В органической химии карбоновая кислота — это органическая кислота , содержащая карбоксильную группу ( -C(=O)-OH ) [1] , присоединенную к R-группе . Общая формула карбоновой кислоты часто записывается как R-COOH или R-CO 2 H , иногда как R-C(O)OH , где R относится к алкильной , алкенильной , арильной или другой группе. Карбоновые кислоты распространены широко. Важные примеры включают аминокислоты и жирные кислоты . Депротонирование карбоновой кислоты дает карбоксилат- анион .
Карбоновые кислоты обычно идентифицируются по их тривиальным названиям . Они часто имеют суффикс -ic acid .Также существуют имена, рекомендованные IUPAC ; в этой системе карбоновые кислоты имеют суффикс -овая кислота . [2] Например, масляная кислота ( CH 3 CH 2 CH 2 CO 2 H ) согласно рекомендациям IUPAC является бутановой кислотой. В номенклатуре сложных молекул, содержащих карбоновую кислоту, карбоксил можно рассматривать как положение первой родительской цепи , даже если имеются другие заместители , такие как 3-хлорпропановая кислота . Альтернативно его можно назвать заместителем «карбокси» или «карбоновой кислоты» в другой исходной структуре, такой как 2-карбоксифуран .
Карбоксилат-анион ( R-COO - или R-CO−2) карбоновой кислоты обычно называют с суффиксом -ate в соответствии с общим образцом -ic acid и -ate для сопряженной кислоты и ее сопряженного основания соответственно. Например, сопряженным основанием уксусной кислоты является ацетат .
Угольная кислота , которая встречается в природе в бикарбонатных буферных системах , обычно не классифицируется как одна из карбоновых кислот, несмотря на то, что она имеет фрагмент , похожий на группу COOH.
Карбоновые кислоты полярны . Поскольку они являются одновременно акцепторами водородных связей ( карбонил -C(=O)- ) и донорами водородных связей ( гидроксил -OH ), они также участвуют в образовании водородных связей . Вместе гидроксильная и карбонильная группы образуют функциональную группу карбоксил. Карбоновые кислоты обычно существуют в виде димеров в неполярных средах из-за их склонности к «самоассоциации». Карбоновые кислоты меньшего размера (от 1 до 5 атомов углерода) растворимы в воде, тогда как карбоновые кислоты большего размера имеют ограниченную растворимость из-за увеличения гидрофобности алкильной цепи. Эти кислоты с более длинной цепью обычно растворимы в менее полярных растворителях, таких как эфиры и спирты. [3] Водный гидроксид натрия и карбоновые кислоты, даже гидрофобные, вступают в реакцию с образованием водорастворимых солей натрия. Например, энантовая кислота плохо растворяется в воде (0,2 г/л), но ее натриевая соль хорошо растворима в воде.
Карбоновые кислоты, как правило, имеют более высокие температуры кипения, чем вода, из-за большей площади поверхности и склонности образовывать стабилизированные димеры за счет водородных связей . Чтобы произошло кипение, либо связи димера должны быть разорваны, либо вся структура димера должна испариться, что значительно увеличивает требования к энтальпии испарения .
Карбоновые кислоты являются кислотами Бренстеда-Лоури, поскольку они являются донорами протонов (H + ). Это наиболее распространенный тип органических кислот .
Карбоновые кислоты обычно являются слабыми кислотами , то есть они лишь частично диссоциируют на катионы [H 3 O] + и R-CO. −2 анионы в нейтральном водном растворе. Например, при комнатной температуре в 1- молярном растворе уксусной кислоты диссоциирует только 0,001% кислоты (т. е. 10 -5 моль из 1 моля). Электроноакцепторные заместители, такие как группа -CF 3 , дают более сильные кислоты (p K a уксусной кислоты составляет 4,76, тогда как трифторуксусная кислота с трифторметильным заместителем имеет p K a 0,23). Электронодонорные заместители дают более слабые кислоты (p K a муравьиной кислоты составляет 3,75, тогда как уксусная кислота с метильным заместителем имеет p K a 4,76).
Депротонирование карбоновых кислот дает карбоксилат-анионы; они стабилизированы резонансом , поскольку отрицательный заряд делокализован по двум атомам кислорода, увеличивая стабильность аниона. Каждая из углерод-кислородных связей в карбоксилат-анионе имеет характер частичной двойной связи. Частичный положительный заряд карбонильного углерода также ослабляется отрицательными зарядами -1/2 на двух атомах кислорода.
Карбоновые кислоты часто имеют сильный кислый запах. Эфиры карбоновых кислот обычно имеют фруктовый приятный запах, и многие из них используются в парфюмерии .
Карбоновые кислоты легко идентифицируются как таковые с помощью инфракрасной спектроскопии . Они демонстрируют резкую полосу, связанную с колебанием карбонильной связи C=O ( ν C=O ) между 1680 и 1725 см -1 . Характерная полоса ν O–H проявляется в виде широкого пика в области 2500–3000 см –1 . [3] [6] По данным 1 H ЯМР- спектрометрии, гидроксильный водород появляется в области 10–13 м.д., хотя он часто либо уширяется, либо не наблюдается из-за обмена со следами воды.
Многие карбоновые кислоты производятся в промышленных масштабах. Они также часто встречаются в природе. Эфиры жирных кислот являются основными компонентами липидов, а полиамиды аминокарбоновых кислот — основными компонентами белков .
Карбоновые кислоты используются в производстве полимеров, фармацевтических препаратов, растворителей и пищевых добавок. Промышленно важные карбоновые кислоты включают уксусную кислоту (компонент уксуса, предшественник растворителей и покрытий), акриловую и метакриловую кислоты (прекурсоры полимеров, клеев), адипиновую кислоту (полимеры), лимонную кислоту (ароматизатор и консервант в пищевых продуктах и напитках), этилендиаминтетрауксусная кислота (хелатирующий агент), жирные кислоты (покрытия), малеиновая кислота (полимеры), пропионовая кислота (пищевой консервант), терефталевая кислота (полимеры). Важными карбоксилатными солями являются мыла.
В целом промышленные пути получения карбоновых кислот отличаются от тех, которые используются в меньших масштабах, поскольку требуют специального оборудования.
В препаративных методах мелкомасштабных реакций для исследований или производства тонких химикатов часто используются дорогие расходные реагенты.
Многие реакции приводят к образованию карбоновых кислот, но используются только в особых случаях или представляют в основном академический интерес.
Наиболее широко практикуются реакции превращения карбоновых кислот в сложные эфиры , амиды , соли карбоксилатов , хлорангидриды и спирты . Карбоновые кислоты реагируют с основаниями с образованием карбоксилатных солей, в которых водород гидроксильной (–OH) группы заменен катионом металла . Например, уксусная кислота , содержащаяся в уксусе , реагирует с бикарбонатом натрия (пищевой содой) с образованием ацетата натрия , углекислого газа и воды:
Карбоновые кислоты также реагируют со спиртами , образуя сложные эфиры . Этот процесс широко используется, например, при производстве полиэфиров . Аналогичным образом карбоновые кислоты превращаются в амиды , но это превращение обычно не происходит в результате прямой реакции карбоновой кислоты и амина. Вместо этого сложные эфиры являются типичными предшественниками амидов. Превращение аминокислот в пептиды — важный биохимический процесс, требующий участия АТФ .
Гидроксильная группа карбоновых кислот может быть заменена атомом хлора с использованием тионилхлорида с получением ацилхлоридов . В природе карбоновые кислоты превращаются в тиоэфиры .
Как и сложные эфиры , большинство карбоновых кислот можно восстановить до спиртов путем гидрирования или с помощью агентов, переносящих гидриды, таких как литийалюминийгидрид . Сильные агенты-переносчики алкила, такие как литийорганические соединения, но не реактивы Гриньяра , восстанавливают карбоновые кислоты до кетонов вместе с переносом алкильной группы.
Реактив Вильсмайера ( N , N -Диметил(хлорметилен)аммоний хлорид [ClHC\dN+(CH3)2]Cl-) является высокохемоселективным агентом для восстановления карбоновых кислот. Он селективно активирует карбоновую кислоту с образованием карбоксиметиленаммониевой соли, которую можно восстановить мягким восстановителем, таким как трис( т -бутокси)алюмогидрид лития, с получением альдегида в одном сосуде. Известно, что эта процедура допускает наличие реакционноспособных карбонильных функциональных групп, таких как кетон, а также умеренно реакционноспособных сложноэфирных, олефиновых, нитрильных и галогенидных группировок. [9]
Карбоксильный радикал •СООН существует недолго. [10] Константа кислотной диссоциации •COOH была измерена с помощью спектроскопии электронного парамагнитного резонанса . [11] Карбоксильная группа имеет тенденцию к димеризации с образованием щавелевой кислоты .
