Получение и применение карбоновых кислот. Краткие сведения о непредельных карбоновых кислотах

I. Получение карбоновых кислот

1. В промышленности

Выделяют из природных продуктов

(жиров, восков, эфирных и растительных масел)

Окисление алканов

2CH₄ + + 3O₂ ^t,kat → 2HCOOH + 2H₂O

метан муравьиная кислота

2CH₃-CH₂-CH₂-CH₃ + 5O₂ ^t,kat,p → 4CH₃COOH + 2H₂O

н-бутан уксусная кислота

Окисление алкенов

CH₂=CH₂ + O₂ ^t,kat → CH₃COOH

этилен

СH₃-CH=CH₂ + 4[O] ^t,kat → CH₃COOH + HCOOH (уксусная кислота+муравьиная кислота)

5СHR=CHR + 8KMnO₄ + 12H₂SO₄ → 10RCOOH + 8MnSO₄ + 4K₂SO₄ + 12H₂O

Слева – раствор перманганата калия, справа – результат его взаимодействия с алкеном.

Рис. 1. Окисление непредельных углеводородов

Окисление гомологов бензола (получение бензойной кислоты)

C₆H₅-C_nH_2n+1 + 3n[O] ^KMnO4,H+→ C₆H₅-COOH + (n-1)CO₂ + nH₂O

5C₆H₅-CH₃ + 6KMnO₄ + 9H₂SO₄ → 5C₆H₅-COOH + 3K₂SO₄ + 6MnSO₄ + 14H₂O

толуол бензойная кислота

5С₆Н₅-СН₂-СН₃ + 8KMnO₄ + 12H₂SO₄ → 5С₆Н₅COOH + 5СО₂ + 8MnSO4 + 4K₂SO₄ + 22H₂O

Получение муравьиной кислоты

1 стадия: CO + NaOH ^t^,^p → HCOONa (формиат натрия – соль)

2 стадия: HCOONa + H₂SO₄ → HCOOH + NaHSO₄

Получение уксусной кислоты

CH₃OH + CO ^t,p → CH₃COOH

Метанол

Ферментативное окисление водных растворов этилового спирта:

CH₃CH₂OH + O₂ CH₃COOH + H₂O

Каталитическое окисление бутана кислородом воздуха (в промышленности) (Рис. 2):

Рис. 2. Центральный пульт управления цеха уксусной кислоты (Источник)

2CH₃–CH₂–CH₂–CH₃ + 5O₂ 4CH₃COOH + 2H₂O

2. В лаборатории

Гидролиз сложных эфиров

Из солей карбоновых кислот

R-COONa + HCl → R-COOH + NaCl

Растворением ангидридов карбоновых кислот в воде

(R-CO)₂O + H₂O → 2 R-COOH

Щелочной гидролиз галоген производных карбоновых кислот

3. Общие способы получения карбоновых кислот

Окисление альдегидов

R-COH + [O] → R-COOH

Например, реакция «серебряного зеркала» или окисление гидроксидом меди (II) – качественные реакции альдегидов.

R-CHO + Ag₂O → R-COOH + 2Ag¯

R-CHO + 2Cu(OH)₂→ R-COOH + Cu₂O¯ + 2H₂O

Рис. 3. Окисление альдегидов

Окисление спиртов

R-CH₂-OH + 2[O] ^t,kat → R-COOH + H₂O

3С₂Н₅ОН + 2K₂Cr₂O₇ + 8H₂SO₄ → 3СН₃СООН + 2Cr₂(SO4)₃ + 2K₂SO₄ + 11H₂O

Слева – раствор дихромата калия, справа – результат его взаимодействия с этиловым спиртом.

Рис. 4. Окисление спиртов

Гидролиз галогензамещённых углеводородов, содержащих три атома галогена у одного атома углерода

Из цианидов (нитрилов) – способ позволяет наращивать углеродную цепь

СH₃-Br + Na-C≡N → CH₃-CN + NaBr

CH₃-CN - метилцианид ( нитрил уксусной кислоты)

СH₃-CN + 2H₂O ^t→ CH₃COONH₄

ацетат аммония

CH₃COONH₄ + HCl → CH₃COOH + NH₄Cl

Использование реактива Гриньяра

R-MgBr + CO₂→ R-COO-MgBr ^H2O→ R-COOH + Mg(OH)Br

II. Применение карбоновых кислот

Муравьиная кислота – в медицине - муравьиный спирт (1,25% спиртовой раствор муравьиной кислоты), в пчеловодстве, в органическом синтезе, при получении растворителей и консервантов; в качестве сильного восстановителя.
Уксусная кислота – в пищевой и химической промышленности (производство ацетилцеллюлозы, из которой получают ацетатное волокно, органическое стекло, киноплёнку; для синтеза красителей, медикаментов и сложных эфиров). В домашнем хозяйстве как вкусовое и консервирующее вещество.

Масляная кислота – для получения ароматизирующих добавок, пластификаторов и флотореагентов.
Щавелевая кислота – в металлургической промышленности (удаление окалины).
Стеариновая C₁₇H₃₅COOH и пальмитиновая кислота C₁₅H₃₁COOH – в качестве поверхностно-активных веществ, смазочных материалов в металлообработке.
Олеиновая кислота C₁₇H₃₃COOH – флотореагент и собиратель при обогащении руд цветных металлов.

III. Отдельные представители одноосновных предельных карбоновых кислот

Муравьиная кислота впервые была выделена в XVII веке из красных лесных муравьев. Содержится также в соке жгучей крапивы. Безводная муравьиная кислота – бесцветная жидкость с острым запахом и жгучим вкусом, вызывающая ожоги на коже. Применяется в текстильной промышленности в качестве протравы при крашении тканей, для дубления кож, а также для различных синтезов.
Уксусная кислота широко распространена в природе – содержится в выделениях животных (моче, желчи, испражнениях), в растениях (в зеленых листьях). Образуется при брожении, гниении, скисании вина, пива, содержится в кислом молоке и сыре. Температура плавления безводной уксусной кислоты + 16,5°C, кристаллы ее прозрачны как лед, поэтому ее называют ледяной уксусной кислотой. Впервые получена в конце XVIII века русским ученым Т. Е. Ловицем. Натуральный уксус содержит около 5% уксусной кислоты. Из него приготовляют уксусную эссенцию, используемую в пищевой промышленности для консервирования овощей, грибов, рыбы. Уксусная кислота широко используется в химической промышленности для различных синтезов.

IV. Представители ароматических и непредельных карбоновых кислот

Бензойная кислота C₆H₅COOH - наиболее важный представитель ароматических кислот. Распространена в природе в растительном мире: в бальзамах, ладане, эфирных маслах. В животных организмах она содержится в продуктах распада белковых веществ. Это кристаллическое вещество, температура плавления 122°C, легко возгоняется. В холодной воде растворяется плохо. Хорошо растворяется в спирте и эфире.
Ненасыщенные непредельные кислоты с одной двойной связью в молекуле имеют общую формулу C_nH₂_n_-1COOH.
Высокомолекулярные непредельные кислоты часто упоминаются диетологами (они называют их ненасыщенными). Самая распространенная из них – олеиновая СН₃–(СН₂)₇–СН=СН–(СН₂)₇–СООН или C₁₇H₃₃COOH. Она представляет собой бесцветную жидкость, затвердевающую на холоде.
Особенно важны полиненасыщенные кислоты с несколькими двойными связями: линолевая СН₃–(СН₂)₄–(СН=СН–СН₂)₂–(СН₂)₆–СООН или C₁₇H₃₁COOH с двумя двойными связями, линоленовая СН₃–СН₂–(СН=СН–СН₂)₃–(СН₂)₆–СООН илиC₁₇H₂₉COOH с тремя двойными связями и арахидоновая СН₃–(СН₂)₄–(СН=СН–СН₂)₄–(СН₂)₂–СООН с четырьмя двойными связями; их часто называют незаменимыми жирными кислотами. Именно эти кислоты обладают наибольшей биологической активностью: они участвуют в переносе и обмене холестерина, синтезе простагландинов и других жизненно важных веществ, поддерживают структуру клеточных мембран, необходимы для работы зрительного аппарата и нервной системы, влияют на иммунитет. Отсутствие в пище этих кислот тормозит рост животных, угнетает их репродуктивную функцию, вызывает различные заболевания. Линолевую и линоленовую кислоты организм человека сам синтезировать не может и должен получать их готовыми с пищей (как витамины). Для синтеза же арахидоновой кислоты в организме необходима линолевая кислота. Полиненасыщенные жирные кислоты с 18 атомами углерода в виде эфиров глицерина находятся в так называемых высыхающих маслах – льняном, конопляном, маковом и др.Линолевая кислота C₁₇H₃₁COOH и линоленовая кислота C₁₇H₂₉COOH входят в состав растительных масел. Например, льняное масло содержит около 25% линолевой кислоты и до 58% линоленовой.
Сорбиновая (2,4-гексадиеновая) кислота СН₃–СН=СН–СН=СНСООН была получена из ягод рябины (на латыни – sorbus). Эта кислота – прекрасный консервант, поэтому ягоды рябины не плесневеют.
Простейшая непредельная кислота, акриловая СН₂=СНСООН, имеет острый запах (на латыни acris – острый, едкий). Акрилаты (эфиры акриловой кислоты) используются для получения органического стекла, а ее нитрил (акрилонитрил) – для изготовления синтетических волокон.
Называя вновь выделенные кислоты, химики, нередко, дают волю фантазии. Так, название ближайшего гомолога акриловой кислоты, кротоновой СН₃–СН=СН–СООН, происходит вовсе не от крота, а от растения Croton tiglium, из масла которого она была выделена. Очень важен синтетический изомер кротоновой кислоты –метакриловая кислота СН₂=С(СН₃)–СООН, из эфира которой (метилметакрилата), как и из метилакрилата, делают прозрачную пластмассу – оргстекло.
Непредельные карбоновые кислоты способны к реакциям присоединения: