3.2: Органічні кислоти та основи та механізм органічної реакції

Кислоти, про які ми говорили в загальній хімії, зазвичай відносяться до неорганічних кислот, таких як HCl, H ₂ SO ₄, HF і т.д. якщо структура кислоти містить «вуглецеву» частину, то це органічна кислота. Органічні кислоти здають протони так само, як і неорганічні кислоти, однак структура може бути більш складною через природу органічних структур. Карбонова кислота, із загальною формулою R-COOH, є найпоширенішою органічною кислотою, з якою ми знайомі. Оцтова кислота (СН ₃ СООН), інгредієнт оцту, є простим прикладом карбонової кислоти. К _а оцтової кислоти становить 1,8×10 -5 . Ще однією поширеною органічною кислотою є органічне похідне сірчаної кислоти H ₂ SO ₄. Заміна однієї групи OH в H ₂ SO ₄ на вуглецевмісну R (алкіл) або Ar (ароматичну) групу призводить до органічної кислоти під назвою «сульфонова кислота», із загальною формулою RSO ₃ H, або ArSO ₃ H. Сульфонова кислота є сильною органічною кислотою з К _а в діапазоні 10 6 . Структура специфічного прикладу сульфонової кислоти під назвою р -толуенсульфонова кислота показана тут: Малюнок 3.1a CH3C6H4SO3H Тозилова кислота Крім згаданих тут кислот, технічно будь-яка органічна сполука може бути кислотою, оскільки органічні сполуки завжди мають атоми водню, які потенційно можуть бути пожертвані як H + . Лише кілька прикладів показані тут з атомами водню, виділеними синім кольором: Тому сфера застосування кислот була розширена, щоб бути набагато ширшою в контексті органічної хімії. Ми будемо мати подальші обговорення кислотності органічних сполук у розділі 3.3, і ми побачимо більше кислотно-лужних реакцій, застосованих до органічних сполук пізніше в цьому розділі.

3.2.2 Органічні основи

• Негативно заряджені органічні основи: RO — (алкілоксид), RNH — (амід), R — (алкід, кон’югатна основа алкану). Оскільки негативно заряджені основи мають високу електронну щільність, то зазвичай вони є більш міцними основами, ніж нейтральні.

• Нейтральні органічні основи, наприклад амін, група C = O та група C = C
  • Амін: RNH ₂, R ₂ NH, R ₃ N, RNH ₂ тощо (розділ 2.3). Як органічні похідні NH ₃, що є неорганічною слабкою основою, аміни є органічними слабкими основами з одинокими парними електронами на N, які здатні приймати протон.
  • • Функціональні групи, що містять атоми кисню: карбонільна група C = O, спирт R-OH, ефір R-O-R. Самотня пара електронів на O в цих групах здатні приймати протон, тому функціональні групи, такі як альдегід, кетон, алкоголь та ефір, є органічними основами. Можливо, не так просто прийняти цю концепцію спочатку, тому що ці групи насправді не схожі на основи. Однак вони є основами відповідно до визначення, оскільки вони здатні приймати протон з самотньою парою на атомі кисню.

    Тут ми візьмемо реакцію між ацетоном і H + як приклад, щоб глибоко зрозуміти реакцію, вивчивши механізм реакції, і навчимося використовувати вигнуті стрілки, щоб показати її .

    Механізм реакції – це покроковий процес перенесення електронів, який перетворює реагенти в продукти. Вигнуті стрілки використовуються для ілюстрації механізму реакції. Вигнуті стрілки завжди повинні починатися у електронів, а закінчуватися в місці, яке приймає електрони. Вигнуті стрілки, що використовуються тут, схожі на ті, що використовуються для резонансних структур (розділ 1.4), але не зовсім однакові. Зверніть увагу, що в резонансних структурах вигнуті стрілки використовуються для того, щоб показати, як електрони переносяться всередині молекули, приводячи до іншої резонансної структури. Для цілей механізму повинні бути стрілки, що з’єднують між видами.

    Примітки для вищевказаного механізму:

    • Для кислотно-лужної реакції між групою C = O і протоном стрілка починається від електронної пари на O, і вказує на H + , яка приймає електронну пару. В результаті руху цієї електронної пари утворюється новий O-H зв’язок.
    • У цій кислотно-лужної реакції кетон протонується Н + , тому цю реакцію також можна назвати « протонацією кетону ».
    • Продукт протонації називається «оксонієвим іоном», який стабілізується іншою резонансною структурою – карбокатіоном.
    • • Алкен (C = C): Хоча в зв’язку C = C алкену немає одиноких парних електронів, π електрони подвійного зв’язку C = C здатні приймати протон і діяти як основа. Наприклад:

      Приклад: Органічна кислота та реакція основи

      Передбачте та намалюйте продукти наступної реакції та використовуйте вигнуту стрілку, щоб показати механізм.

      Підхід: Якщо H + є кислотою, як в попередніх прикладах, досить легко передбачити, як буде протікати реакція. Однак, якщо немає очевидної кислоти (або основи), як у цьому прикладі, як визначити, яка кислота, а яка є основою?

      Метанол CH ₃ OH є нейтральним, а інший реагент, NH ₂ – , є негативно зарядженим амідом. Амід з негативним зарядом має більш високу електронну щільність, ніж нейтральний метанол, тому амід NH ₂ — повинен виступати в якості основи, а CH ₃ OH – кислота, яка дарує H + .

      Рішення:

      Передбачте та намалюйте продукти наступної реакції та використовуйте вигнуту стрілку, щоб показати механізм.

      Поширеність кислот у природі

      Випиваючи кухоль улюбленого апельсинового соку, я недавно задумався: “А звідки в апельсині береться кислота? І які кислоти взагалі існують?” Пошук відповіді не зайняв у мене занадто багато часу, благо у мене багато різноманітної літератури. Сама тема кислот і їх різноманітності виявилася цікавішою, ніж я думав. І саме про цю речовину мені хотілося б зараз розповісти. Про роль кислот в житті людини знаю досить багато. Розповім про ті кислоти, що зустрічаються в природі, а також про ті, що є найбільш важливими з медичної точки зору.

      Де кислоти зустрічаються в природі?

      • лимонні кислоти;
      • щавлеві кислоти;
      • яблучні кислоти.

      Крім цього, існують кислоти, що утворюються в організмах тварин та комах. Зокрема – мурах. У них є особлива кислота – «мурашина», яку комахи застосовують в оборонних цілях.

      Органічні кислоти

      Однак найбільшу важливість для життя на нашій планеті становлять органічні кислоти, що грають особливо важливу роль в життєвому циклі. Основою людини є клітини, що складаються з протеїну і білків, тому нам необхідно харчуватися для заповнення запасу цих речовин. Однак для харчування важливі лише ті білки, що містять амінокислоти. Але що таке амінокислоти? Існує понад 165 видів, однак цінність для організму представляють лише 20, що виступають в якості основної структурної одиниці кожної клітини.

      Наше тіло здатне синтезувати всього 12, природно, за умови хорошого харчування. Решту 8 неможливо синтезувати, а тільки отримати ззовні:

      • валін – підтримує обмін сполук азоту. Молочні продукти, а також гриби;
      • лізин – головне призначення – засвоєння, розподіл кальцію в організмі. М’ясо, а також хлібобулочні вироби;
      • фенілаланін – підтримує діяльність мозку і циркуляцію крові. Присутній в яловичині, сої та сирі;
      • триптофан – один з ключових компонентів судинної системи. Овес, банани і фініки;
      • треонін – грає роль в імунній системі, регулює роботу печінки. Молочні продукти, курячі яйця;
      • метіонін – зміцнення серцевого м’яза. Присутній в бобах, яйцях;
      • лейцин – сприяє відновлення кісток і м’язів. У достатку міститься в горіхах і рибі;
      • ізолейцин – визначає рівень цукру в крові. Насіння, печінка, курка.

      При дефіциті однієї кислоти організм не в змозі синтезувати необхідний білок, а значить, змушений відбирати необхідні елементи з інших білків. Це призводить до загального дизбалансу, що переростає в захворювання, а в дитячому віці викликає розумові та фізичні вади.

      Кислоти знаходять застосування в різних областях:

      • медицині;
      • косметології;
      • харчової промисловості;
      • при виробництві побутової хімії.

      Можуть виступати в ролі харчових добавок. Вивчивши етикетку, в складі багатьох продуктів ви побачите лимонну кислоту.

      Нікотинова кислота (ніацин) – вітамін. Міститься в буряку, квасолі, печінці, грибах і т.д. Варто згадати і користь аскорбінової кислоти.

      Саліцилова кислота використовується як антисептичний і косметичного (допомагає від прищів – перевірено) засобу. А вперше знайшли і виділили її з кори верби.

      Окремо варто виділити і молочну кислоту. Саме вона дає кефіру кислуватий смак. А утворюється при скисанні молочних продуктів, капусти, вина і так далі. Такі кислоти є типовими прикладами органічних кислот.

      Але крім органічних, про які йшла мова вище, в світі є і неорганічні кислоти. Напевно, багато хто пам’ятає їх з уроків хімії.

      Подібні кислоти можна отримати при проведенні хімічних дослідів, неорганічні кислоти лежать в основі мінеральних джерел. Взагалі, вони мають дуже широке застосування в сучасній промисловості та побуті. Без кислот просто не можна уявити життя людини, дуже вже великий круг їх застосування.

      Список органічних кислот з назвами та формулами

      У навколишньому світі велике значення має такий клас хімічних сполук, як органічні кислоти. Список цих речовин включає в себе карбонові і сульфонові сполуки.

      Перші характеризуються наявністю в складі карбоксилу, а другі включають в себе сульфогрупу. Загальною для них є здатність до прояву кислотних властивостей, завдяки яким вони взаємодіють з оксидами, гідроксидами, солями, спиртами і деякими металами.

      Карбонові кислоти

      З’єднання називається карбоновим, якщо в ньому міститься карбоксильна група – COOH, утворена з карбонільної – COH (також її називають альдегідної) і гідроксильної-OH (або спиртової). Усередині цього типу речовин існує своя класифікація в залежності від кількості функціональних груп:

      • якщо вона одна — кислота вважається одноосновною;
      • якщо дві і більше – багатоосновною.

      Отже, одноосновні кислоти містять лише одну функціональну групу COOH. Назва речовини складається за систематичною номенклатурою, але не менш широко використовуються тривіальні найменування, що не відображають інформацію про його склад і будову, але закріпилися історично.

      Наприклад, одна з найвідоміших органічних речовин записується формулою CH3COOH. За номенклатурою ІЮПАК це етанова кислота, але частіше її називають оцтовою. Безбарвну рідину з різким запахом і кислим смаком з давніх часів отримували як продукт бродіння вина. Її здатність до взаємодії з металами використовували для отримання фарби зі свинцю і міді.

      В середині XIX століття хіміки навчилися синтезувати речовину з неорганічних матеріалів, а через півстоліття виробляли його шляхом перегонки деревини.

      В цей час основним промисловим способом його отримання є каталітичне карбонілювання метанолу, а основне застосування з’єднання знайшло в харчовій і фармацевтичній галузях.

      Інші відомі одноосновні органічні кислоти включають:

      • Метанова кислота (HCOOH) має тривіальну назву мурашина, оскільки вперше була отримана з їдких виділень рудих лісових мурах. У природі вона також виявлена у бджіл і медуз. Крім того, речовина міститься в хвої, кропиві і фруктах. Основним промисловим методом його отримання є пропускання чадного газу через нагріту каустичну соду. В результаті цього процесу виходить сіль, з якої метал витісняється сірчаною кислотою, а підсумковий продукт переганяється в вакуумі.
      • Бензойна кислота (С6Н5СООН) одне з небагатьох речовин, що мають лише одну назву. Це ароматичне з’єднання вперше було отримано сублімацією смоли стираксового дерева і знайшло застосування в консервуванні фруктів. В якості харчової добавки її білі кристали застосовують і зараз, але отримують дешевий і легкодоступний продукт окисленням толуолу.
      • Олеїнова або цис-9-октадеценова кислота (C17H33COOH) відноситься до жирних і виглядає як масляниста рідина. У природі вона міститься в цілому ряді рослинних олій (зокрема, оливковій і соняшниковій), а також в тваринних жирах (свиней, корів і биків, тріски). З’єднання виділяють з цих матеріалів у вигляді складних ефірів і застосовують в лакофарбової галузі, миловарінні, косметичної промисловості.
      • Стеаринова або октадеканова (C17H35COOH) — ще одна жирна кислота, одержувана гідруванням олеїнової. У природі вона зустрічається в основному в баранячому жирі і пальмовій олії. Також синтезується в організмі людини. У промислових масштабах речовина отримують шляхом гідролізу жирів і використовують в складі косметичних засобів, свічок, пластичних мастил.

      Багатоосновні сполуки

      Якщо число карбоксильних груп дорівнює двом, речовина називається двухосновним. До таких відноситься етандіовая або щавлева кислота (HOOC-COOH) — одна з небагатьох, які є сильними серед органічних.

      Це граничне з’єднання міститься в деяких рослинах, а в промислових масштабах виробляється шляхом окислення деяких похідних вуглеводнів неорганічними кислотами в присутності каталізатора. Застосовують речовину в лабораторному синтезі, текстильному і шкіряному господарстві. Його токсичність унеможливлює його застосування в будь-якій харчовій промисловості.

      А ось лимонна кислота ((HOOCCH2)2C (OH)COOH) має довгу систематичну назву 2-гідроксипропан-1,2,3-трикарбонової, з якого можна зробити висновок, що вона триосновна.

      Це біле кристалічна речовина без запаху дійсно містить в собі три карбоксильні групи і одну гідроксильну, проте за властивостями є слабким.

      У природі воно міститься в різних фруктах, тому і було виділено вперше у вигляді кальцієвої солі з лимонного соку. Зараз використовується біосинтез з кукурудзи, маніоки, солодкої картоплі, цукру або патоки.

      Інші класи

      Якщо в речовині крім карбоксильної містяться і інші групи, його виділяють в окремий тип сполук. Найбільш відомі з них наведені в таблиці.

      Назва	Характерна група	Приклад
      Оксикислоти	-OH	Молочна або альфа-оксипропіонова кислота(CH3CH (OH)COOH), що утворюється при бродінні. Вперше вона була виділена з кислого молока, зараз її отримують ферментативним або синтетичним способом. Перший має на увазі використання бактеріальних або грибних культур, другий — взаємодія оцтового альдегіду з ціаністим воднем і гідроліз продукту реакції. Отриману речовина застосовують в харчовій і полімерній промисловості.
      Кетокислоти	=CO	Піровиноградна або 2-оксопропанова кислота(CH3 (CO)COOH). Походження традиційної назви пов’язане з моментом її відкриття, яке здійснилося при перегонці виноградної і винної кислот. В даний час спосіб її отримання залишився практично тим же, був лише поліпшений вихід продукту шляхом включення в реакцію сірчано-калієвої солі.
      Амінокислоти	-NH2	Таких сполук відомо близько п’ятисот найменувань, одним з перших був відкритий гліцин або амінооцтова кислота (NH2—CH2—COOH). Речовину було виділено з желатину, зараз його отримують хлоруванням карбонових кислот, з подальшою взаємодією продукту реакції з аміаком. Гліцин широко застосовується в медицині, а також харчової промисловості.

      Сульфонові представники

      Сульфокислоти-речовини, що містять в своєму складі вуглеводневий радикал і групу – SO₃H. вони мають високу здатність до утворення солей в реакціях з підставами, складних ефірів при взаємодії зі спиртами, а також ангідридів і амідів.

      У чистому вигляді сполуки отримують за допомогою введення сульфогрупи в ароматичні вуглеводні, алкани, тіоли, а потім використовують в синтезі барвників, медикаментів, поверхнево-активних речовин.

      Найбільш відомими природними представниками сульфокислот є:

      • Таурин або 2-аміноетансульфонова кислота (H2NC2H4SO3H) — речовина, присутня в тваринних тканинах і жовчі і сприяє емульгуванню жирів в кишечнику. Синтезоване з етаноламіну, воно використовується в медицині (наприклад, у вигляді очних крапель, що застосовуються при ураженнях сітківки і рогівки, або препаратів для прийому всередину при серцево-судинної недостатності) і харчової промисловості (в енергетичних напоях, соках, спортивному харчуванні).
      • Цистеїн або альфа-аміно-бета-тіопропіонова кислота (C3H7NO2S) — з’єднання, що входить до складу білків нігтів, шкіри, волосся і травних ферментів. В організмі воно виконує функцію формування тканин шкіри, участі в травному процесі, захисту від радіації. У промисловості цистеїн отримують з пташиного пір’я, щетини і людського волосся шляхом їх обробки соляною кислотою, а потім використовують при приготуванні лікарських препаратів.

      Хімії відомо ще безліч органічних кислот, всі з них перерахувати просто неможливо.

      Нові відкриття робляться постійно, завдяки чому знаходяться нові компоненти харчових добавок, ліків від раніше невиліковних хвороб і з’єднань, що рухають прогрес.