К содержанию
OrujovAI
RUAZ

Органическая химия

Непредельные карбоновые кислоты

Непредельные карбоновые кислоты — это органические соединения, содержащие в молекуле углерод-углеродную двойную или тройную связь, а также карбоксильную группу (−COOH\mathrm{-COOH}). Они широко распространены в природе, особенно в составе растительных и животных жиров. Знание свойств этих кислот важно как для экзамена по химии, так и в повседневной жизни.

  • Вступительный, II этап
Тема из программы ГЭЦ 2027

Общая формула, строение и номенклатура

Общая формула непредельных одноосновных карбоновых кислот, содержащих одну карбоксильную группу и одну двойную связь, имеет вид CnH2n−1COOH\mathrm{C_nH_{2n-1}COOH} или CmH2m−2O2\mathrm{C_mH_{2m-2}O_2} (m≥3m \ge 3). Простейшим представителем является акриловая кислота (пропеновая кислота): CH2=CH−COOH\mathrm{CH_2=CH-COOH}.

Непредельные кислоты проявляют свойства как карбоксильной группы, так и двойной (или тройной) связи. Номенклатура: по ИЮПАК основная цепь нумеруется от карбоксильной группы, положение двойной связи указывается цифрой, вместо суффикса -овая кислота используется -еновая кислота. Например, CH2=CH−COOH\mathrm{CH_2=CH-COOH} — пропеновая кислота, CH3−CH=CH−COOH\mathrm{CH_3-CH=CH-COOH} — бут-2-еновая кислота.

Непредельные высшие карбоновые кислоты, встречающиеся в природных жирах:

  • Олеиновая кислота (цис-октадек-9-еновая кислота): C17H33COOH\mathrm{C_{17}H_{33}COOH}
  • Линолевая кислота (цис,цис-октадека-9,12-диеновая кислота): C17H31COOH\mathrm{C_{17}H_{31}COOH}
  • Линоленовая кислота (цис,цис,цис-октадека-9,12,15-триеновая кислота): C17H29COOH\mathrm{C_{17}H_{29}COOH}

Изомерия и способы получения

Изомерия: Для непредельных карбоновых кислот характерна изомерия углеродного скелета, изомерия положения двойной связи или карбоксильной группы, а также пространственная изомерия (цис-транс-изомерия). Например, для бут-2-еновой кислоты существуют цис- и транс-изомеры.

Способы получения:

  • Окисление непредельных спиртов или альдегидов. Например, окислением акролеина (пропеналя) получают акриловую кислоту: CH2=CH−CHO+[O]→CH2=CH−COOH\mathrm{CH_2=CH-CHO + [O] \to CH_2=CH-COOH}.
  • Отщепление галогеноводорода от галогензамещённых карбоновых кислот. Например, CH2Cl−CH2−COOH+2KOH→спиртCH2=CH−COOK+KCl+2H2O\mathrm{CH_2Cl-CH_2-COOH + 2KOH \xrightarrow{\text{спирт}} CH_2=CH-COOK + KCl + 2H_2O}; при действии сильной кислоты на полученную соль выделяется акриловая кислота.
  • Гидролиз непредельных нитрилов: CH2=CH−CN+2H2O→H+CH2=CH−COOH+NH3\mathrm{CH_2=CH-CN + 2H_2O \xrightarrow{H^+} CH_2=CH-COOH + NH_3}.
  • Из ацетилена и карбонильных соединений (синтез Реппе): CH≡CH+CO+H2O→Ni(CO)4CH2=CH−COOH\mathrm{CH\equiv CH + CO + H_2O \xrightarrow{Ni(CO)_4} CH_2=CH-COOH}.

Химические свойства

Непредельные карбоновые кислоты проявляют свойства как карбоксильной группы, так и двойной (или тройной) связи.

Реакции по двойной связи (реакции присоединения):

  • Гидрирование (насыщение): CH2=CH−COOH+H2→NiCH3−CH2−COOH\mathrm{CH_2=CH-COOH + H_2 \xrightarrow{Ni} CH_3-CH_2-COOH}. (Из акриловой кислоты получается пропионовая кислота)
  • Галогенирование: Обесцвечивает бромную воду. CH2=CH−COOH+Br2→CH2Br−CHBr−COOH\mathrm{CH_2=CH-COOH + Br_2 \to CH_2Br-CHBr-COOH}.
  • Гидрогалогенирование: Присоединение идёт против правила Марковникова из-за электроноакцепторного влияния карбоксильной группы. CH2=CH−COOH+HBr→CH2Br−CH2−COOH\mathrm{CH_2=CH-COOH + HBr \to CH_2Br-CH_2-COOH}. (H+\mathrm{H^+} присоединяется к углероду, ближайшему к карбоксилу (CH\mathrm{CH}), а Br−\mathrm{Br^-} — к удалённому углероду (CH2\mathrm{CH_2})).
  • Гидратация: CH2=CH−COOH+H2O→H+CH2(OH)−CH2−COOH\mathrm{CH_2=CH-COOH + H_2O \xrightarrow{H^+} CH_2(OH)-CH_2-COOH}.
  • Окисление раствором KMnO4\mathrm{KMnO_4} (обесцвечивание): Двойная связь разрывается.
  • Полимеризация: Например, акриловая кислота полимеризуется, образуя полиакриловую кислоту. nCH2=CH−COOH→(−CH2−CH(COOH)−)n\mathrm{nCH_2=CH-COOH \to (-CH_2-CH(COOH)-)_n}.

Реакции по карбоксильной группе:

  • Реакции с металлами, основными оксидами, основаниями, солями слабых кислот (кислотные свойства): CH2=CH−COOH+NaOH→CH2=CH−COONa+H2O\mathrm{CH_2=CH-COOH + NaOH \to CH_2=CH-COONa + H_2O}.
  • Реакции со спиртами (этерификация): CH2=CH−COOH+C2H5OH⇌CH2=CH−COOC2H5+H2O\mathrm{CH_2=CH-COOH + C_2H_5OH \rightleftharpoons CH_2=CH-COOC_2H_5 + H_2O}.

Физические свойства и применение

Физические свойства: Низкомолекулярные непредельные кислоты (например, акриловая кислота) — это резко пахнущие жидкости, хорошо растворимые в воде. С увеличением молекулярной массы растворимость в воде уменьшается, температура кипения повышается. Высшие непредельные карбоновые кислоты (олеиновая, линолевая) — маслянистые жидкости, нерастворимые в воде, хорошо растворимые в органических растворителях.

Применение:

  • Полиакриловая кислота и её эфиры (например, метилакрилат) используются в производстве полимеров (пластмассы, синтетические волокна, клеи, краски).
  • Высшие непредельные карбоновые кислоты (олеиновая, линолевая, линоленовая) входят в состав природных масел и жиров. Гидрированием растительных масел (глицеридов этих кислот) получают маргарин, а масла, богатые линоленовой кислотой (например, льняное), используют для производства олифы и лаков.
  • Некоторые непредельные кислоты применяются в синтезе лекарственных веществ.

Запомните

  1. Общая формула CmH2m−2O2\mathrm{C_mH_{2m-2}O_2} (с одной двойной связью и одной карбоксильной группой).
  2. Проявляют реакции как по двойной связи (присоединение, полимеризация), так и по карбоксильной группе (кислотные свойства, этерификация).
  3. Обесцвечивают бромную воду и раствор KMnO4\mathrm{KMnO_4}.
  4. Акриловая кислота (CH2=CH−COOH\mathrm{CH_2=CH-COOH}) — простейший представитель.
  5. Высшие непредельные кислоты (олеиновая, линолевая) входят в состав жиров.

Разобранные примеры

  1. Пример 1

    Возможна ли цис-транс-изомерия для бут-2-еновой кислоты (CH3−CH=CH−COOH\mathrm{CH_3-CH=CH-COOH}) и для акриловой кислоты (CH2=CH−COOH\mathrm{CH_2=CH-COOH})? Обоснуйте ответ.

    Решение

    1. Цис-транс-изомерия возможна, если каждый из двух атомов углерода при двойной связи связан с двумя различными заместителями.
    2. В бут-2-еновой кислоте один углерод двойной связи связан с CH3\mathrm{CH_3} и H, другой с H и COOH\mathrm{COOH}. Заместители у каждого атома различны, значит, цис-транс-изомерия возможна: в цис-изомере группы CH3\mathrm{CH_3} и COOH\mathrm{COOH} находятся по одну сторону от двойной связи, в транс-изомере по разные.
    3. В акриловой кислоте концевой атом углерода (CH2=\mathrm{CH_2=}) связан с двумя одинаковыми атомами (два H), поэтому цис-транс-изомерия невозможна.

    Ответ: для бут-2-еновой кислоты цис-транс-изомерия возможна, для акриловой нет.

  2. Пример 2

    Какой объём водорода (н.у.) потребуется для полного гидрирования 21,6 г акриловой кислоты?

    Решение

    1. Формула акриловой кислоты CH2=CH−COOH\mathrm{CH_2=CH-COOH}. Молярная масса M=3⋅12+4⋅1+2⋅16=36+4+32=72M = 3\cdot12 + 4\cdot1 + 2\cdot16 = 36 + 4 + 32 = 72 г/моль.
    2. Количество вещества акриловой кислоты: ν=mM=21,6 г72 г/моль=0,3\nu = \frac{m}{M} = \frac{21{,}6 \text{ г}}{72 \text{ г/моль}} = 0{,}3 моль.
    3. Уравнение реакции гидрирования: CH2=CH−COOH+H2→NiCH3−CH2−COOH\mathrm{CH_2=CH-COOH + H_2 \xrightarrow{Ni} CH_3-CH_2-COOH}.
    4. Согласно уравнению, 1 моль акриловой кислоты реагирует с 1 моль водорода. Следовательно, для 0,3 моль акриловой кислоты потребуется 0,3 моль водорода.
    5. Объём водорода при нормальных условиях: V=ν⋅Vm=0,3 моль⋅22,4 л/моль=6,72V = \nu \cdot V_m = 0{,}3 \text{ моль} \cdot 22{,}4 \text{ л/моль} = 6{,}72 л.

    Ответ: 6,72 л водорода.

Проверьте себя

Сначала решите сами, потом откройте ответ.

  1. Какая карбоновая кислота обесцвечивает бромную воду?

    1. уксусная кислота
    2. стеариновая кислота
    3. пропионовая кислота
    4. акриловая кислота
    5. бензойная кислота
    Показать ответСкрыть ответ

    Правильный ответ: D акриловая кислота

    Реакция обесцвечивания бромной воды характерна для соединений, содержащих двойные или тройные связи. Акриловая кислота (CH2=CH−COOH\mathrm{CH_2=CH-COOH}) содержит двойную связь в молекуле, в то время как другие кислоты являются предельными или ароматическими.

  2. С каким веществом нужно провести реакцию, чтобы получить этилакрилат из акриловой кислоты?

    1. метанол
    2. этанол
    3. пропанол
    4. вода
    5. гидроксид натрия
    Показать ответСкрыть ответ

    Правильный ответ: B этанол

    Реакция карбоновых кислот со спиртами называется реакцией этерификации. Для получения этилакрилата (CH2=CH−COOC2H5\mathrm{CH_2=CH-COOC_2H_5}) из акриловой кислоты необходимо провести реакцию с этиловым спиртом (C2H5OH\mathrm{C_2H_5OH}).

  3. Молекула какой кислоты содержит одну двойную связь и одну карбоксильную группу?

    1. C3H4O2\mathrm{C_3H_4O_2}
    2. C4H6O2\mathrm{C_4H_6O_2}
    3. C5H8O2\mathrm{C_5H_8O_2}
    4. C6H10O2\mathrm{C_6H_{10}O_2}
    5. Все
    Показать ответСкрыть ответ

    Правильный ответ: E Все

    Общая формула непредельных одноосновных карбоновых кислот, содержащих одну двойную связь и одну карбоксильную группу, имеет вид CmH2m−2O2\mathrm{C_mH_{2m-2}O_2}. Все представленные варианты соответствуют этой формуле: C3H4O2\mathrm{C_3H_4O_2} (акриловая кислота, m=3) C4H6O2\mathrm{C_4H_6O_2} (бутеновая кислота, m=4) C5H8O2\mathrm{C_5H_8O_2} (пентеновая кислота, m=5) C6H10O2\mathrm{C_6H_{10}O_2} (гексеновая кислота, m=6)

Типичные ошибки

  • Учитывать только свойства двойной связи или только карбоксильной группы у непредельных кислот. Реакции происходят по обеим функциональным группам.
  • Неправильно применять правило Марковникова при реакциях присоединения к двойной связи, не учитывая влияние карбоксильной группы.
  • Путать предельные и непредельные карбоновые кислоты, например, приписывать предельным кислотам свойство обесцвечивать бромную воду.

Всё ещё не до конца понятно?

Объяснит тему голосом, как на уроке, запишет всё на доске и проверит вопросами.

Изучить с Живым репетиторомРешить задачу по фото