§ 32. Насыщенные одноосновные карбоновые кислоты. Номенклатура. Изомерия. Физические свойства

В молекуле первого представителя гомологического ряда насыщенных одноосновных карбоновых кислот карбоксильная группа связана с атомом водорода:

Как вы уже знаете, это соединение называется муравьиная кислота. Муравьиная кислота впервые была выделена из лесных муравьёв, чем и обусловлено её название. В природе муравьиная кислота встречается также в крапиве, некоторых фруктах, едких выделениях медуз и т. д. Муравьиная кислота при комнатной температуре представляет собой бесцветную жидкость с резким запахом, температура кипения 101 °С.

Формула следующего представителя гомологического ряда насыщенных одноосновных карбоновых кислот:

Это соединение называется уксусная кислота. Уксусная кислота так же, как и муравьиная, при комнатной температуре — бесцветная жидкость с резким запахом. Температура кипения уксусной кислоты составляет 118 °С.

Молекулы гомологов уксусной кислоты отличаются от неё на одну или несколько групп CH₂ и имеют общую формулу C_nH_2n+1 —COOH.

Известны гомологи уксусной кислоты, углеводородный радикал которых включает достаточно длинную цепь из атомов углерода. Важнейшими представителями таких кислот являются пальмитиновая С₁₅Н₃₁ —СООН и стеариновая С₁₇Н₃₅ —СООН.

В молекулах пальмитиновой и стеариновой кислот углеводородные радикалы имеют неразветвлённое строение. Шаростержневая модель молекулы пальмитиновой кислоты:

Пальмитиновая и стеариновая кислоты выделены из продуктов переработки жиров и имеют название высшие жирные кислоты.

Для карбоновых кислот возможна изомерия углеродного скелета. Этот вид изомерии так же, как и в случае альдегидов, появляется, начиная с вещества, содержащего четыре атома углерода в молекуле:

Так как карбоксильная группа всегда располагается в начале молекулы, то изомерия, связанная с положением карбоксильной группы, невозможна.

Названия муравьиная и уксусная кислоты являются исторически сложившимися, или тривиальными, названиями. По систематической номенклатуре карбоксильная группа обозначается сочетанием «-овая кислота». Название кислоты состоит из названия алкана с тем же, что и у кислоты, числом атомов углерода в молекуле и окончания «-овая кислота». Нумерацию атомов углерода главной цепи всегда начинают с атома углерода карбоксильной группы.

Назовём все упомянутые выше карбоновые кислоты:Используя правила систематической номенклатуры, можно назвать карбоновые кислоты, молекулы которых имеют более сложное строение, например:

Главная цепь состоит из семи атомов углерода. Соответствующий алкан называется гептан. Третий и пятый атомы углерода главной цепи связаны с алкильными радикалами, названия которых перечисляются в алфавитном порядке. Принадлежность соединения к классу карбоновых кислот указываем при помощи сочетания «-овая кислота». Тогда название карбоновой кислоты — 5-метил-3-этилгептановая кислота.

В таблице 32.1 приведены формулы, названия и температуры кипения некоторых карбоновых кислот.

Таблица 32.1. Формулы, названия и температуры кипения некоторых карбоновых кислот

Формула	Название	tкип, °С
H—COOH	метановая кислота	101
CH3—COOH	этановая кислота	118
CH3—СН2—COOH	пропановая кислота	141
CH3—СН2—СН2—COOH	бутановая кислота	164
CH3—СН2—СН2—СН2—COOH	пентановая кислота	185

Как видно из данных таблицы, температуры кипения карбоновых кислот значительно выше, чем у альдегидов с тем же числом атомов углерода в молекуле. В отличие от альдегидов, среди карбоновых кислот нет газообразных при комнатной температуре веществ. Отсутствие газообразных веществ мы уже встречали в гомологическом ряду одноатомных спиртов (§ 23). В параграфе 23 указана причина высоких температур кипения спиртов — образование между их молекулами водородных связей. Образование водородных связей между молекулами спиртов возможно благодаря наличию полярных групп —OH.

В молекулах карбоновых кислот, как и в спиртах, имеется группа —OH:

Поэтому между молекулами карбоновых кислот также образуются водородные связи:

Водородные связи достаточно сильно удерживают молекулы карбоновых кислот друг возле друга, затрудняя переход в газообразное состояние, поэтому карбоновые кислоты имеют высокие температуры кипения.

Простейшие представители карбоновых кислот при обычных условиях представляют собой жидкости с резким запахом. С увеличением размера углеводородного радикала температуры кипения карбоновых кислот увеличиваются. Высшие карбоновые кислоты — пальмитиновая и стеариновая — твёрдые вещества.

Муравьиная, уксусная и пропановая кислоты смешиваются с водой в любых соотношениях, то есть можно приготовить водные растворы этих кислот любого состава. По мере увеличения числа атомов углерода в углеводородном радикале растворимость карбоновых кислот в воде уменьшается. Высшие карбоновые кислоты — пальмитиновая и стеариновая — в воде нерастворимы.

1. Укажите шаростержневую модель пропановой кислоты:

Напишите структурные формулы одноосновных карбоновых кислот состава C₅H₁₀O₂ и назовите их по систематической номенклатуре.

2. На рисунке приведены модели молекул муравьиной и уксусной кислот:

Укажите типы гибридизации атомов углерода в молекулах этих соединений и приблизительные значения валентных углов.