Дикарбоновые кислоты: описание, химические свойства, получение и применение

Дикарбоновые кислоты – это вещества с двумя функциональными одновалентными карбоксильными группами – СООН, функция которых заключается в определении основных свойств этих веществ.

Их общая формула – HOOC-R-COOH. И здесь под «R» подразумевается любой органический 2-валентный радикал, представляющий собой атомы, соединенные с функциональной группой молекулы. Впрочем, об этом можно поподробней.

Физические свойства

Дикарбоновые соединения представляют собой твердые вещества. Можно выделить следующие физические свойства:

• Отлично растворяются в воде. При этом образуют водородные межмолекулярные связи.
• Граница растворимости в Н₂О находится в пределе С₆-С₇. И это понятно, ведь содержание карбоксильной полярной группы в молекулах значительно.
• Плохо растворяются в растворителях органического происхождения.
• Плавятся при намного более высоких температурах, чем спирты и хлориды. Это из-за высокой прочности их водородных связей.
• Если карбоксильные соединения подвергнуть нагреванию, то они начнут разлагаться с выделением различных веществ.

Химические свойства

Они у карбоновых кислот точно такие же, как и у монокарбоновых. Почему? Потому что в них также имеется карбоксильная группа. Она, в свою очередь, состоит из двух элементов:

• Карбонил. >C=O. Группа =С=О органических соединений (тех, в состав которых входит углерод).
• Гидроксил. –ОН. Группа ОН соединений органического и неорганического типов. Связь между атомами кислорода и водорода ковалентная.

Карбонил и гидроксил оказывают взаимное влияние. Чем именно обусловлены кислотные свойства рассматриваемых соединений? Тем, что поляризация связи О-Н вызывает смещение к карбонильному кислороду электронной плотности.

Стоит отметить, что в водных растворах вещества карбоксильной группы диссоциируют (распадаются) на ионы. Это выглядит так: R-COOH = R-COO^- + H⁺. Кстати, высокие температуры кипения кислот и их способность растворяться в воде обуславливаются образованием водородных межмолекулярных связей.

Диссоциация

Это одно из свойств дикарбоновых кислот, проявляющееся в распаде вещества на ионы при растворении. Происходит в две стадии:

• НООС-Х-СООН → НООС-Х-СОО^-+Н⁺. По первой стадии дикарбоновые кислоты являются сильнее монокарбоновых. Причина № 1 – статистический фактор. В молекуле присутствует 2 карбоксильные группы. Причина № 2 – взаимное их влияние. Которое происходит в большинстве случаев, так как группы либо связаны цепью кратных связей, либо находятся недалеко.
• НООС-Х-СОО^- → ^-ООС-Х-СОО^-+Н⁺. А вот на второй стадии кислоты данной группы становятся слабее монокарбоновых. За исключением разве что этандиовой (щавелевой). Катион водорода отделяется сложнее. Для этого требуется больше энергии. Н⁺ труднее отделить от аниона с -2 зарядом, чем от -1.

Диссоциация дикарбоновых кислот происходит только в водных растворах, хотя также в иных случаях данный химический процесс возможен при плавлении.

Другие реакции

Рассматриваемые соединения могут образовывать соли. И не обычные, как монокарбоновые, а кислые. Их характеризует наличие в составе двух видов катионов – металла (в некоторых реакциях вместо них ионы аммония) и водорода. Также у них имеется многозарядный анион кислотного остатка – отрицательно заряженный атом.

Название этих солей обусловлено тем, что при гидролизе они дают кислую реакцию среды. Стоит отметить, что данные соединения диссоциируют на остаток с частицей водорода и ионы металла.

Также химические свойства дикарбоновых кислот обуславливают их возможность образовывать галогенангидриды. В этих соединениях гидроксильная группа замещается галогеном – энергичным окислителем.

Особенности

Нельзя не оговориться, что к свойствам дикарбоновых кислот также относится образование хелатов. Это – комплексные соединения, состоящие из циклических группировок с комплексообразователем (центральным ионом).

Хелаты используются для разделения, аналитического определения и концентрирования самых разных элементов. А в сельском хозяйстве и медицине их используют для ввода в пищу таких микроэлементов, как марганец, железо, медь и т. д.

Еще некоторые дикарбоновые кислоты образуют циклические ангидриды – соединения R¹CO-O-COR², которые являются ацилирующими агентами, имеющими способность вступать в реакции с нуклеофилами, электроноизбыточными химическими реагентами.

И последняя особенность дикарбоновых кислот – это образование ими полимеров (высокомолекулярных веществ). Оно происходит вследствие реакции с иными полифункциональными соединениями.

Способы получения

Их много, и каждый из них направлен на синтез дикарбоновой кислоты определенного типа. Но есть несколько общих способов:

• Окисление кетонов – органических соединения с карбонильной группой =СО.
• Гидролиз нитрилов. То есть, разложение органических соединений с формулой R—C≡N посредством воды. Нитрилы, как правило, являются твердыми или жидкими веществами с отличной растворимостью.
• Карбонилирование диолов – веществ с двумя гидроксильными группами. Реакция подразумевает введение карбонильных групп С=О посредством реакции с оксидом углерода – очень токсичным газом, который легче воздуха, и не имеет ни запаха, ни вкуса.
• Окисление диолов.

Любой из этих способов приведет к получению дикарбоновых кислот. Которых в природе очень много. Названия большинства из них на слуху у каждого, поэтому о них тоже стоит вкратце рассказать.

Виды кислот

Первым делом стоит отметить, что у них у всех по два названия:

• Систематическое. Дается по названию алкана (ациклического углеводорода) с добавлением суффикса «-диовая».
• Тривиальное. Дается по названию природного продукта, из которого получается кислота.

А теперь непосредственно о соединениях. Итак, вот некоторые наиболее известные кислоты:

• Щавелевая/этандиовая. НООС-СООН. Содержится в карамболе, ревене, щавеле. Также существует в виде оксалатов (солей и эфиров) кальция и калия.
• Малоновая/пропандиовая. НООС-СН₂-СООН. Содержится в соке сахарной свеклы.
• Янтарная/бутандиовая. НООС-(СН₂)₂-СООН. Выглядит, как бесцветные кристаллы, отлично растворяющиеся в спирте и воде. Содержится в янтаре и в большинстве растений. Соли и эфиры дикарбоновой кислоты данного типа называют сукцинатами.
• Глутаровая/Пентандиовая. HOOC—(CH₂)₃—COOH. Получают посредством окисления азотной кислотой циклического кетона и участием оксида ваниадия.
• Адипиновая/Гександиовая. НООС(СН₂)₄СООН. Получают посредством окисления циклогексана в две стадии.

Кроме перечисленного, еще есть гептандиовая кислота, нонандиовая, декандиовая, ундекандиовая, додекандиовая, тридекандиовая, гексадекандиовая, генэйкозандиовая и многие другие.

Ароматические дикарбоновые кислоты

О них тоже стоит сказать пару слов. Фталевые кислоты – важнейший представитель данной группы. Они не являются значимым в промышленном плане продуктом, но представляют собой интерес. Поскольку образуются вследствие получения фталевого ангидрида – вещества, с помощью которого синтезируют красители, смолы и некоторые составляющие лекарственных средств.

Еще есть терафлевая кислота. Она, взаимодействуя со спиртами, дает сложные эфиры – производные оксокислот. Ее активно применяют в промышленности. С помощью терафлевой кислоты получают насыщенные полиэфиры. А их задействуют в производстве пищевых контейнеров, пленки для видео-, фото-, аудиозаписей, бутылок для напитков и т. д.

Следует отметить вниманием и изофталевую ароматическую кислоту. Ее применяют в качестве сомономера – низкомолекулярного вещества, образующего полимер вследствие реакции полимеризации. Данное ее свойство используется в производстве резины и пластика. А еще из нее изготавливают изолирующие материалы.

Применение

Об этом напоследок. Если говорить о применении двухосновных карбоновых кислот, тои стоит заметить, что:

• Они являются исходным сырьем, с помощью которого получают галогенангидриды, кетоны, виниловые эфиры и прочие важные органические соединения.
• Определенные кислоты задействованы в производстве сложных эфиров, применяемых в дальнейшем в парфюмерии, текстильной промышленности, кожевенном деле.
• Некоторые из них содержатся в консервантах и растворителях.
• Без них не обходится производство капрона – синтетического полиамидного волокна.
• В изготовлении термопластика под названием полиэтилентерефталат также используют некоторые кислоты.

Впрочем, это лишь некоторые сферы. Есть еще масса других областей, в которых применяют конкретные виды двухосновных кислот. Щавелевая, например, используется, как протрава в промышленности. Или как осадитель металлических покрытий. Субериновая задействована в синтезе лекарственных средств. Из азелаиновой делают полиэфиры, применяемые в производстве маслостойких электрошнуров, шлангов и трубопроводов. Так что, если подумать, очень мало тех областей, где двухосновные кислоты не нашли бы своего применения.