11.1. Общая характеристика

Определения и обозначения

Карбоновые кислоты — органические соединения, содержащие одну или несколько карбоксильных групп. Например, CH₃COOH относится к этому классу, потому что в его формуле есть −COOH. Это определение помогает отличать кислоты от других органических веществ и узнавать их по структурной формуле.

Карбоксильная группа — функциональная группа −COOH, объединяющая карбонильную группу C=O и гидроксильную группу −OH. Эти части связаны с одним и тем же атомом углерода и не рассматриваются в кислоте как два независимых заместителя. Обозначение −COOH указывает на особый фрагмент, который влияет на свойства всей молекулы.

Одноосновные карбоновые кислоты — кислоты с одной карбоксильной группой в молекуле. К ним относятся, например, этановая CH₃COOH и пропановая C₂H₅COOH кислоты. Подсчёт групп −COOH нужен, чтобы определить основность вещества и правильно классифицировать его.

Многоосновные карбоновые кислоты содержат две или более карбоксильных групп. В формуле HOOC−COOH можно насчитать две такие группы, поэтому это двухосновная кислота. Число групп помогает различать кислоты с похожими углеродными скелетами и предсказывать, сколько кислотных центров есть в молекуле.

Как это устроено

Карбоксильную группу считают единой функциональной группой, потому что входящие в неё C=O и −OH соединены через один атом углерода и взаимно влияют друг на друга. Если рассматривать их отдельно, нельзя правильно описать поведение всей группы: свойства −OH в кислоте отличаются от свойств гидроксильной группы спирта. Поэтому при распознавании класса ищут именно целый фрагмент −COOH, а не просто отдельную связь C=O или −OH.

Классифицировать кислоты можно по нескольким независимым признакам, потому что в молекуле важны и число кислотных групп, и строение остальной части. По числу групп −COOH кислоты бывают одноосновными и многоосновными; по строению углеводородного радикала — например, с неразветвлённой или разветвлённой цепью. Наличие двойных или тройных связей позволяет отличить непредельные кислоты от предельных, а ароматическое ядро — выделить ароматические кислоты. Такая классификация описывает разные особенности одной и той же молекулы.

У предельной одноосновной кислоты есть одна группа −COOH и открытая углеродная цепь без кратных связей. Если в такой молекуле всего n атомов углерода, подсчёт водорода в цепи вместе с атомами группы −COOH даёт формулу CₙH₂ₙO₂. Поэтому, например, для n = 3 получается C₃H₆O₂. Соседние вещества отличаются на один фрагмент −CH₂−: такой ряд называют гомологическим, а его члены — гомологами.

В международном названии выбирают самую длинную углеродную цепь, в которую входит углерод карбоксильной группы. Этот атом всегда получает номер 1, поэтому нумерация начинается со стороны −COOH, даже если так удобнее было бы считать с другого конца. Название образуют от соответствующего алкана, заменяя окончание на «-овая кислота»: три атома углерода дают пропановую кислоту. Если есть заместители или кратные связи, их положение указывают номерами, отсчитываемыми от карбоксильного углерода.

Связи внутри карбоксильной группы распределяют электронную плотность неравномерно, поэтому группа полярна: у её частей возникают участки с частичными зарядами. Полярные группы соседних молекул притягиваются и образуют водородные связи — взаимодействия между атомом водорода одной молекулы и атомом кислорода другой. Такие связи помогают небольшим кислотам взаимодействовать с водой и растворяться в ней. Для разделения молекул при кипении требуется больше энергии, поэтому температуры кипения карбоновых кислот сравнительно высоки.

Классификация карбоновых кислот

Чтобы пользоваться таблицей, сначала выберите признак, по которому требуется классифицировать вещество, а затем найдите его в формуле. Одна кислота может одновременно подходить под несколько строк: например, быть одноосновной, непредельной и неароматической. Пример в последнем столбце показывает, какой фрагмент формулы подтверждает выбранный вид.

Разбор задач

Определить класс и назвать вещества CH₃COOH, C₂H₅COOH и HOOC−COOH. В каждой формуле сначала найдём карбоксильные группы, затем посчитаем атомы углерода и определим основу названия. Углерод, входящий в −COOH, обязательно включаем в общее число атомов углерода цепи.

1. В CH₃COOH одна группа −COOH и два атома углерода всего. Это одноосновная предельная кислота; цепь из двух атомов даёт название этановая кислота.
2. В C₂H₅COOH одна группа −COOH, а всего три атома углерода. Это одноосновная предельная кислота с названием пропановая кислота.
3. В HOOC−COOH находятся две группы −COOH и два атома углерода. Это предельная двухосновная кислота, её международное название — этандиовая кислота.

Ответ: CH₃COOH — одноосновная этановая кислота; C₂H₅COOH — одноосновная пропановая кислота; HOOC−COOH — двухосновная этандиовая кислота. При подсчёте углеродной цепи карбоксильные атомы углерода не исключают. Именно число групп −COOH отличает последний пример от первых двух.

Записать структурные формулы и названия всех предельных одноосновных карбоновых кислот состава C₄H₈O₂. Формула совпадает с общей формулой CₙH₂ₙO₂ при n = 4, поэтому состав подходит предельной одноосновной кислоте. Чтобы найти все варианты, нужно проверить прямую и разветвлённую цепи из четырёх атомов углерода.

1. Выделяем группу −COOH; её углерод входит в число четырёх атомов. Оставшиеся три атома могут продолжать цепь без разветвления.
2. Получаем CH₃−CH₂−CH₂−COOH. Главная цепь содержит четыре атома, поэтому название вещества — бутановая кислота.
3. Рассматриваем разветвление: у атома углерода рядом с −COOH может быть метильный заместитель. Формула CH₃−CH(CH₃)−COOH соответствует 2-метилпропановой кислоте.

Ответ: CH₃CH₂CH₂COOH — бутановая кислота; CH₃CH(CH₃)COOH — 2-метилпропановая кислота. Других вариантов углеродного скелета из четырёх атомов для предельной одноосновной кислоты нет. Обе кислоты являются структурными изомерами: состав у них одинаков, а соединение атомов различается.

Для пропановой кислоты составить уравнения реакций с гидроксидом натрия и этанолом. В первом случае проверяем кислотные свойства группы −COOH: кислота должна нейтрализовать основание с образованием соли и воды. Во втором случае кислота реагирует со спиртом, образуя сложный эфир; такую реакцию называют этерификацией.

1. Записываем формулу пропановой кислоты CH₃CH₂COOH и добавляем NaOH. В соли водород кислотной группы заменяется на натрий.
2. Уравнение нейтрализации: CH₃CH₂COOH + NaOH → CH₃CH₂COONa + H₂O. Коэффициенты равны единице, число атомов каждого элемента сохраняется.
3. Для этерификации соединяем кислоту CH₃CH₂COOH с этанолом C₂H₅OH; отщепляются вода и образуется эфир CH₃CH₂COOC₂H₅.

Ответ: CH₃CH₂COOH + NaOH → CH₃CH₂COONa + H₂O; CH₃CH₂COOH + C₂H₅OH ⇄ CH₃CH₂COOC₂H₅ + H₂O. Во втором уравнении знак ⇄ показывает обратимость реакции; обычно её проводят при нагревании в присутствии кислотного катализатора. Название полученного эфира — этилпропаноат.

Типичные ошибки

Ошибка: считать карбоксильную группу только гидроксильной и не замечать карбонильную часть. Её допускают, когда в записи −COOH мысленно выделяют лишь −OH, как в спирте. Проверьте, связан ли тот же углерод двойной связью с кислородом: если да, перед вами группа −COOH, а не спиртовая гидроксильная группа.

Ошибка: начинать нумерацию цепи с конца, который кажется удобнее, а не с карбоксильного углерода. Так могут ошибочно указать положение заместителя и получить неверное название. Найдите атом углерода группы −COOH и присвойте ему номер 1, после чего проверьте нумерацию всех остальных атомов.

Ошибка: не включать углерод карбоксильной группы в число атомов главной цепи. Причина обычно в том, что этот атом записан внутри условного обозначения COOH и его легко пропустить. Пересчитайте все атомы углерода в структурной формуле, включая карбоксильный: именно общее число определяет основу названия кислоты.

Ошибка: объявлять любое вещество состава CₙH₂ₙO₂ карбоновой кислотой, не проверив строение. Одинаковую молекулярную формулу могут иметь соединения других классов, например сложные эфиры. Для проверки найдите именно фрагмент −C(=O)OH; одна только молекулярная формула класс вещества не устанавливает.

Связь с другими темами

Для этой темы пригодятся знания о строении органических молекул, функциональных группах, гомологических рядах и правилах номенклатуры. Если уверенно читать структурные формулы и считать атомы в цепи, легче классифицировать и называть кислоты. Понимание карбоксильной группы станет основой для изучения их химических свойств и реакций.

Дальше свойства карбоновых кислот помогут разобраться в образовании сложных эфиров и строении жиров. Эти вещества важны не только в органическом синтезе, но и в биологических процессах. Поэтому умение распознавать группу −COOH связывает общую органическую химию с химией веществ живых организмов.

Что запомнить

• Главная функциональная группа карбоновых кислот — карбоксильная группа −COOH.
• Карбоксильная группа состоит из карбонильной и гидроксильной групп.
• Число карбоксильных групп определяет основность кислоты.
• Для предельной одноосновной карбоновой кислоты общая формула — CₙH₂ₙO₂.
• Нумерацию цепи начинают с углерода карбоксильной группы.
• Карбоновые кислоты образуют водородные связи, поэтому имеют сравнительно высокие температуры кипения.
• Карбоновые кислоты классифицируют по числу карбоксильных групп и строению углеводородного радикала.