Гарифуллина Л.И. - Адельшинская средняя

Секция: химия
Исследовательская работа
Карбоновые кислоты
Гарифуллина Лейсан
Адельшинская средняя школа, 10 класс.
Научный руководитель:
Шагивалеева Г. Ш.
Чистополь 2007
1
Зайдём в аптеку
В аптеке продаётся аспирин разных марок и в разных формах. Какой аспирин лучше?
Давайте разберемся.
Производством лекарств занимается фармацевтическая промышленность – также отрасль
химической промышленности. В истории фармацевтики можно выделить три основных
этапа.
Первый этап – исследование разнообразных природных лекарственных средств. Получение
всевозможных вытяжек, экстрактов, концентратов из природных источников – растений и
животных. На этом этапе химия работала в основном, как наука о разделении смесей. Кстати,
история аспирина начиналась с изучения экстрактов, содержащихся в коре ивы. Дело в том,
что уже в середине ХVIII века кора ивы была широко известным народным средством от
простуды.
Второй этап развития фармацевтики – создание синтетических лекарственных препаратов,
подобных натуральным. Применительно к аспирину история развивалась так. В 1829 году
французскому фармацевту Леру удалось получить из коры ивы кристаллическое вещество,
которое он назвал салицином ( от латинского названия ивы). Уже в 1874 году в Дрездене
была основана фабрика по производству синтетического салицина исходя из фенола,
углекислого газа и натрия.
Третий этап развития фармацевтики – создание принципиально новых синтетических
лекарственных препаратов, не имеющих аналогов в природе. Например, в конце XIX века
один из сотрудников химической фабрики «Байер» в Германии случайно обнаружил, что
одно из производных салицина – ацетил салициловая кислота является более эффективным,
и более безвредным противовоспалительным средством.
По своему химическому составу ацетилсалициловая кислота является сложным эфиром,
образованным салициловой и уксусной кислотами.
СООН
СООН
ОН
Салициловая кислота
О–СОСН3
ацетилсалициловая кислота
В 1899 году фирма «Байер» начала массовый выпуск нового препарата – ацетилсалициловой
кислоты в качестве анальгезирующего, жаропонижающего и противовоспалительного
средства. Препарату присвоили название «аспирин». Аспирин иногда называют препаратом
ХХ века, поскольку он родился вместе с веком и стал одним из самых популярных
препаратов.
Аспирин сегодня выпускает множество фармацевтических фирм. Однако совсем недавно в
судебном порядке было признано, что слово «аспирин» является не химическим понятием, а
торговой маркой фирмы «Байер», а потому теперь только её продукция носит это название.
Широко известный шипучий аспирин французской фирмы УПСА теперь поступает в
продажу под названием «упсарин».Если посмотреть на состав этого препарата, то помимо
ацетилсалициловой кислоты в нём содержится также гидрокарбонат натрия и лимонная
кислота. Именно они делают таблетки шипучими. При растворении в воде гидрокарбонат
реагирует с кислотой с выделением углекислого газа. Отечественная фармацевтическая
промышленность выпускает аспирин
2
под названием «ацетилсалициловая кислота». В принципе все эти препараты химически
идентичны.
Органические кислоты и их производные.
Появление еще одной связи атома углерода с кислородом создает новую функциональную
группу карбоксил – СООН, которая проявляет кислотные свойства. Вещества, содержащие
эту группу, называют органическими или карбоновыми кислотами. Даже наиболее слабые из
органических кислот – предельные одноосновные кислоты – по силе лишь немного уступают
плавиков плавиковой кислоте и сильнее сероводорода. При наличии в молекуле кислоты
кратных связей и других функциональных групп кислотные свойства усиливаются. Свойства
карбоксильной группы связаны с мезомерным эффектом двух атомов кислорода.
Карбонильный кислород оттягивает на себя электроны П- связей, а кислород гидросильной
группы передают свободную электронную пару на образование связей с углеродом. Это
приводит к смещению электронов о-связи от водородов к кислороду:
// О
–С
\
ОН
Однако увеличение полярности связей О–Н – не главная причина усиления кислотных
свойств карбоксила. Мезомерный эффект обеспечивает дальнейший отток электронной
плотности от гидроксильного кислорода при потере протона. Ионизированный
карбоксильной группе п-связь и избыточный заряд делокализуются, и за счет этого
уменьшается возможность обратного присоединения протона:
/О
–С \
О
Наличие гидроксила в составе карбоксильной группы препятствует реакция нуклеофильного
присоединения водородосодержащих молекул по двойной связи С=О (как в альдегидах), так
как за стадией присоединения следует отщепление молекулы воды. Вместо реакции
присоединения кислотам свойственны реакции нуклеофильного замещения SN.
Органические кислоты способны превращаться в различные функциональные производные
как в результате замещения водорода(соли),так и в результате замещения гидроксила
(сложные эфиры, ангидриды, галогеноангидриды, амиды).
Практическое применение органических кислот и их производных еще шире, чем
применение спиртов и оксосоединении. Очень интересна биологическая роль кислот и в
особенности гетерофункциональных кислот.
В качестве основы класса карбоновых кислот можно рассматривать гомологический ряд
предельных одноосновных (монокарбоновых) кислот с общей формулой СnH2nO2:
n=1, HCOOH – муравьиная кислота (метановая кислота)
n=2, СН3СООН – уксусная кислота (этановая кислота)
n=3, С2Н5СООН – пропионовая кислота
n=4, С3Н7СООН – масляная кислота
n=5, С4Н9 СООН – валериановая кислота
n=6, С5Н11СООН – капроновая кислота
n=14, С13Н27СООН – миристиновая кислота
n=16, С15Н31СООН – пальмитиновая кислота
n=18, С17Н35СООН – стеариновая кислота
Есть также гомологические ряды двухосновных, непредельных, ароматических кислот и
др. Некоторые из них-хорошо известные вещества. Они содержаться в листьях растении,
3
участвуют в процессах превращения веществ в клетках живых организмов, применяются
для производства полимеров и в качестве лекарств.
Некоторые гомологические ряды и примеры органических кислот
Ряды
Примеры
кислот
Двухосновные (дикарбоновые) щавелевая
Малоновая
Янтарная
Глутаровая
Одноосновные непредельные
Акриловая
Метакриловая
Олеиновая
Линолевая
Линоленовая
Ароматические
Бензойная
Фталевые
Формула
НООС – СООН
НООС – СН2 – СООН
НООС – (СН2)2 – СООН
НООС – (СН2)3 – СООН
СН2=СН – СООН
СН2=С(СН3) – СООН
С8Н17СН=СН(СН2)7 – СООН
С17Н31СООН
С17Н29СООН
С6Н5 – СООН
С6Н4 – (СООН)2
Некоторые двухосновные и непредельные кислоты значительно сильнее, чем уксусная
кислота и ее гомологи. Из кислот самая сильная – щавелевая кислота. Двойные связи
карбоксильных групп здесь сопряжены, и этим обеспечивается более сильная делокализация
отрицательного заряда в остатке кислоты после диссоциации иона водорода.
Первые члены гомологических рядов кислот хорошо растворимы в воде. Некоторые
кислоты (уксусная, муравьиная) неограниченно смешиваются с водой. Уксусную кислоту
используют для консервирования пищевых продуктов и как приправу. Но это не означает,
что органическая кислота безвредна и безопасна. Безводная(«ледяная») уксусная кислота при
попадании но кожный покров быстро проникает вглубь и оставляет на коже долго
незаживающие язвы. Она опаснее, чем серная кислота.
Карбоксильная группа образует водородные связи не только с водой, но и с другой
карбоксильной группой:
// O
–H–O
\
R–C
C–R
O–H–O
При переходе к высшим членам гомологических рядов растворимость кислот постепенно
уменьшается и появляется свойство поверхностной активности.
Получение. Изучая свойства углеводородов и альдегидов, мы уже узнали некоторые
реакции образования кислот. Это каталитическое окисление бутана, окисление алкинов и
альдегидов.
В мире ежегодно производится до 4 млн т уксусной кислоты. В этом производстве
наибольшее значение имеет окисление бутана (и пентана) и ацетальдегида. Пищевую
уксусную кислоту получают уксуснокислым брожением этанола.
Натриевая соль муравьиной кислоты получается из неорганических веществ:
\
//
p, t
CO + NaOH = HCOONa
Затем выделяют муравьиную кислоту перегонкой с H2SO4. При наличии готовых солей из
них получают и другие кислоты.
Общим методом получения кислот является оксосинтез- присоединение оксида углерода
(II) к спиртам в присутствии кобальта:
Co
R – OH + CO = R – COOH
Уже известные нам реактивы Гриньяра могут быть применены и для получения кислот:
4
эфир
R – MgI + CO2 = R – COOMgI H+ R – COOH
Высшие карбоновые кислоты получают гидролизом жиров.
Химические свойства. Карбоновые кислоты обратимо диссоциируют в растворах и
проявляют все общие свойства кислот. В реакциях с основаниями, основными оксидами,
карбонатами и подобными им солями образуются соли карбоновых кислот. Соли низших
членов гомологических рядов представляют собой кристаллические вещества, растворимые
в воде. У солей гексановой и следующих за ней кислот появляется свойство поверхностной
активности. Кроме того, длины углеводородный радикал препятствуют кристаллизации
вещества, и оно оказывается в особом состоянии, известном как мыло. В нем имеются
двойные слои, объединяющие солевые группы – СООМ (М=Na+, K+) и углеводородные
радикалы.
Двойные слои (мицеллы) мыла.
О
– солевая группа – С
О
– М+
– углеводородный радикал
Соли органических кислот имеют названия, часто не совпадающие с русскими названиями
кислот:
Кислота
Муравьиная
Уксусная
Пропионовая
Масляная
Щавелевая
Янтарная
Название солей
Формиаты
Ацетаты
Пропионаты
Бутриаты
Оксалаты
Сукцинаты
Ионы многоосновных органических кислот и металлов с зарядом +2 и более образуют
комплексные соединения:
3K2C2O4 + FeCl3 = K3[Fe(C2O4)3] + 3KCl
Это вещество выделяется из насыщенного раствора в виде салатно-зеленых кристаллов,
темнеющих под действием света.
Муравьиная и щавелевая кислоты отличаются от других карбоновых кислот отсутствием
углеводородных радикалов. Они проявляют восстановительные свойства:
HCOOH + 2[Ag(NH3)2]OH = NH4HCO3 + 2Ag + 3NH3 + H2O
5H2C2O4 +2 KMnO4+ H2SO4 = 10CO2 + 2 MnSO4 + 8 H2O +K2SO4
Муравьиная кислота неустойчива сама по себе и медленно разлагается по реакции:
5
HCOOH = CO + H2O
В присутствии концентрированной серной кислоты эта реакция идет быстро и
применяется для получения оксида углерода в лаборатории.
Радикалы карбоновых кислот также могут участвовать в химических реакциях. В
радикалах предельных кислот наиболее реакционноспособен углеродный атом, связанный с
карбоксильной группой, или а-углерод. Хлор или бром замещают водород в а-положении в
присутствии красного фосфора:
CH3 – CH2 – COOH + Br2 = CH3 – CH – COOH + HBr
I
Br
Галогензамещенные кислоты проявляют более сильные кислотные свойства, чем исходные
карбоновые кислоты, например:
СН3СООН < CH2ClCOOH < CHCl2COOH < CCl3COOH
Реакции нуклеофильного замещения SN. Карбоновые кислоты реагируют со спиртами в
присутствии сильной кислоты (H2SO4):
R–COOH + R’–OH
R–COO–R’ + H2O
Это реакция этерификации, продуктами которой являются сложные эфиры – летучие
вещества, чатто имеющие приятный запах. Их применяют в качестве эссенции в пищевой
промышленности. Так, сложный эфир масляной кислоты и этанола (этилбутират) имеет
запах ананаса, а еще лучше сказать- придает ананасу запах ананс. Используются разные
системы названии сложных эфиров. По систематической номенклатуре они составляются
подобно названию соли с обозначением углеводородного радикала R, в виде приставки. По
традиционной системе берутся названия кислоты и спирта с добавлением слова эфир.
Общие формулы гомологических рядов сложных эфиров и карбоновых кислот совпадают.
Поэтому при одинаковом числе атомов углерода кислота и сложный эфир оказываются
изомерами. Так, этилацетат и масляная кислота - изомеры с формулой C4H8O2. На этой паре
веществ можно сравнить летучесть кислот и эфиров:
Этилацетат
СН3СООС2Н5
t кип = 77,1 ` C
Масляная кислота
С3Н7СООН
t кип = 163,5 ` C
Своей летучестью сложные эфиры похожи на простые эфиры. Поэтому оба класса веществ
и получили близкие названия. Но сложные эфиры отличаются более выраженной
обратимостью реакции этерификации и быстрым гидролизом в присутствии щелочи.
Реакцию сложного эфира со щелочью называют омылением.
СН3СООС2Н5 + NaOH = CH3COONa + C2H5OH
Этерификация может приводить к образованию полимеров, называемых полиэфирами. Для
получения полиэфира берут двухосновную кислоту и двухатомный спирт. Большое
распространение получил полимер n –фталевой (терефталевой) кислоты с этиленгликолем:
НОСН2СН2О – Н + НО – ОСС6Н4СО – ОН + Н – ОСН2СН2ОН + …= НОСН2СН2О ОС6Н4СО – ОСН2СН2О – +…+ 2Н2О
Волокно, изготовленное на его основе, называют лавсаном. *Лавсан – сокращение от
«лаборатория высокомолекулярных соединений академии наук»
Исследователей интересовал вопрос: в каком веществе идёт замещение гидроксильной
группы при этерификации – в кислоте или спирте? Это удалось установить, когда был
поставлен опыт по этерификации кислоты спиртом, обогащенным стабильным изотопом
кислорода 18О:
СН3СООН + С2Н518ОН = СН3СО18ОС2Н5 + Н2О
СЛОЖНЫЙ ЭФИР
6
Оказалось, что «меченый» атом кислорода переходит в состав эфира. Очевидно, что
гидроксильная группа замещается в кислоте. Таким образом, этерификация – это реакция
нуклеофильного замещения на углероде карбоксильной группы:
/O
/ Н
R–C
+ Н+ + :О
\
\
ОН
R’
кислота
катализатор
спирт
Н–О\
/
С+
R
Н–О\
/
+
\
\
OH
О \ –R’
С
H
R / \ OH
/
Н
:О
/
R’
O– R’
R–C
\\
O
+ H+ + H2O
сложный эфир
Сложные эфиры относят к функциональным производным карбоновых кислот. Ещё две
разновидности функциональных производных получаются при реакциях карбоновых кислот
с галогенидами и оксидом фосфора (V). В обоих случаях в карбоксильной группе замещается
гидроксил:
// O
//O
R–C
+ PCl5
R–C
+ POCl3 + HCl
\
\
O
Cl
//O
//
2R – C
\
R–C\
O
+ P2O5
O
/O
+ 2HPO3
R–C
\\
O
Ангидриды и галогенангидриды – очень реакционноспособные вещества, позволяющие
ацилировать разнообразные молекулы, т.е. вводить и в ацил. Взяв этилат натрия и
ацетилхлорид (хлорангидрид уксусной кислоты), получим сложный эфир:
С2Н5ОNa + CH3CO – Cl = CH3CO – OC2H5 + NaCl
При реакции хлорангидридов кислит с аммиаком получается ещё одна разновидность
функциональных производных – амиды кислот:
7
Опыт № 1. «Проверка наличия фенола в составе «Аспирина»
№ пробирок
1.
Соотношение раствора ацетилсалициловой
кислоты и воды
2:4
2:3
2.
2:2
3.
4.
2:1
8
Результаты
1 бит. Вводная часть
1. Значение аспирина
2. Здоровье человека
3. Лекарства яхшысы , начары
4. значение работы (Поисковая исследовательская)
Предпоследний бит
1.
2.
Выводы
Чему привело наша работа, Результат
Сонгы бит
1. Использованная литература - бар
8681 паблик Гульчачак , открытые уроки, спирты
9
10