Способы получения карбоновых кислот конспект

Карбоновые кислоты

Карбоновые кислоты — класс органических соединений, молекулы которых содержат одну или несколько карбоксильных групп COOH.

Имеют разнообразное промышленное применение и большое биологическое значение. Общая формула одноосновных карбоновых кислот C_nH_2nO₂ .

Классификация карбоновых кислот

По количеству карбоксильных групп в молекуле карбоновые кислоты подразделяются на:

Одноосновные — 1 карбоксильная группа
Двухосновные — 2 карбоксильных группы
Трехосновные — 3 карбоксильных группы

Высшие карбоновые кислоты называют жирными кислотами. Более подробно мы изучим их теме, посвященной жирам, в состав которых они входят.

Номенклатура и изомерия карбоновых кислот

Названия карбоновых кислот формируются путем добавления суффикса «овая» к названию алкана с соответствующим числом атомов углерода и слова кислота: метановая кислота, этановая кислота, пропановая кислота, и т.д.

Многие карбоновые кислоты имеют тривиальные названия. Наиболее известные:

Метановая — HCOOH — муравьиная кислота
Этановая — CH₃-COOH — уксусная кислота
Пропановая — C₂H₅-COOH — пропионовая кислота
Бутановая — C₃H₇-COOH — масляная кислота
Пентановая — C₄H₉-COOH — валериановая кислота

Для предельных карбоновых кислот характерна структурная изомерия: углеродного скелета, межклассовая изомерия со сложными эфирами.

Получение карбоновых кислот

При повышенной температуре и в присутствии катализатора становится возможным неполное окисление алканов, в результате которого образуются кислоты.

При реакции спиртов с сильными окислителями, такими как подкисленный раствор перманганата калия, спирты окисляются до соответствующих кислот.

При окислении альдегиды образуют соответствующие карбоновые кислоты. Окисление можно проводить качественной реакцией на альдегиды — реакцией серебряного зеркала.

Обратите особое внимание, что при написании реакции с аммиачным раствором серебра в полном виде, правильнее будет указать не кислоту, а ее аммиачную соль. Это связано с тем, что выделяющийся аммиак, который обладает основными свойствами, реагирует с кислотой с образованием соли.

Окисление альдегидов также может быть успешно осуществлено другим реагентом — свежеосажденным гидроксидом меди II. В результате такой реакции образуется осадок кирпично-красного цвета оксида меди I.

Существует специфический способ получения муравьиной кислоты, который заключается в реакции твердого гидроксида щелочного металла с угарным газом под давлением и температуре 200°С — образуется формиат (соль муравьиной кислоты).

При дальнейшей обработке формиата серной кислотой образуется муравьиная кислота.

Специфичность синтеза уксусной кислоты заключается в реакции угарного газа с метанолом, в результате которой она образуется.

Также уксусную кислоту можно получить другим путем: сначала провести реакцию Кучерова, в ходе которой образуется уксусный альдегид. Окислить его до уксусной кислоты можно аммиачным раствором оксида серебра или гидроксидом меди II.

Химические свойства карбоновых кислот

Для карбоновых кислот не характерны реакции присоединения. Карбоновые кислоты обладают более выраженными кислотными свойствами, чем спирты.

Карбоновые кислоты вступают в реакции с металлами, которые способны вытеснить водород (стоят левее водорода в ряду напряжений металлов) из кислоты. Реагируют также с основаниями, с солями более слабых кислот, например, угольной кислоты.

Галогенирование происходит по типу замещения в радикале, который соединен с карбоксильной группой. Напомню, что наиболее легко замещается водород у третичного, чуть сложнее — у вторичного, и значительно сложнее — у первичного атома углерода.

Сила карбоновых кислот тем выше, чем меньше электронной плотности сосредоточено на атоме углерода в карбоксильной группе. Поэтому самая слабая из трех кислот — уксусная, чуть сильнее — хлоруксусная, за ней — дихлоруксусная и самая сильная — трихлоруксусная.

Перераспределение электронной плотности в молекулах этих кислот для лучшего запоминания лучше увидеть наглядно. Это перераспределение обусловлено большей электроотрицательностью хлора, который притягивает электронную плотность.

Муравьиная кислота отличается от своих гомологов. За счет наличия у нее альдегидной группы, она, единственная из карбоновых кислот, способна вступать в реакцию серебряного зеркала.

В такой реакции идет ее окисление до нестойкой угольной кислоты, которая распадается на углекислый газ и воду.

При нагревании и в присутствии серной кислоты (водоотнимающего компонента) муравьиная кислота распадается на воду и угарный газ.

Сложные эфиры

Получение сложных эфиров происходит в реакции этерификации (лат. aether — эфир), заключающейся во взаимодействии карбоновой кислоты и спирта.

Названия сложных эфиров формируются в зависимости от того, какой кислотой и каким спиртом эфир образован. Примеры:

Метановая кислота + метанол = метиловый эфир метановой кислоты (метилформиат)
Этановая кислота + этанол = этиловый эфир уксусной кислоты (этилацетат)
Метановая кислота + этанол = этиловый эфир метановой кислоты (этилформиат)
Пропановая кислота + бутанол = бутиловый эфир пропионовой кислоты (бутилпропионат)

Для сложных эфиров характерной реакцией является гидролиз — их разложение. Возможен щелочной гидролиз, при котором образуется соль кислоты и спирт, и кислотный гидролиз, при котором образуются исходные спирт и кислота.

Кислотный гидролиз протекает обратимо, щелочной — необратимо. Реакция щелочного гидролиза по-другому называется реакция омыления, и напомнит о себе, когда мы дойдем до темы жиров.

Ангидриды

Ангидриды — химические соединения, производные неорганических и органических кислот, образующиеся при их дегидратации.

Хлорангидриды карбоновых кислот образуются в реакции карбоновых кислот с хлоридом фосфора V.

Следующая реакция не имеет отношения к ангидридам, однако (из-за их схожести) вы увидите ее здесь для наилучшего запоминания. Это реакция галогенирования гидроксикислот, в результате которой гидроксогруппа в радикале меняется на атом галогена.

Непредельные карбоновые кислоты

Распределение электронной плотности в молекулах творит чудеса: иногда реакции идут против правила Марковникова. Так происходит в непредельной акриловой кислоте.

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Источник

Конспект урока на тему «Получение карбоновых кислот»

Тема: Получение карбоновых кислот

10 профильный класс

Хисамиева Нурия Миннахметовна, учитель химии МОУ СОШ с. Манзарас Кукморского муниципального района Республики Татарстан

Цель: 1. Обсуждение и установление способов получения карбоновых кислот.

2. Способствовать формированию логического мышления.

3. Способствовать формированию научного мировоззрения.

Тип урока: изучение нового материала.

Вид урок: система самостоятельных работ.

Демонстрационный эксперимент: получение уксусной кислоты.

Реактивы: ацетат натрия, раствор серной кислоты.

Оборудование: пробирки, газоотводная трубка с пробкой, штатив, заправленная спиртовка.

Методы: обучения – диалогический;

преподавания – информационно побуждающий;

учения – репродуктивный, исследовательский.

Изучение нового материала.

Обсуждение и установление способов получения карбоновых кислот.

Установление способа получения уксусной кислоты в лаборатории.

— Изучая свойств карбоновых кислот мы с вами установили в реакциях идущих с разрывом связи О–Н, что обусловлено повышенной подвижностью атома водорода карбоксильной группы, проявляют свойства слабых минеральных кислот. Поскольку карбоновые кислоты слабые, сильные неорганические кислоты вытесняют их из состава солей реакцией обмена.

На столе находятся реактивы ацетат калия и раствор серной кислоты; какую кислоту можно получить с помощью этих веществ? Составьте уравнение реакции. (Уксусную 2СН₃СООН + Н₂ S О₄ 2СН₃СООН + К₂ S О₄)

СН₃СОО — + Н + СН₃СООН

— Как определяем присутствие уксусной кислоты и ее солей? (По ее запаху, а ацетат с раствором хлорида железа ( III ), с которым дает красное окрашивание).

Сообщение темы урока «Получение карбоновых кислот».

— Природа органических соединений такова, что они находятся в гармоничной взаимосвязи от углеводородов до сложнейших соединений, как белки.

Как и из чего получить карбоновые кислоты?

Изучая алканов, алкенов, алкинов, алкадиенов, аренов, спиртов, альдегидов, кетонов и карбоновых кислот, проходя путь усложнения строения молекулы органического вещества на самом деле прошли этапы окисления атома углерода.

Проходим путь «эволюции» в органических соединениях.

R – СООН карбоновые кислоты -3 СН₃ – С +3 ООН

R – СОН альдегиды -3 СН₃ – С +1 ОН

R – СН₂ – ОН спирты -3 СН₃ — -1 СН₂ – ОН

С n Н₂ _n _-2 алкины (алкадиены) -3 СН₃ – С 0 ≡ С 0 — -3 СН₃

Как видим, сущностью «эволюции» углерода в органических соединениях является повышение степени окисления атома углерода от -4 до +3, то есть по теории окислительно-восстановительных реакций атом углерода окисляется. Значит, по сути, получение карбоновых кислот – это реакции окисления углеводородов, спиртов, альдегидов, кетонов.

Само понятие «окисление» в своем изначальном варианте предполагает реакции взаимодействия с кислородом. Это и происходит в случае прямого получения карбоновых кислот из алканов.

Алканы. В промышленности алканы окисляют кислородом воздуха. Как мы с вами знаем, алканы вещества «самодостаточные», не обладают ярко выраженной реакционноспособностью. Поэтому приходится создать жесткие условия – повышать давление и температуру в присутствии катализаторов. (учащиеся составляют уравнения реакции окисления метана и бутана с точки зрения окислительно восстановительных реакций).

2 -4 СН₄ + 3О 0 ₂ 2Н +2 С -2 О -2 ОН + 2Н₂О -2

Восста- окислитель муравьиная кислота

С -4 – 6е С +2

О_2о + 4е 2О -2

2СН₃ — -2 СН₂ — -2 СН₂ – СН₃ + 5О 0 ₂ 4СН₃ +3 С -2 О -2 ОН + 2Н₂О -2

Восстановитель Окислитель Уксусная кислота

2С -2 – 10е 2С +3

О₂ + 4е 2О -2

Алкены. Для алкенов потребуется жесткое окисление. Жесткое окисление предполагает использование кипящего концентрированного раствора КМ n О₄ в кислотной среде. (учащиеся составляют уравнения реакций).

5СН₃ — -1 СН = -1 СН – СН₃ + 8К +7 М n О₄ + 12Н₂ S О₄ t 4К₂ S О₄ + 8М n +2 S О₄ + 10СН₃ +3 СООН

Восстановитель Окислитель Уксусная кислота

2С -1 – 8е 2С +3

М n +7 + 5 е М n + 2

—2 C Н = -1 СН – СН₂ – СН₃ + 2КМ n О₄ + 3Н₂ S О₄ К₂ S О₄ + 2 MnS О₄ + +4 СО₂ +

С -2 – 6е С +4

С -1 – 4е С +3

М n +7 + 5 е М n + 2

Эту реакцию используют также для определения положения двойной связи.

Алкины. Окисление алкинов идет в более мягких условиях. Ацетилен обесцвечивают слабощелочной раствор перманганата калия. (Учащиеся составляют уравнения реакций).

—1 СН ≡ -1 СН + 8КМ n +7 О₄ + 8КОН НООС +3 – С +3 ООН + 8К₂М n +6 О₄ + 4Н₂О

Восстановитель Окислитель Щавелевая кислота

2С -1 – 8е 2С +3

М n +7 + 1е М n + 6

При окислении гомологов ацетилена подкисленным раствором перманганата калия происходит разрыв углеродной цепи по месту тройной связи образованием карбоновых кислот.

5СН₃ – СН₂ — С 0 ≡ С 0 – СН₃ + 6К +7 М n О₄ + 9Н₂ S О₄ 5 СН₃ – СН₂ — +3 СООН +

Восстановитель Окислитель Пропионовая кислота

2С 0 – 6е 2С +3

М n +7 + 5 е М n + 2

Арены. В отличии от бензола его гомологи, под влиянием бензольного конца, окисляются; причем гомологи бензола с одной боковой цепью, независимо от его длины окисляются сильным окислителем до бензойной кислоты, окислению подвергается атом углерода. (учащиеся составляют уравнения реакций).

5С₆Н₅ — -2 СН₂ — -2 СН₂ — -3 СН₃ + 12КМ n +7 О₄ + 18Н₂ S О₄ 5 С₆Н₅ — +3 СООН + 5 +4 СО₂ +

Восстановитель Окислитель Бензойная кислота

С -2 – 5е С +3

С -3 – 7е С +4

М n +7 + 5 е М n + 2

В случае нескольких боковых цепей, то каждая из них окисляется по атому углерода до карбоксильной группы и образуются многоосновные ароматические кислоты.

Спирты. Спирты окисляются кислородом воздуха в присутствии катализаторов, такими окислителями, как N а₂С r ₂О₇, К₂С r ₂О_7, КМ n О₄. первичные спирты окисляются до альдегидов. Но известна такая реакция:

Восста- Окислитель Муравьиная кислота

С -2 – 4е С +2

2С n +6 – 6е 2С n +3

Альдегиды. Альдегиды окисляются до карбоновых кислот не только под воздействием сильных окислителей (подкисленные растворы КM n О₄, К₂С r ₂О₇) но и слабых (аммиачный раствор оксида серебра или гидроксида меди ( II ). (Учащиеся составляют уравнения реакций).

СН₃ — +1 СОН + 2[А g +1 ( N Н3)2] ОН СН₃СООН + 2А g + 4 N Н₃ + Н₂О

Восстановители Окислители Уксусная кислота

С +1 – 2е С +3

А g +1 + 1е А g 0

СН₃ – СН₂ – СОН + 2С u (ОН)₂ СН₃ – СН₂ – СООН + С u ₂О + Н₂О

Восстановитель Окислитель Пропионовая кислота

С +1 – 2е С +3

2С u +2 — 2 е 2Cu +1

Кетоны. В учебниках говорится, что реакции окисления в корбанильных соединениях характера только альдегидам. Но существует и такая реакция – окисление ацетона.

Восстановитель Окислитель Муравьиная Уксусная

С -3 – 5е С +2

С +2 – 1е С +3

2С u + 6 + 6 е 2Cu +3

Галогеноалканы. Гидролиз тригалогенозамещенных углеводородов в молекулах, которых атомы галогена связаны первичным атомом углерода приводит к образованию карбоновой кислоты.

СН₃ – СС l ₃ + 3 N аОН СН₃СООН + 3 N аС l + Н₂О

1, 1, 1 трихлор этан Уксусная кислота

Существуют специфические способы получения карбоновых кислот.

СН₃ — -1 СН = СН₂ + +2 СО + Н₂О СН₃ — -2 СН₂ – СН₂ — +3 СООН

Пропен Восстановитель Бутановая кислота

С -1 + 1е С -2

С +2 – 1е С +3

Окосинтез – карбонилирование метанола

—2 СН₃ ОН + С +2 О t , р, кат. -3 СН ₃ +3 СООН

Окислитель Восстановитель Уксусная кислота

С -2 + 2е С -3

С +2 – 1е С +3

Получение муравьиной кислоты.

N аОН + СО НСОО N а

2НСОО N а + Н₂ S О₄ + 2НСООН

Таким образом, мы с вами установили «эволюцию» атома углерода в составе органических соединений и на изученных нами реакциях, что органическая химия уникальная область, в котором нет невозможного.

Мы узнали труд созидания, красоту уравнений реакций, перспективные дешевые способы получения карбоновых кислот, что органическая химия – это математизированная поэзия.

Домашнее задание: прочитать стр. 852, решить упр. 2,34

Творческое задание: составить уравнение реакций получения карбоновой кислоты, исходя из углеводородов, спиртов и альдегидов.

Новошинский И.И., Новошинская Н.С., Органическая химия. Учебник для общеобразовательных школ. М. Образование, 2005 г.

Ушкалова В.Н., Иоаниндис Н.В., Репетитор. Химия: конкурсные задания и ответы. Москва. Просвещение, 2000 г.

Источник