензоат |
|
CH2=СH-COOH |
пропеновая |
акриловая |
акрилат |
Название группы RCOO- (карбоксилат) входит в названия солей и сложных эфиров карбоновых кислот. Для многоосновных кислот применяют суффиксы -диовая, -триовая и т.д.
Например:
HOOC-COOH - этандиовая (щавелевая) кислота;
HOOC-CH2-COOH - пропандиовая (малоновая) кислота.
Если атом углерода карбоксильной группы не входит в состав главной углеродной цепи (например, цикла), название кислоты строят из названия этой структуры, суффикса -карбоновая и слова кислота. Так, систематическое название бензойной кислоты C6H5-COOH - бензолкарбоновая кислота.
Виды изомерии
1. Изомерия углеродной цепи. Она начинается с бутановой кислоты (С3Н7СООН), которая существует в виде двух изомеров:
2. Изомерия положения кратной связи, например:
СН2=СН—СН2—СООН СН3—СН=СН—СООН
Бутен-3-овая кислота Бутен-2-овая кислота
(винилуксусная кислота) (кретоновая кислота)
3. Цис-транс- изомерия, например:
цис -бутен-2-овая транс-бутен-2-овая
кислота кислота
4.Межклассовая изомерия: например, масляной кислоте (СН3—СН2—СН2—СООН) изомерны метиловый эфир пропановой кислоты (СН3—СН2—СО—О—СН3) и этиловый эфир уксусной кислоты (СН3—СО—О—СН2—СН3).
5. У гетерофункциональных кислот имеется изомерия, связанная с положением функциональных групп, например, существуют три изомера хлормасляной кислоты:
СН3—СН2—СНСl—СООН СН3—СНСl—СН2—СООН
2-хлорбутановая кислота 3-хлорбутановая кислота
СН2Сl—СН2—СН2—СООН
4-хлорбутановая кислота
Для гетерофункциональных кислот возможна также оптическая изомерия.
Физические свойства
Первые три кислоты гомологического ряда (муравьиная, уксусная, пропионовая) - жидкости, хорошо растворимые в воде. Следующие представители - маслянистые жидкости, слобо растворимые в воде. Кислоты, начиная с каприновой С9Н19СООН, - твердые вещества, нерастворимые в вде, но растворимые в спирте, эфире. Все жидкие кислоты отличаются своеобразным запахами. Высокомолекулярные твердые кислоты запаха не имеют. С увеличением молекулярной массы кислот повышается их температура кипения и уменьшается плотность.
Из данных табл. 39 видно, что с увеличением молекулярной массы кислот температура кипения их возрастает.Низшие гомологи карбоновых кислот — жидкости, обладающие резким запахом, растворимы в воде, однако растворимость их понижается с увеличением молекулярной массы. Высшие представители гомологического ряда — твердые тела, в воде нерастворимы и запаха не имеют. Молекулы карбоновых кислот образуют димеры (за счет двух водородных связей):
Как следствие, эти соединения имеют температуры кипения выше, чем у спиртов близкой молекулярной массы (см. табл. 39). Образованием водородных связей обусловлена и растворимость первых членов гомологического ряда кислот в воде.
Химические свойства
Карбоновые кислоты содержат карбоксильную группу , в которой непосредственно связаны между собой карбонильная группа гидроксил. Их взаимное влияние обуславливает новый комплекс свойств, отличных от свойств карбонильных соединений и гидроксилпроизводных. Реакции с участием карбоновых кислот протекают по следующим основным направлениям.
Замещение водорода группы COОН под действием оснований (кислотные свойства). Взаимодействие с нуклеофильными реагентами по карбонильному атому углерода (образование функциональных производных и восстановление) Реакции по -углеродному атому (галогенирование) Декабоксилирование
Кислотные свойства
Карбоновые кислоты – одни из самых сильных органических кислот. Их водные растворы имеют кислую реакцию.
RCOOH + H2O = RCOO- + H3O+
Причины высокой кислотности карбоновых кислот и ее зависимость от природы заместителей в углеводородном радикале были рассмотрены ранее. Карбоновые кислоты образуют соли при взаимодействии с активными металлами и большинством оснований.
При взаимодействии с сильными неорганическими кислотами карбоновые кислоты могут проявлять основные свойства, присоединяя протон по карбонильному атому кислорода.
Протонирование карбоновых кислот используется для активации карбоксильной группы в реакциях нуклеофильного замещения. За счет присутствия в молекуле одновременно кислотного и основного центров карбоновые кислоты образуют межмолекулярные водородные связи и существуют в основном в виде димеров (см. лек. №2).
2.2. Реакции нуклеофильного замещения. Функциональные производные карбоновых кислот.
Основной тип реакций карбоновых кислот – взаимодействие с нуклеофилами с образованием функциональных производных. Взаимопревращения, связывающие карбоновые кислоты и их функциональные производные, приведены на схеме.
Представленные на схеме соединения содержат ацильную группу В ходе их взаимопревращений она в неизменном виде переходит из одного соединения в другое, соединяясь с нуклеофилом. Такие процессы называют ацилированием, а карбоновые кислоты и их функциональные производные – ацилирующими реагентами. В общем виде процесс ацилирования может быть представлен следующей схемой.
Таким образом, ацилирование представляет собой процесс нуклеофильного замещения у карбонильного атома углерода.
Рассмотрим механизм реакции в общем виде и сравним его с AdN-реакциями альдегидов и кетонов. Как и в случае карбонильных соединений, реакция начинается с атаки нуклеофила по карбонильному атому углерода, несущему эффективный положительный заряд. При этом разрывается -связь углерод-кислород и образуется тетраэдрический интермедиат. Пути дальнейшего превращения интермедиата у карбонильных и ацильных соединений различны. Если карбонильные соединения дают продукт присоединения, то ацильные соединения отщепляют группу X и дают продукт замещения.
Причина разного поведения ацильных и карбонильных соединений – в разной стабильности потенциальной уходящей группы X. В случае альдегидов и кетонов это - гидрид-анион Н- или карбоанион R-, которые вследствие своей высокой основности являются чрезвычайно плохими уходящими группами. В случае ацильных соединений Х значительно более стабильная уходящая группа (Cl-, RCOO-, RO-, NH2-), что делает возможным ее отщепление в виде аниона Х- или сопряженной кислоты НХ.
Реакционная способность по отношению к нуклеофилам у карбоновых кислот и их функциональных производных меньше, чем у альдегидов и кетонов, так как эффективный положительный заряд на карбонильном атоме углерода у них ниже за счет + М- эффекта группы Х.
Активность ацильной группы повышается в условиях кислотного катализа, так как при протонировании возрастает эффективный положительный заряд на атоме углерода и облегчается его атака нуклеофилом.
По ацилирующей способности производные карбоновых кислот располагаются в следующий ряд в соответствии с уменьшением +М-эффекта группы Х.
В этом ряду предыдующие члены могут быть получены из последующих ацилированием соответствующего нуклеофила. Процесс получение более активных ацилирующих реагентов из менее активных практически не идет из-за неблагоприятного положения равновесия вследствие более высокой основности уходящей группы по сравнению с атакующим нуклеофилом. Все функциональные производные могут быть получены непосредственно из кислот и превращаются в них при гидролизе.
Использование карбоновых кислот
Муравьиная кислота – в медицине - муравьиный спирт (1,25% спиртовой раствор муравьиной кислоты), в пчеловодстве, в органическом синтезе, при получении растворителей и консервантов; в качестве сильного восстановителя.
Уксусная кислота – в пищевой и химической промышленности (производство ацетилцеллюлозы, из которой получают ацетатное волокно, органическое стекло, киноплёнку; для синтеза красителей, медикаментов и сложных эфиров). В домашнем хозяйстве как вкусовое и консервирующее вещество.
Масляная кислота – для получения ароматизирующих добавок, пластификаторов и флотореагентов.
Щавелевая кислота – в металлургической промышленности (удаление окалины).
Стеариновая C17H35COOH и пальмитиновая кислота C15H31COOH – в качестве поверхностно-активных веществ, смазочных материалов в металлообработке.
Олеиновая кислота C17H33COOH – флотореагент и собиратель при обогащении руд цветных металлов.
Используемая литература
Лит.: Неницеску К. Д., Органическая химия, пер. с рум., т. 1-2, М., 1962-1963; Несмеянов А. Н., Несмеянов Н. А., Начала органической химии, кн. 1-2, М., 1969-70.
Писаренко А.П., Хавин З.Я. Курс органической химии. М., Высшая школа, 1975. 510 с.
Нечаев А.П. Органическая химия. М., Высшая школа, 1976. 288 с.
Артеменко А.И. Органическая химия. М., Высшая школа, 2000. 536 с.
Березин Б.Д., Березин Д.Б. Курс современной органической химии. М., Высшая школа, 1999. 768 с.
Ким А.М. Органическая химия. Новосибирск, Сибирское университетское издательство, 2002. 972 с.
История открытия кислот. Муравьиная кислота Муравьиная кислота открыта в кислых выделениях рыжих муравьев. Она является одним из компонентов яда, который выделяют жалящие муравьи, а также компонентом жгучей жидкости жалящих гусениц шелкопряда. Это и был раствор муравьиной кислоты. В чистом виде муравьиную кислоту впервые получил в 1749 г. Андреас Сигизмунд Маргграф. Муравьиная кислота служит насекомым своеобразным «химическим оружием» для защиты и нападения. Практически каждый человек хотя бы раз в своей жизни получил ожог от укусов муравьев. Ощущение очень напоминает ожог крапивой – ведь муравьиная кислота содержится и в тончайших волосках этого весьма распространенного растения. Вонзаясь при соприкосновении в кожу, они сразу же обламываются, а их содержимое болезненно обжигает. Муравьиная кислота также присутствует в пчелином яде, сосновой хвое, в небольших количествах найдена в различных фруктах, тканях, органах, выделениях животных и человека.