§ 11. Многообразие карбоновых кисло

Определения и обозначения

Карбоновая кислота — органическое вещество, молекула которого содержит одну или несколько карбоксильных групп –COOH. В общем виде одноосновную кислоту записывают как R–COOH, где R — углеводородный радикал. По этой записи легко найти функциональную группу и отделить её от остальной части молекулы.

Одноосновная и многоосновная карбоновые кислоты различаются числом карбоксильных групп. Одна группа –COOH означает одноосновную кислоту, две или больше — многоосновную. Этот признак показывает, сколько атомов водорода в карбоксильных группах может участвовать в реакциях замещения.

Предельная карбоновая кислота имеет в углеводородном радикале только одинарные связи между атомами углерода. Непредельная кислота содержит в этой части молекулы хотя бы одну двойную или тройную связь. Поэтому при классификации проверяют именно радикал, а не двойную связь C=O внутри карбоксильной группы.

Ароматические карбоновые кислоты содержат карбоксильную группу, соединённую с ароматическим углеводородным радикалом. Простейший пример — бензойная кислота C₆H₅–COOH. Такое определение позволяет отличить ароматический характер радикала от основности: одна карбоксильная группа делает кислоту одноосновной.

Как это устроено

Карбоксильная группа –COOH образована двумя связанными фрагментами: карбонильной группой >C=O и гидроксильной группой –OH. Один и тот же атом углерода входит в обе части, поэтому группа обладает особым строением и проявляет кислотные свойства. Наличие сразу карбонильного и гидроксильного фрагментов отличает карбоксильную группу от обычного спиртового –OH.

Кислоты классифицируют по нескольким независимым признакам, потому что строение молекулы можно описывать с разных сторон. Число групп –COOH показывает основность, состав и строение радикала — тип углеводородной части, а кратные связи уточняют её насыщенность. Благодаря этому одна молекула может одновременно быть, например, непредельной и многоосновной.

Для предельных одноосновных кислот применяют общую запись CₙH₂ₙ₊₁COOH. Здесь CₙH₂ₙ₊₁ — радикал, а атом углерода карбоксильной группы записан после него отдельно. Если в радикале появляется двойная или тройная связь, формула и свойства изменяются; циклический или ароматический радикал также выделяет кислоту в особую группу.

Изменение длины цепи меняет название кислоты: CH₃COOH — этановая, CH₃CH₂COOH — пропановая, CH₃CH₂CH₂COOH — бутановая. Разветвление создаёт другой углеродный скелет, например 2-метилпропановую кислоту (CH₃)₂CHCOOH. Появление двойной связи приводит к названию непредельной кислоты, например бут-2-еновой для CH₃CH=CHCOOH.

Многообразие карбоновых кислот возникает не из-за изменения самой функциональной группы, а из-за разных радикалов и их сочетаний с разным числом групп –COOH. Радикал может быть коротким или длинным, разветвлённым, циклическим, ароматическим или содержать кратную связь. Поэтому классификационные признаки нужно применять вместе, не смешивая их между собой.

Классификация карбоновых кислот по строению

При работе с таблицей сначала найдите группы –COOH и определите основность. Затем рассмотрите радикал: наличие кратной связи укажет на непредельность, а бензольное кольцо — на ароматический характер.

Одна кислота может соответствовать сразу нескольким характеристикам. Например, HOOC–CH=CH–COOH является одновременно многоосновной и непредельной.

Разбор задач

Задача 1

Определите, к какому типу относится CH₃CH₂COOH, и укажите число карбоксильных групп. Сначала отделим функциональную группу от радикала. Затем проверим строение оставшейся углеводородной части.

1. В конце формулы находим –COOH, значит, в молекуле одна карбоксильная группа.
2. Оставшийся радикал CH₃CH₂ содержит только одинарные связи, поэтому он предельный.
3. Одна группа –COOH означает одноосновность, а отсутствие кратных связей — предельность.

Ответ: CH₃CH₂COOH — предельная одноосновная карбоновая кислота, пропановая кислота. Число карбоксильных групп равно 1.

Задача 2

Составьте формулы предельной и непредельной одноосновных кислот с четырьмя атомами углерода и назовите их. Общее число атомов углерода считают вместе с атомом углерода карбоксильной группы. Поэтому в радикале должно остаться три атома углерода.

1. Для предельной кислоты соединяем радикал C₃H₇ с –COOH: CH₃CH₂CH₂COOH.
2. Цепь содержит четыре атома углерода, а между ними только одинарные связи.
3. Для непредельной кислоты вводим двойную связь в углеводородную часть: CH₃CH=CHCOOH.
4. Нумерацию начинают с карбоксильного углерода, поэтому двойная связь находится у второго атома цепи.

Ответ: CH₃CH₂CH₂COOH — бутановая кислота, предельная одноосновная; CH₃CH=CHCOOH — бут-2-еновая кислота, непредельная одноосновная.

Задача 3

Для вещества HOOC–CH=CH–COOH определите тип кислоты по числу карбоксильных групп и строению углеводородной части. В формуле две группы –COOH, расположенные по краям цепи. Между углеродами радикала есть двойная связь.

1. Считаем группы –COOH: их две, следовательно, кислота многоосновная, точнее двухосновная.
2. Проверяем центральную часть –CH=CH–: двойная связь показывает непредельность.
3. Соединяем признаки: вещество относится к непредельным многоосновным карбоновым кислотам.

Ответ: HOOC–CH=CH–COOH — непредельная двухосновная кислота; её признаки — две карбоксильные группы и двойная связь в углеводородной части.

Типичные ошибки

Ошибка: считать углерод карбоксильной группы частью углеводородного радикала. Так получают неверную длину цепи, потому что этот атом входит в общий состав молекулы, но относится к группе –COOH. Проверка: сначала выделите –COOH, а затем считайте атомы радикала.

Ошибка: называть кислоту предельной из-за отсутствия двойной связи вне карбоксильной группы. Связь C=O в самой группе –COOH есть всегда и не определяет предельность радикала. Проверка: ищите кратные связи только между атомами углерода углеводородной части.

Ошибка: связывать одноосновность с числом атомов водорода. Основность определяют не по составу всей молекулы, а по числу карбоксильных групп. Проверка: обведите каждую группу –COOH и пересчитайте их.

Ошибка: считать любую кислоту с ароматическим кольцом многоосновной. Ароматичность описывает радикал, а основность — количество групп –COOH, поэтому бензойная кислота остаётся одноосновной. Проверка: применяйте эти признаки независимо.

Связь с другими темами

Для понимания классификации нужны знания о строении углеводородов, одинарных и кратных связях и функциональных группах. Эти признаки затем используют в номенклатуре, при разборе изомерии, свойств и способов получения кислот.

Строение карбоновых кислот важно при изучении жиров, аминокислот и других веществ с группой –COOH. Различия радикалов помогают объяснить, почему соединения с одной функциональной группой имеют разные свойства и области применения.

Что запомнить

• Общий структурный признак карбоновых кислот — карбоксильная группа –COOH.
• Одноосновные кислоты содержат одну группу –COOH, многоосновные — две или более.
• Предельность кислоты определяется строением углеводородного радикала.
• Наличие кратной связи в углеводородной части означает, что кислота непредельная.
• Ароматические кислоты содержат ароматический радикал, связанный с карбоксильной группой.
• При подсчёте атомов углерода в молекуле учитывают и атом углерода группы –COOH.