Главная » Математика » Функциональные производные кислот. Диазосоединения: реакции солей диазония с выделением азота, синтетические возможности реакций. Функциональные производные карбоновых кислот

Функциональные производные кислот. Диазосоединения: реакции солей диазония с выделением азота, синтетические возможности реакций. Функциональные производные карбоновых кислот

Функциональные производные карбоновых кислот. Двухосновные карбоновые кислоты. a , b -Ненасыщенные кислоты

Производные карбоновых кислот

1. Галогенангидриды .

При действии галогенидов фосфора или хлористого тионила происходит образование галогенагидридов:

CH 3 COOH + PCl 5 ® CH 3 COCl + POCl 3 + HCl

Галоген в галогенангидридах обладает большой реакционной способностью. Сильный индукционный эффект определяет легкость замещения галогена другими нуклеофилами: - OH , - OR , - NH 2, - N 3, - CN и др.:

CH 3 COCl + CH 3 COOAg ® (CH 3 CO) 2 O уксусный ангидрид + AgCl

1. Ангидриды.

Ангидриды образуются при взаимодействии солей кислот с их галогенангидридами:

CH 3 COONa + CH 3 COCl ® NaCl + ( CH 3 CO ) 2 O

Ангидриды кислот обладают большой химической активностью и являются, как и галогенангидриды, хорошими ацилирующими агентами.

2. Амиды .

Амиды получают через галогенангидриды

CH 3 COCl +2 NH 3 ® CH 3 CONH 2 ацетамид + NH 4 Cl

или из аммонийных солей кислот, при сухой перегонке которых отщепляется вода и образуется амид кислоты. Также амиды кислот образуются как побочный продукт при гидролизе нитрилов. Процессы амидирования имеют важное значение в промышленности для производства ряда ценных соединений (N , N -диметилформамид, диметилацетамид, этаноламиды высших кислот).

4. Нитрилы . Важнейшими представителями нитрилов являются ацетонитрил CH 3 CN (применяется как полярный растворитель) и акрилонитрил CH 2 = CHCN (мономер для получения синтетического волокна нейрона и для производства дивинилнитрильного синтетического каучука, обладающего масло- и бензостойкостью). Основным способом получения нитрилов является дегидратация амидов на кислотных катализаторах:

CH 3 CONH 2 ® CH 3 C - CN + H 2 O

5. Сложные эфиры . Сложные эфиры карбоновых кислот имеют важное практическое значение в качестве растворителей, гидравлических жидкостей, смазочных масел, пластификаторов и мономеров. Их получают этерификацией спиртов кислотами, ангидридами и галогенангидридами или взаимодействием кислот и алкенов:

CH 3 -CH=CH 2 + CH 3 COOH ® CH 3 COOCH(CH 3) 2

Многие эфиры используются в качестве душистых веществ:

CH 3 COOCH 2 CH 3	грушевая эссенция
CH 3 CH 2 CH 2 COOCH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3	ананасовая эссенция
HCOOCH 2 CH 3	ромовая эссенция

Двухосновные насыщенные кислоты

Двухосновные предельные (насыщенные) кислоты имеют общую формулу C n H 2 n ( COOH ) 2 . Из них важнейшими являются:

НООС-СООН - щавелевая, этандикарбоновая кислота;

НООС-СН 2 -СООН - малоновая, пропандикарбоновая кислота;

НООС-СН 2 -СН 2 -СООН - янтарная, бутандикарбоновая кислота;

НООС-СН 2 -СН 2 -СН 2 -СООН - глутаровая, пентандикарбоновая кислота.

Способы получения

Общие методы получения двухосновных кислот аналогичны способам получения одноосновных кислот (окисление гликолей, гидролиз динитрилов, синтез Кольбе - см. Лекцию№27).

1. Окисление оксикислот :

OH-CH 2 CH 2 COOH ® HOCCH 2 COOH ® HOOC-CH 2 -COOH

2. Окисление циклоалканов .

Это промышленный способ получения адипиновой кислоты HOOC - CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 - COOH из циклогексана.

Побочно образуются также янтарная и щавелевая кислоты. Адипиновая кислота применяется для синтеза волокна найлон 6,6 и пластификаторов.

Химические свойства

Двухосновные кислоты более сильные, чем одноосновные. Это объясняется взаимным влиянием карбоксильных групп, облегчающих диссоциацию:

В целом реакции дикарбоновых кислот и их монокарбоновых аналогов почти не различаются между собой. Механизм реакций образования диамидов, диэфиров и др. из карбоновых кислот тот же, что и для монокарбоновых кислот. Исключение составляют дикарбоновые кислоты, содержащие меньше четырех атомов углерода между карбоксильными группами. Такие кислоты, две карбоксильные группы которых способны реагировать с одной функциональной группой или друг с другом, обнаруживают необычное поведение в реакциях, протекающих с образованием пяти- или шестичленных замкнутых активированных комплексов или продуктов.

Примером необычного поведения карбоновых кислот могут служить реакции, протекающие при нагревании.

При 150 о С щавелевая кислота разлагается на муравьиную кислоту и СО 2 :

HOOC-COOH ® HCOOH + CO 2

2. Циклодегидратация .

При нагревании g -дикарбоновых кислот, у которых карбоксильные группы разделены атомами углерода, происходит циклодегидратация, в результате чего образуются циклические ангидриды:

3. Синтезы на основе малонового эфира .

Двухосновные кислоты с двумя карбоксильными группами при одном углеродном атоме, т.е. малоновая кислота и ее моно- и дизамещенные гомологи, при нагревании несколько выше их температур плавления разлагаются (подвергаются декарбоксилированию ) с отщеплением одной карбоксильной группы и образованием уксусной кислоты или ее моно- и дизамещенных гомологов:

HOOCCH 2 COOH ® CH 3 COOH + CO 2

HOOCCH(CH 3)COOH ® CH3CH2COOH + CO 2

HOOCC(CH 3) 2 COOH ® (CH3) 2 CHCOOH + CO 2

Атомы водорода метиленовой группы, находящейся между ацильными группами диэтилового эфира малоновой кислоты (малоновый эфир ), обладают кислотными свойствами и дают натриевую соль с этилатом натрия. Эту соль – натрий-малоновый эфир – алкилируют по механизму нуклеофильного замещения S N 2 . На основе натрий-малонового эфира получают одно- и двухосновные кислоты:

- Na + + RBr ® RCH(COOCH 2 CH 3) 2 + 2 H 2 O ®

R-CH(COOH) 2 алкилмалоновая кислота ® R-CH 2 COOH алкилуксусная кислота + CO 2

4. Пиролиз кальциевых и бариевых солей .

При пиролизе кальциевых или бариевых солей адипиновой (С 6 ), пимелиновой (С 7 ) и пробковой (С 8 ) кислот происходит отщепление СО 2 и образуются циклические кетоны:

Непредельные одноосновные карбоновые кислоты

Непредельные одноосновные кислоты этиленового ряда имеют общую формулу C n H 2 n -1 COOH , ацетиленового и диэтиленового рядов - C n H 2 n -3 COOH . Примеры непредельных одноосновных кислот:

Непредельные одноосновные кислоты отличаются от предельных большими константами диссоциации. Ненасыщенные кислоты образуют все обычные производные кислот - соли, ангидриды, галогенангидриды, амиды, сложные эфиры и др. Но за счет кратных связей они вступают в реакции присоединения, окисления и полимеризации.

Благодаря взаимному влиянию карбоксильной группы и кратной связи присоединение галогенводородов к a,b-непредельным кислотам происходит таким образом, что водород направляется к наименее гидрогенизированному атому углерода:

CH 2 = CHCOOH + HBr ® BrCH 2 CH 2 COOH b -бромпропионовая кислота

Этиленовые кислоты типа акриловой кислоты и их эфиры значительно легче подвергаются полимеризации, чем соответствующие углеводороды.

отдельные представители

Акриловую кислоту получают из этилена (через хлоргидрин или оксид этилена), гидролизом акрилонитрила или окислением пропилена, что более эффективно. В технике используются производные акриловой кислоты - ее эфиры, особенно метиловый (метилакрилат ). Метилакрилат легко полимеризуется с образованием прозрачных стекловидных веществ, поэтому его применяют в производстве органического стекла и других ценных полимеров.

Метакриловая кислота и ее эфиры получают в больших масштабах методами, сходными с методами синтеза акриловой кислоты и ее эфиров. Исходным продуктом является ацетон, из которого получают ацетонциангидрин, подвергают дегидратации и омылению с образованием метакриловой кислоты. Этерификацией метиловым спиртом получают метилметакрилат, который при полимеризации или сополимеризации образует стекловидные полимеры (органические стекла) с весьма ценными техническими свойствами.

Двухосновные ненасыщенные кислоты

Наиболее простые ненасыщенные двухосновные кислоты - фумаровая и малеиновая - имеют одну и ту же структурную формулу HOOCCH = CHCOOH , но разную пространственную конфигурацию: фумаровая - транс -, малеиновая - цис -. Малеиновая кислота (лабильная форма) под действием брома, йода, азотистой кислоты легко переходит в устойчивую (стабильную) форму - фумаровую кислоту. Обратный переход осуществляется под действием ультрафиолетовых лучей. Малеиновая кислота в технических масштабах получается каталитическим окислением бензола и нафталина кислородом воздуха.

Обе кислоты способны образовывать соли, сложные эфиры, амиды и некоторые другие производные кислот. Однако, малеиновая кислота, в отличие от фумаровой, легко образует циклический ангидрид, так как обе карбоксильные группы расположены по одну сторону от двойной связи (цис -изомер). Малеиновый ангидрид служит характерным реактивом для обнаружения 1,3-диеновых соединений: он легко вступает в реакцию диенового синтеза и во многих случаях дает ценные продукты. Малеиновый ангидрид широко применяется при производстве полиэфирных смол и сополимеров со стиролом, акриловым и метакриловым эфирами. Гидратацией малеинового ангидрида получают яблочную кислоту, применяемую в пищевой промышленности.

Монокарбоновые кислоты ароматического ряда

Ароматическими карбоновыми кислотами называются производные бензола, содержащие карбоксильные группы, непосредственно связанные с ароматическим ядром. Кислоты, содержащие карбоксильные группы в боковой цепи, рассматриваются как жирноароматические . По количеству карбокисльных групп ароматические кислоты делятся на одно-, двухосновные и т.д. Название кислоты производится от ароматического углеводорода (бензойная кислота, п -толуиловая кислота).

Способы получения

1. Окисление ароматических углеводородов .

Для синтеза ароматических кислот наиболее подходят метильные гомологи бензола, радикально-цепное окисление которых протекает через стадии первичного гидропероксида и альдегида:

ArCH 3 + O 2 ® ArCH 2 OOH ® ArCHO+ O 2 ® ArCOOH

Жидкофазным окислением метилбензолов кислородом воздуха в промышленности получают моно- и дикарбоновые ароматические кислоты.

2. Окисление спиртов, альдегидов и кетонов .

Ароматические спирты, альдегиды и кетоны окисляются легче, чем углеводороды. Окисление обычно ведут с помощью гипохлоритов по схеме:

C 6 H 5 - CO - CH 3 + 4 NaOCl ® C 6 H 5 - COOH + NaCl + H 2 O + CO 2

3. Гидролиз галогенпроизводных .

Этот способ широко применяется в технике.

C 6 H 5 CCl 3 + 2 H 2 O ® C 6 H 5 COOH + 3 HCl

При хлорировании толуола получают три вида галогенпроизводных: хлористый бензил для производства бензилового спирта; хлористый бензилиден – для получения бензальдегида; бензотрихлорид перерабатывается на бензойную кислоту.

4. Синтез Гриньяра .

C 6 H 5 Li + CO 2 ® C 6 H 5 COOLi + LiBr

Химические свойства

В водных растворах монокарбоновые кислоты обнаруживают большую степень диссоциации, чем алифатические кислоты (К а бензойная к-та =6,6×10 -5 , К а уксусная к-та =1,8×10 -5). Большая степень диссоциации бензойной кислоты обусловлена электрофильным характером бензольного кольца:

Кислотность ароматических кислот почти не зависит от резонансных эффектов.

Ароматические кислоты вступают во все те реакции, которые свойственны и кислотам жирного ряда. За счет карбоксильной группы образуются различные производные кислот: действием кислот на щелочи и карбонаты получаются соли , эфиры - нагреванием смеси кислоты и спирта в присутствии минеральной кислоты.

Если заместителей в орто -положении нет, то этерификация карбоксильной группы происходит так же легко, как и в случае алифатических кислот. Если одно из орто -положений замещено, то скорость этерификации сильно уменьшается, а если заняты оба орто -положения, то этерификация не идет.

Эфиры орто -замещенных бензойных кислот могут быть приготовлены при реакции серебряных солей с галогеналканами. Они с трудом подвергаются гидролизу. Такое явление носит название пространственных (стерических) затруднений. Группы, большие, чем водород, в такой степени заполняют пространство вокруг углеродного атома карбоксильной группы, что затрудняет переход в промежуточное состояние при образовании или омылении эфира.

Хлорангидриды получаются действием на кислоты хлористого тионила или пятихлористого фосфора:

C 6 H 5 COOH + SOCl 2 ® C 6 H 5 COCl + HCl + SO 2

Ангидриды получают перегонкой смеси кислоты с уксусным ангидридом или действием хлорангидридов на соли:

C 6 H 5 COCl + NaOOCC 6 H 5 ® ( C 6 H 5 CO ) 2 O + 2 NaCl

При сплавлении соли ароматической карбоновой кислоты со щелочью карбоксильная группа замещается на водород:

C 6 H 5 COONa + NaOH ® ArH + Na 2 CO 3

Важнейшие представители

1. Бензойная кислота . Основными способами получения бензойной кислоты являются окисление толуола и декарбоксилирование фталевой кислоты. Применяется в качестве консерванта в пищевой промышленности вследствие сильного антисептического действия, а также в производстве красителей и душистых веществ. Очень важным производным бензойной кислоты является ее хлорангидрид - хлористый бензоил . Это жидкость с характерным запахом и сильным лакриматорным действием.

2. п-трет -Бутилбензойная кислота получается в промышленных масштабах окислением трет -бутилтолуола в присутствии растворимой соли кобальта в качестве катализатора. Применяется в производстве полиэфирных смол.

Дикарбоновые ароматические кислоты

Известно три бензолдикарбоновых кислоты: фталевая (о -изомер), изофталевая (м -изомер) и терефталевая (п -изомер). Терефталевая кислота является кристаллическим веществом (Т возг . 300 о С), по сравнению с изомерными кислотами наименее растворима в воде и органических жидкостях. Терефталевая кислота и ее диметиловый эфир играют важную роль в производстве синтетического волокна лавсан (терилен ) - продукта их поликонденсации с этиленгликолем. Терефталевую кислоту получают окислением п -ксилола.

Изофталевая кислота применяется для производства полиэфиров. Ее получают аналогично терефталевой кислоте - жидкофазным окислением м -ксилола.

Функциональными производными называют производные карбоновых кислот, у которых ОН-группа замещена нуклеофильной частицей Z.

Таблица №3Функциональные производные карбоновых кислот R─ C(O)Z

6.1. Номенклатура.

Номенклатура производных карбоновых кислот очень проста и исходит из названий самих карбоновых кислот. Ангидриды кислот, например, называют добавляя слово «ангидрид » к названию соответствующей кислоты.

Для названия смешанных ангидридов требуется перечислить обе кислоты, образующие ангидрид.

Для обозначения ацилгалогенидов окончание кислоты «-овая » заменяется на «-оил » с добавлением названия галогена.

Для обозначения амидов окончание «-овая », характерное для кислот, заменяется на «-амид », или окончание «карбоновая кислота » заменяется на «карбоксамид ».

Замещенные при азоте амиды имеют префикс, где обозначаются эти заместители.

Название сложных эфиров строится таким образом, чтобы первую часть названия занимало обозначение алкильной группы, присоединенной к атому кислорода. Вторую часть названия составляет обозначение карбоновой кислоты, в котором окончание «-овая » заменено на окончание «-ат ».

Для нитрилов существует несколько систем названий. Согласно номенклатуре ИЮПАК они называются алканнитрилами, т.е. к названию алкана добавляется окончание «-нитрил ». Атом углерода нитрильной группы всегда имеет первый номер.

В другой системе названий окончание «-овая » заменяется на «-онитрил » или словосочетание «карбоновая кислота » заменяется на «-карбонитрил ».

В заключении этого раздела приведем названия некоторых типичных функциональных групп производных карбоксильной группы: COOR – группа называется «алкоксикарбоксил » , CONH 2 – «карбамоил » , COCl – «хлорформил » , CN – «циано » . Так называются эти группы в полифункциональнозамещенных циклоалканах и алканах.

6.2. Химические свойства производных карбоновых кислот.

Функциональные производные, подобно карбоновым кислотам, способны вступать в реакции ацилирования, и поэтому их можно рассматривать как ацильные производные различных нуклеофилов. Реакции ацилирования приводят к образованию других функциональных производных карбоновых кислот.

Для реакции нуклеофильного замещения у sp 2 -гибридного ацильного атома углерода реализуется двухстадийный механизм присоединения-отщепления. В первой стадии нуклеофильный агент присоединяется к производному карбоновой кислоты с образованием заряженного (для анионного нуклеофильного агента) или бетаина (для нейтрального нуклеофильного агента) тетраэдрического интермедиата. Во второй стадии от этого интермедиата отщепляется в виде аниона или нейтральной молекулы уходящая группа Z и образуется конечный продукт замещения.

В общем случае реакция обратима, однако если Z и Nu сильно различаются по своей основности и нуклеофильности, она становится необратимой. Движущей силой отщепления уходящей группы Z является образование π-связи между кислородом и карбонильным атомом углерода из анионного тетраэдрического интермедиата. В принципе на скорость реакции могут влиять обе стадии, однако, как правило, первая стадия присоединения нуклеофильного агента является медленной и определяет скорость всего процесса. И стерические, и электронные факторы важны при количественной оценке реакционной способности производных карбоновых кислот. Стерические затруднения для атаки нуклеофильного реагента по карбонильному атому углерода вызывают понижение реакционной способности в ряду:

Реакционная способность функциональных производных в реакциях ацилирования (ацилирующая способность) зависит от природы частицы Z и коррелируется со стабильностью уходящего аниона Z - :

чем стабильнее анион, тем выше реакционная способность ацильного производного.

Наибольшей ацилирующей активностью обладают галогенангидриды и ангидриды, так как их ацильные остатки соединены с хорошо уходящими группами – галогенид-ионами и анионами карбоновых кислот. Сложные эфиры и амиды проявляют более низкую ацилирующую способность, потому что соответственно алкоксид- и амид-ионы не относятся к стабильным анионам и не являются хорошо уходящими группами. Такой подход к оценке ацилирующей способности показан ниже на примере сопоставления наиболее важных функциональных производных карбоновых кислот:

6.3. Галогенангидриды.

Галогенангидридами называются функциональные производные карбоновых кислот общей формулы RC(O)Hal.

Галогенангидриды представляют собой жидкости или твердые вещества с резким навязчивым запахом, сильно раздражают кожу и слизистые оболочки. Практическое значение имеют ацилхлориды и ацилбромиды.

Можно заметить, что введение даже одного атома хлора в молекулу уксусной кислоты увеличивает кислотность на два порядка, а трихлоруксусная кислота по силе сравнима с неорганическими производными.

Изменение кислотности при переходе от a- к g-масляной кислоте иллюстрирует высказанное ранее утверждение, что индуктивный эффект (и донорный и акцепторный) наиболее заметен на соседнем атоме. Чем дальше расположен атом хлора, тем меньшее влияние он оказывает на кислотность.

В ароматическом ряду стабильность карбоксилат-аниона повышена за счет сопряжения с ароматическим циклом. Так, бензойная кислота примерно в 3,6 раза сильнее уксусной. Акцепторы в положениях 2,4,6- бензольного кольца увеличивают кислотность, а доноры – уменьшают. Причем особенно сильно влияют заместители в положениях 2- и 6-, что вызвано их близостью к карбокси-группе. Например, пара -хлорбензойная кислота только 1,6 раза, в орто -хлорбензойная кислота в 19 раз сильнее бензойной.

Лекция № 35

Карбоновые кислоты и их производные

Монокарбоновые кислоты.

· Химические свойства. Получение производных карбоновых кислот: солей, ангидридов, галогеноангидридов, сложных эфиров, амидов, нитрилов. Декарбоксилирование, восстановление и галогенирование кислот. Реакции замещения в кольце ароматических карбоновых кислот. Основные пути использования карбоновых кислот.

Производные карбоновых кислот.

· Соли. Получение. Химические свойства: декарбоксилирование, анодный синтез Кольбе, получение карбонильных соединений.

· Ангидриды. Получение: дегидратация кислот с помощью Р 2 О 5 ; ацилирование солей карбоновых кислот хлорангидридами. Химические свойства: реакции с нуклеофилами (ацилирование, этерификация).

· Хлорангидриды. Получение. Химические свойства: реакции с нуклеофилами (ацилирование, этерификация, взаимодействие с водой, аммиаком, аминами, фенолами), восстановление до альдегидов, реакции с магнийорганическими соединениями. Хлористый бензоил и реакции бензоилирования.

· Сложные эфиры. Получение: этерификация карбоновых кислот (механизм), ацилирование спиртов и их алкоголятов ацилгалогенидами и ангидридами, алкилирование карбоксилат-ионов. Химические свойства: гидролиз (механизм кислотного и основного катализа), переэтерификация; аммонолиз, каталитическое гидрирование, восстановление комплексными гидридами металлов и металлами в присутствии источников протонов.

Монокарбоновые кислоты.

Химические свойства. Производные карбоновых кислот

Соли

Получение солей – простейшая реакция карбоновых кислот.

Получение углеводородов декарбоксилированием солей карбоновых кислот и анодным синтезом Кольбе рассмотрены в разделе «Алканы».

Ангидриды

Ангидриды карбоновых кислот могут быть получены межмолекулярной дегидратацией или ацилированием карбоновых кислот хлорангидридами. Реакция ацилирования – введение ацильной группы (остатка карбоновой кислоты, но не альдегида).

Первым способом получают симметричные, вторым – симметричные и несимметричные ангидриды.

Сами по себе ангидриды карбоновых кислот не вызывают особого химического интереса. Как и ангидриды любых кислот – ангидриды карбоновых кислот - скрытая и более реакционоспособная форма кислот. Часто их используют вместо кислот в реакциях ацилирования (см. далее).

Ангидриды легко гидролизуются водой до соответствующей кислоты.

Галогенангидриды

Галогенангидриды (ацилгалогениды) – производные карбоновых кислот, в которых вместо ОН-группы атом галогена. В подавляющем большинстве случаев в молекуле присутствует атом хлора, значительно реже – бром, никогда - фтор. Когда говорят о галогенангидридах, почти всегда подразумевают хлорангидриды.

Хлорангидриды получают действием на кислоты галогенидов фосфора (PCl 3 , POCl 3 , PCl 5) или хлористого тионила (SOCl 2). Механизм реакций аналогичен описанному ранее замещению ОН-группы в спиртах на атом галогена.

Устойчивость хлорангидридов муравьиной кислоты столь низка, что их получить не удается.

Хлорангидриды, как и ангидриды, используют в качестве реагентов во многих реакциях получения производных карбоновых кислот.

Сложные эфиры

Взаимодействие карбоновых кислот со спиртами в присутствии минеральной кислоты (реакция этерификации) приводит к сложным эфирам.

Механизм реакции этерификации:

В образующемся нейтральном интермедиате скорости прямой и обратной реакций близки. В общем случае выходы в реакции не превышают 70% от теории. Для увеличения выхода обычно удаляют сложный эфир из сферы реакции.

Механизм реакции этерификации доказан с помощью изотопномеченного спирта.

В воде изотопная метка не обнаружена. Следовательно, сложноэфирный кислород – из спирта.

Реакция этерификации полностью обратима. Обратная реакция - гидролиз (кислый или щелочной). Механизм кислого гидролиза показан выше.

Механизм гидролиза в присутствии щелочей (реакция омыления):

Кислый гидролиз, как и этерификация полностью обратим. Щелочной гидролиз приводит к получению соли карбоновой кислоты и поэтому необратим.

Переэтерификация

Сложные эфиры могут быть получены также и реакцией переэтерификации.

По механизму реакция переэтерификации очень похожа на гидролиз (вместо Н-ОН - R-ОН).

Поскольку реакция полностью обратима, ее проводят в большом избытке спирта (R”-OH), чтобы сдвинуть равновесие вправо. В некоторых случаях переэтерификация дает даже лучшие результаты, чем этерификация.

Достоинством этерификации и переэтерификации является простота реакции и доступность исходных веществ, недостатком - обратимость реакции. В необратимых реакциях получения сложных эфиров исходят из ангидридов или хлорангидридов карбоновых кислот.

Получение сложных эфиров из ангидридов.

Получение сложных эфиров из хлорангидридов.

Функциональные производные карбоновых кислот. Двухосновные карбоновые кислоты. a,b-Ненасыщенные кислоты

Производные карбоновых кислот

1. Галогенангидриды.

При действии галогенидов фосфора или хлористого тионила происходит образование галогенагидридов:

CH 3 COOH + PCl 5 ® CH 3 COCl + POCl 3 + HCl

Галоген в галогенангидридах обладает большой реакционной способностью. Сильный индукционный эффект определяет легкость замещения галогена другими нуклеофилами: -OH, -OR, -NH2, -N3, -CN и др.:

CH 3 COCl + CH 3 COOAg ® (CH 3 CO) 2 O уксусный ангидрид + AgCl

1. Ангидриды.

Ангидриды образуются при взаимодействии солей кислот с их галогенангидридами:

CH 3 COONa + CH 3 COCl ® NaCl + (CH 3 CO) 2 O

Амиды получают через галогенангидриды

CH 3 COCl +2 NH 3 ® CH 3 CONH 2 ацетамид + NH 4 Cl

или из аммонийных солей кислот, при сухой перегонке которых отщепляется вода и образуется амид кислоты. Также амиды кислот образуются как побочный продукт при гидролизе нитрилов. Процессы амидирования имеют важное значение в промышленности для производства ряда ценных соединений (N,N-диметилформамид, диметилацетамид, этаноламиды высших кислот).

4. Нитрилы. Важнейшими представителями нитрилов являются ацетонитрил CH 3 CN (применяется как полярный растворитель) и акрилонитрил CH 2 =CHCN (мономер для получения синтетического волокна нейрона и для производства дивинилнитрильного синтетического каучука, обладающего масло- и бензостойкостью). Основным способом получения нитрилов является дегидратация амидов на кислотных катализаторах:

CH 3 CONH 2 ® CH 3 C-CN + H 2 O

5. Сложные эфиры. Сложные эфиры карбоновых кислот имеют важное практическое значение в качестве растворителей, гидравлических жидкостей, смазочных масел, пластификаторов и мономеров. Их получают этерификацией спиртов кислотами, ангидридами и галогенангидридами или взаимодействием кислот и алкенов:

CH 3 -CH=CH 2 + CH 3 COOH ® CH 3 COOCH(CH 3) 2

Многие эфиры используются в качестве душистых веществ:

CH 3 COOCH 2 CH 3	грушевая эссенция
CH 3 CH 2 CH 2 COOCH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3	ананасовая эссенция
	ромовая эссенция

Двухосновные насыщенные кислоты

Двухосновные предельные (насыщенные) кислоты имеют общую формулу C n H 2 n (COOH) 2 . Из них важнейшими являются:

НООС-СООН - щавелевая, этандикарбоновая кислота;

НООС-СН 2 -СООН - малоновая, пропандикарбоновая кислота;

НООС-СН 2 -СН 2 -СООН - янтарная, бутандикарбоновая кислота;

НООС-СН 2 -СН 2 -СН 2 -СООН - глутаровая, пентандикарбоновая кислота.

Способы получения

1. Окисление оксикислот:

OH-CH 2 CH 2 COOH ® HOCCH 2 COOH ® HOOC-CH 2 -COOH

2. Окисление циклоалканов.

Это промышленный способ получения адипиновой кислоты HOOC-CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 -COOH из циклогексана.

Побочно образуются также янтарная и щавелевая кислоты. Адипиновая кислота применяется для синтеза волокна найлон 6,6 и пластификаторов.

Химические свойства

Примером необычного поведения карбоновых кислот могут служить реакции, протекающие при нагревании.

При 150 о С щавелевая кислота разлагается на муравьиную кислоту и СО 2:

HOOC-COOH ® HCOOH + CO 2

2. Циклодегидратация.

При нагревании g-дикарбоновых кислот, у которых карбоксильные группы разделены атомами углерода, происходит циклодегидратация, в результате чего образуются циклические ангидриды:

Органические соединения, содержащие карбоксильную группу –СООН , относятся к классу кислот.

Биологически важные карбоновые кислоты:

Кислоты (тривиальное название)	Название аниона	Формула кислоты
Одноосновные
муравьиная	формиат	HCOOH
уксусная	ацетат	CH 3 COOH
масляная	бутират	CH 3 (CH 2) 2 COOH
валериановая	валерат	CH 3 (CH 2) 3 COOH
Непредельные кислоты
акриловая	акрилаты	СН 2 = СН- СООН
кротоновая	кротонат	СН 3 – СН = СН - СООН
Ароматические
бензойная	бензоат	C 6 H 5 COOH
Дикарбоновые кислоты
щавелевая кислота	оксалаты	НООС - СООН
малоновая	малонаты	НООС-СН 2 - СООН
янтарная	сукцинаты	НООС-СН 2 – СН 2 -СООН
глутаровая	глутараты	НООС –(СН 2) 3 - СООН
Непредельные дикарбоновые
Фумаровая (транс-изомер)	фумараты	НООС-СН=СН-СООН

Кислотные свойства карбоновых кислот:

RCOOH RCOO - + Н +

При диссоциации образуется карбоксилат анион, в котором отрицательный заряд равномерно распределяется между кислородными атомами, что увеличивает стабильность этой частицы. Сила карбоновых кислот зависит от длины радикала (чем больше радикал, тем слабее кислота) и заместителей (электроноакцепторные заместители усиливают кислотность). CI 3 COOH намного сильнее СН 3 СООН. Дикарбоновые кислоты сильнее одноосновных.

Функциональные производные карбоновых кислот:

Карбоновые кислоты проявляют высокую реакционную способность. Они вступают в реакции с различными веществами и образуют функциональные производные, т.е. соединения, полученные в результате реакций по карбоксильной группе.

1. Образование солей. Карбоновые кислоты обладают всеми свойствами обычных кислот. Они реагируют с активными металлами, основными оксидами, основаниями и солями слабых кислот:

2RCOOH + Мg → (RCOO) 2 Mg + Н 2 ,

2RCOOH + СаО → (RCOO) 2 Ca + Н 2 О,

RCOOH + NaOH → RCOONa + Н 2 О,

RCOOH + NaHCO 3 → RCOONa + Н 2 О + СО 2 .

Карбоновые кислоты - слабые, поэтому сильные минеральные кислоты вытесняют их из соответствующих солей:

CH 3 COONa + HCl → СН 3 СООН + NaCl.

Соли карбоновых кислот в водных растворах гидролизованы:

СН 3 СООК + Н 2 О СН 3 СООН + КОН.

Отличие карбоновых кислот от минеральных заключается в возможности образования ряда функциональных производных.

2. Образование функциональных производных карбоновых кислот. При замещении группы ОН в карбоновых кислотах различными группами (X) образуются функциональные производные кислот, имеющие общую формулу R-СО-X; здесь R означает алкильную либо арильную группу. Хотя нитрилы имеют другую общую формулу (R-CN), обычно их также рассматривают как производные карбоновых кислот, поскольку они могут быть получены из этих кислот.

Хлорангидриды получают действием хлорида фосфора (V) на кислоты:

R-CO-OH + РСl 5 → R-CO-Cl + РОСl 3 + HCl.

Ангидриды образуются из карбоновых кислот при действии водоотнимающих средств:

2R-CO-OH + Р 2 О 5 → (R-CO-) 2 O + 2НРО 3 .

Сложные эфиры образуются при нагревании кислоты со спиртом в присутствии серной кислоты (обратимая реакция этерификации):

Сложные эфиры можно также получить при взаимодействии хлорангидридов кислот и алкоголятов щелочных металлов:

R-CO-Cl + Na-O-R" → R-CO-OR" + NaCl.

Амиды образуются реакцией хлорангидридов карбоновых кислот с аммиаком:

СН 3 -СО-Сl + NН 3 → СН 3 -СО-NН 2 + HCl.

Кроме того, амиды могут быть получены при нагревании аммонийных солей карбоновых кислот: t o

CH 3 -COONH 4 → CH 3 -CO-NH 2 + Н 2 О

При нагревании амидов в присутствии водоотнимающих средств они дегидратируются с образованием нитрилов:

CH 3 -CO-NH 2 → CH 3 -C≡N + Н 2 О

3. Cвойства карбоновых кислот, обусловленные наличием углеводородного радикала. Так, при действии галогенов на кислоты в присутствии красного фосфора образуются галогензамещенные кислоты, причем на галоген замещается атом водорода при соседнем с карбоксильной группой атоме углерода (α-атоме): р кр.

СН 3 -СН 2 -СООН + Вr 2 → СН 3 -СНВr-СООН + НВr

4. Непредельные карбоновые кислоты способны к реакциям присоединения:

СН 2 =СН-СООН + Н 2 → СН 3 -СН 2 -СООН,

СН 2 =СН-СООН + Сl 2 → СН 2 Сl-СНСl-СООН,

СН 2 =СН-СООН + HCl → СН 2 Сl-СН 2 -СООН,

СН 2 =СН-СООН + Н 2 O → НО-СН 2 -СН 2 -СООН,

Две последние реакции протекают против правила Марковникова.

Непредельные карбоновые кислоты и их производные способны к реакциям полимеризации.

5. Окислительно-восстановительные реакции карбоновых кислот:

Карбоновые кислоты при действии восстановителей в присутствии катализаторов способны превращаться в альдегиды, спирты и даже углеводороды.

Муравьиная кислота НСООН отличается рядом особенностей, поскольку в ее составе есть альдегидная группа.

Муравьиная кислота - сильный восстановитель и легко окисляется до СО 2 . Она дает реакцию "серебряного зеркала":

НСООН + 2OH → 2Ag + (NH 4) 2 CO 3 + 2NH 3 + H 2 O,

или в упрощенном виде в аммиачном растворе при нагревании:

НСООН + Аg 2 О → 2Аg + СО 2 + Н 2 О.

Насыщенные карбоновые кислоты устойчивы к действию концентрированных серной и азотной кислот. Исключение составляет муравьиная кислота:

Н 2 SО 4(конц)

НСООН → СО + Н 2 О

6. Реакции декарбоксилирования. Насыщенные незамещенные монокарбоновые кислоты из-за большой прочности связи С-С при нагревании декарбоксилируются с трудом. Для этого необходимо сплавление соли щелочного металла карбоновой кислоты со щелочью:

CH 3 -CH 2 -COONa + NaOH → С 2 Н 6 + Na 2 CO 3

Двухосновные карбоновые кислоты легко отщепляют СО 2 при нагревании:

НООС-СН 2 -СООН → СН 3 СООН + CO 2

Напечатать