Предельные одноосновные карбоновые кислоты

Общая формула предельных одноосновных карбоновых кислот — $\mathrm{C_nH_{2n+1}COOH}$ (где $n \ge 0$) или $\mathrm{C_mH_{2m}O_2}$ (где $m=n+1$).

Карбоксильная группа ($\mathrm{{-COOH}}$) состоит из карбонильной ($\mathrm{{-C=O}}$) и гидроксильной ($\mathrm{{-OH}}$) групп. Углерод карбоксильной группы находится в $sp^2$-гибридизации, поэтому карбоксильная группа имеет плоское строение.

Гомологический ряд:

• $\mathrm{HCOOH}$ – муравьиная (метановая) кислота
• $\mathrm{CH_3COOH}$ – уксусная (этановая) кислота
• $\mathrm{C_2H_5COOH}$ – пропионовая (пропановая) кислота
• $\mathrm{C_3H_7COOH}$ – масляная (бутановая) кислота

Номенклатура: По номенклатуре IUPAC, название образуется добавлением суффикса "-овая кислота" к названию соответствующего алкана. Углерод карбоксильной группы всегда нумеруется как 1-й. Например, $\mathrm{CH_3{-}CH(CH_3){-}COOH}$ — это 2-метилпропановая кислота.

Изомерия: Изомерия углеродного скелета у предельных карбоновых кислот начинается с бутановой кислоты. Также характерна межклассовая изомерия со сложными эфирами, например, уксусная кислота ($\mathrm{CH_3COOH}$) и метилформиат ($\mathrm{HCOOCH_3}$) являются изомерами.

Физические свойства предельных одноосновных карбоновых кислот зависят от числа атомов углерода:

• Первые члены ряда ($\mathrm{C_1{-}C_3}$) — бесцветные жидкости с резким запахом, смешивающиеся с водой в любых соотношениях.
• Средние члены ($\mathrm{C_4{-}C_9}$) — жидкости с неприятным запахом (например, масляная кислота пахнет прогорклым маслом), растворимость в воде уменьшается с увеличением длины углеродной цепи.
• Высшие карбоновые кислоты ($\mathrm{C_{10}}$ и выше) — твёрдые, без запаха вещества, практически нерастворимые в воде.

Температуры кипения карбоновых кислот значительно выше, чем у спиртов и альдегидов с тем же числом атомов углерода. Это объясняется образованием димеров за счёт сильных водородных связей между карбоксильными группами. Эти димеры эффективно увеличивают молекулярную массу кислот.

Химические свойства карбоновых кислот определяются строением карбоксильной группы:

1. Кислотные свойства: Карбоновые кислоты являются слабыми кислотами, но они сильнее спиртов и фенолов. Они изменяют цвет индикаторов (лакмус краснеет), реагируют с активными металлами, основаниями, основными оксидами и солями слабых кислот:

• С активными металлами: $\mathrm{2CH_3COOH+2Na\to2CH_3COONa+H_2\uparrow}$
• С основаниями: $\mathrm{CH_3COOH+NaOH\to CH_3COONa+H_2O}$
• С основными оксидами: $\mathrm{2CH_3COOH+CaO\to (CH_3COO)_2Ca+H_2O}$
• С солями слабых кислот: $\mathrm{2CH_3COOH+Na_2CO_3\to2CH_3COONa+H_2O+CO_2\uparrow}$

2. Реакция этерификации: Со спиртами карбоновые кислоты образуют сложные эфиры. Эта реакция обратима и протекает в присутствии кислотного катализатора (например, $\mathrm{H_2SO_4}$): $\mathrm{CH_3COOH+C_2H_5OH\rightleftharpoons CH_3COOC_2H_5+H_2O}$

3. Галогенирование: Атомы водорода у $\alpha$-углеродного атома (соседнего с карбоксильной группой) могут быть замещены галогенами (реакция Гелля-Фольгарда-Зелинского, в присутствии красного фосфора): $\mathrm{CH_3COOH+Cl_2\xrightarrow{P}ClCH_2COOH+HCl}$

4. Декарбоксилирование: Соли карбоновых кислот при сплавлении со щелочами образуют алканы с выделением углекислого газа: $\mathrm{CH_3COONa+NaOH\xrightarrow{t^\circ}CH_4+Na_2CO_3}$

5. Восстановление: Под действием сильных восстановителей (например, $\mathrm{LiAlH_4}$) карбоновые кислоты восстанавливаются до первичных спиртов: $\mathrm{CH_3COOH\xrightarrow{LiAlH_4}CH_3CH_2OH}$

Способы получения:

• Окисление первичных спиртов и альдегидов: Это один из основных лабораторных и промышленных методов получения карбоновых кислот. $\mathrm{CH_3CH_2OH\xrightarrow{KMnO_4,\ H^+}CH_3COOH}$ $\mathrm{CH_3CHO\xrightarrow{O_2}CH_3COOH}$
• Окисление алканов: В промышленности при высокой температуре и давлении в присутствии катализаторов алканы окисляются до карбоновых кислот. $\mathrm{2C_4H_{10}+5O_2\xrightarrow{\text{кат.},\ t^\circ}4CH_3COOH+2H_2O}$
• Гидролиз нитрилов и сложных эфиров: Гидролиз нитрилов в кислой или щелочной среде приводит к образованию карбоновых кислот. $\mathrm{CH_3CN+2H_2O\xrightarrow{H^+}CH_3COOH+NH_3}$ Гидролиз сложных эфиров также даёт карбоновые кислоты: $\mathrm{CH_3COOCH_3+H_2O\xrightarrow{H^+}CH_3COOH+CH_3OH}$
• Получение муравьиной кислоты: В промышленности муравьиную кислоту получают реакцией оксида углерода(II) с гидроксидом натрия с образованием формиата натрия, который затем обрабатывают серной кислотой. $\mathrm{CO+NaOH\xrightarrow{t^\circ}HCOONa\xrightarrow{H_2SO_4}HCOOH}$

Применение:

• Уксусная кислота ($\mathrm{CH_3COOH}$): Широко используется в пищевой промышленности (консервант, столовый уксус), как растворитель, в производстве лекарств, красителей, пластмасс (поливинилацетата).
• Муравьиная кислота ($\mathrm{HCOOH}$): Применяется в производстве красителей, лекарств, в кожевенной промышленности, как дезинфицирующее средство.
• Высшие карбоновые кислоты: Являются основным сырьём для производства мыл, моющих средств, жиров и других органических соединений.