"Химия (углублённый уровень)", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Дроздов А.А. и др./ Под ред. Лунина В.В.
Функциональные производные карбоновых кислот образуются, когда гидроксильная группа –OH в карбоксиле заменяется другим атомом или группой. Так получают сложные эфиры, амиды, галогенангидриды и ангидриды. Их строение определяет названия, способы получения и химическую активность. Особенно важно различать этерификацию, кислотный и щелочной гидролиз сложных эфиров, а также понимать, почему амиды реагируют менее активно.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Функциональные производные карбоновых кислот — вещества, в которых группа –OH карбоксила заменена другим атомом или группой. Общая идея одна: сохраняется фрагмент R–CO–, но меняется его заместитель. Это позволяет получить соединения с разными свойствами и реакционной способностью.
Сложный эфир — производное, где –OH заменена на –OR′; его общая формула — R–COO–R′. Остаток R–CO– происходит от кислоты, а R′ связан с кислородом и происходит от спирта. Такое строение помогает отличить эфир от кислоты и правильно назвать вещество.
Амид карбоновой кислоты образуется при замене –OH на –NH₂, –NHR или –NR₂. Его общая формула — R–CONR′R″, причём атом азота непосредственно связан с карбонильным углеродом. По этой связи амид распознают в структурной формуле.
В галогенангидриде группа –OH заменена атомом галогена, например Cl, а в ангидриде — остатком другой карбоновой кислоты. Поэтому для ангидрида характерна связь R–CO–O–CO–R′. Эти классы нужны для понимания реакций замещения у карбонильного углерода.
Во всех производных сохраняется карбонильная группа C=O, соединённая с остатком R. Меняется только группа, присоединённая к тому же углероду вместо –OH: –OR′, –NR′R″, –Cl или –OCOR′. Поэтому различие классов можно установить сравнением именно этого участка структурной формулы.
Строение функциональной группы определяет название вещества, потому что оно показывает происхождение обеих частей соединения. В названии сложного эфира сначала указывают спиртовой остаток, например этил-, а затем название кислотной части, например этаноат. В формуле R–COO–R′ кислотная часть содержит карбонильный углерод, а спиртовая присоединена к кислороду.
Сложные эфиры получают взаимодействием карбоновой кислоты со спиртом: R–COOH + R′–OH ⇄ R–COO–R′ + H₂O. Кислота-катализатор ускоряет обмен связями, а нагревание помогает быстрее достичь равновесия. Реакция обратима, потому что вода способна расщеплять эфир обратно на исходные вещества.
Гидролиз возвращает карбоновую кислоту или её соль, поскольку вода разрывает связь у производного карбоновой кислоты. Для сложного эфира в кислой среде продуктами являются кислота и спирт, а в щелочной — соль кислоты и спирт. Амиды гидролизуются труднее и требуют более жёстких условий, например нагревания с кислотой или щёлочью.
Активность производных зависит от того, насколько легко уходящая группа отделяется от карбонильного углерода. Галогенангидриды и ангидриды реагируют легче, поскольку галогенид-ион и карбоксилат-ион достаточно устойчивы. В амиде электронная пара азота частично delокализуется в карбонильной системе, поэтому связь C–N прочнее, а замещение идёт труднее.
| Класс веществ | Общая формула | Что заменяет группу –OH | Характерное получение | Характерное превращение |
|---|---|---|---|---|
| Сложные эфиры | R–COO–R′ | –OR′ | Кислота + спирт, H⁺, нагревание | Гидролиз до кислоты или её соли и спирта |
| Амиды | R–CONR′R″ | –NH₂, –NHR или –NR₂ | Взаимодействие производного кислоты с аммиаком или амином | Кислотный или щелочной гидролиз |
| Галогенангидриды | R–COX | Атом галогена X | Замена –OH в кислоте на галоген | Гидролиз до кислоты, реакции с водой и спиртами |
| Ангидриды | R–CO–O–CO–R′ | Остаток карбоновой кислоты | Отщепление воды от двух кислот | Гидролиз до карбоновых кислот |
Сначала найдите в формуле фрагмент у карбонильного углерода, затем сопоставьте его с третьим столбцом. Последние два столбца помогают вспомнить типичный способ получения и наиболее характерную реакцию каждого класса.
Определите класс и назовите соединение CH₃COOCH₂CH₃. Нужно распознать функциональную группу и разделить молекулу на кислотную и спиртовую части. Название строят из названий этих частей.
Ответ: CH₃COOCH₂CH₃ — сложный эфир, этилэтаноат.
Запишите получение этилэтаноата из этановой кислоты и этанола и укажите условия. При этерификации от кислоты и спирта отщепляется вода. Поскольку реакция обратима, используют кислотный катализатор и нагревание.
Ответ: этилэтаноат получают этерификацией этановой кислоты этанолом в присутствии кислотного катализатора при нагревании.
Запишите гидролиз этилэтаноата в кислой и щелочной среде. Вначале определяем части эфира: этаноатную и этильную. Затем учитываем, что щёлочь превращает образующуюся кислоту в её соль.
Ответ: кислотный гидролиз обратим, щелочной практически необратим и называется омылением.
Сложный эфир иногда путают с карбоновой кислотой, потому что в обеих формулах есть C=O и атом кислорода. Ошибка возникает, если не проверить наличие связи O–H у карбоксильного углерода. В эфире такой связи нет: вместо неё находится –OR′.
Неверно разделять части сложного эфира, считая оба углеводородных остатка одинаковыми фрагментами. Кислотная часть обязательно включает карбонильный углерод и группу –COO–, а спиртовая присоединена к кислороду. Для проверки мысленно проведите границу по связи C(O)–O.
Этерификацию иногда записывают как необратимую реакцию. Причина — привычка воспринимать образование воды как окончательное превращение. Знак ⇄ напоминает, что вода гидролизует эфир обратно, а катализатор лишь ускоряет установление равновесия.
При щелочном гидролизе записывают кислоту и спирт вместо соли и спирта. Такая запись не учитывает реакцию кислоты с избытком щёлочи. Проверьте заряд и наличие катиона металла: правильный продукт содержит R–COO⁻Na⁺ или другую соль.
Для изучения производных нужны строение карбоксильной группы, а также номенклатура карбоновых кислот и спиртов. Эти знания позволяют распознавать фрагменты формул и составлять названия сложных эфиров.
Этерификация и гидролиз связаны с химическим равновесием, катализом и реакциями замещения. Понимание этих общих закономерностей объясняет обратимость процесса и различия в активности производных.
Сложные эфиры входят в состав жиров, а амидные связи важны для строения белков. Эти классы также встречаются при изучении полимеров и превращений органических веществ.
Чем сложный эфир отличается от карбоновой кислоты?
В карбоновой кислоте у карбонильного углерода находится группа –OH, а в сложном эфире она заменена на –OR′. Поэтому общий фрагмент сложного эфира имеет вид R–COO–R′, и связи O–H в карбоксильной группе нет.
Как определить, из какой кислоты и какого спирта образован сложный эфир?
Часть R–COO– называют по карбоновой кислоте, а группу R′–O– связывают с названием спирта. Например, CH₃COOCH₂CH₃ образован этановой кислотой и этанолом и называется этилэтаноатом.
Почему при получении сложного эфира устанавливается равновесие?
Этерификация обратима: сложный эфир и вода могут снова превращаться в кислоту и спирт. Поэтому в системе устанавливается химическое равновесие, а катализатор ускоряет достижение этого состояния, но не смещает его сам по себе.
Чем кислотный гидролиз сложного эфира отличается от щелочного?
При кислотном гидролизе образуются карбоновая кислота и спирт, а реакция обратима. При щелочном гидролизе получаются соль карбоновой кислоты и спирт; процесс обычно считают практически необратимым.
Как по структурной формуле отличить амид от сложного эфира?
В сложном эфире карбонильная группа соединена с кислородом: R–COO–R′. В амиде карбонильный углерод связан непосредственно с атомом азота: R–CONR′R″.
§ 10. Функциональные производные карбоновых кисло
