Карбоновые кислоты - важный класс органических соединений, которые широко используются в промышленности для получения красителей, лекарств, пластмасс и других материалов. В этой статье мы подробно рассмотрим различные способы синтеза карбоновых кислот как в лаборатории, так и в промышленных масштабах.
Общие сведения о карбоновых кислотах
Карбоновые кислоты - органические соединения, в молекулах которых есть функциональная карбоксильная группа -СООН. Эта группа придает соединениям кислотные свойства.
По числу карбоксильных групп карбоновые кислоты делятся на:
- Одноосновные (содержат одну карбоксильную группу)
- Двухосновные (содержат две карбоксильные группы)
- Многоосновные (содержат более двух карбоксильных групп)
Самыми распространенными и практически важными являются одноосновные карбоновые кислоты. К ним относятся:
- Муравьиная кислота (НСООН)
- Уксусная кислота (СН3СООН)
- Масляная кислота (С3Н7СООН)
- Щавелевая кислота (НООС-СООН)
- Бензойная кислота (С6Н5СООН) и др.
Карбоновые кислоты обладают характерными свойствами:
- Кислотный вкус и запах (за исключением предельных высших кислот)
- Растворимость в воде за счет образования водородных связей
- Высокие температуры кипения из-за образования ассоциатов молекул
- Способность к образованию солей, сложных эфиров, галогенангидридов и др. производных
В лаборатории небольшие количества карбоновых кислот можно получить различными способами.
Окисление спиртов
Первичные спирты легко окисляются до карбоновых кислот с помощью окислителей - перманганата калия или дихромата калия в кислой среде:
СН3ОН + 2KMnO 4 + 3H2SO4 → СН3СООН + 2MnSO4 + K2SO4 + 3H2O
При этой реакции фиолетовая окраска перманганата обесцвечивается.
Окисление альдегидов
Альдегиды также можно окислить до карбоновых кислот с помощью перманганата или дихромата калия в кислой среде:
2СХ3CHO + K2Cr2O7 + 4H2SO4 → 2СХ3COOH + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + 3H2O
При этой реакции оранжевая окраска дихромата калия переходит в зеленую окраску соли хрома (III).
Гидролиз сложных эфиров
Сложные эфиры под действием воды или щелочей разлагаются с образованием спиртов и карбоновых кислот:
СН3СООС2Н5 + Н2О ⇄ СН3СООН + С2Н5ОН
Для полного гидролиза требуется кислотный или щелочной катализатор.
Реакции с солями кислот
Из солей карбоновых кислот их можно выделить действием более сильной минеральной кислоты, например серной кислоты:
НаСН3СОО + H2SO4 → СН3СООН + NaHSO4
Этот способ основан на реакции обмена.
В промышленности для синтеза карбоновых кислот используется несколько других методов, позволяющих получать целевой продукт в больших количествах.
Окисление углеводородов
Алканы и другие углеводороды при нагревании легко окисляются кислородом воздуха до карбоновых кислот в присутствии катализаторов:
СН3СН2СН3 + О2 → СН3СООН + Н2О
Таким способом в промышленности получают уксусную и акриловую кислоты.
Ферментативный синтез
С помощью микроорганизмов из этанола можно получать уксусную кислоту - так называемым уксуснокислым брожением:
СН3СН2ОН + О2 → СН3СООН + Н2О
Этот биотехнологический процесс используется и сейчас для производства пищевого уксуса.
Карбонилирование метанола
Муравьиную кислоту промышленно получают, пропуская смесь метанола и углекислого газа через щелочной катализатор при высоком давлении:
СН3ОН + СО → НСООН
Затем из полученной соли муравьиной кислоты ее выделяют серной кислотой.
Гидролиз жиров
Жиры, представляющие собой сложные эфиры глицерина и жирных кислот, при нагревании с водой или щелочами подвергаются гидролизу с образованием жирных кислот, глицерина и мыла:
С17Н35СООС3Н5(ОСОС17Н35)3 + 3NaOH → 3С17Н35СООНа + С3Н5(OH)3
Таким образом, в промышленности из натуральных жиров можно выделять стеариновую, пальмитиновую, олеиновую и другие жирные кислоты.
Вытеснение из солей органических кислот
Из солей органических кислот их можно вытеснить более сильными кислотами. Например, при взаимодействии ацетата натрия с серной кислотой выделяется уксусная кислота:
СН3СООНа + H2SO4 → CH3COOH + NaHSO4
Аналогично, обрабатывая акрилат калия соляной кислотой, получают акриловую кислоту, которая широко используется в производстве полимеров.
Каталитическое окисление альдегидов
Окисление альдегидов на металлических катализаторах при нагревании также является важным промышленным способом получения некоторых карбоновых кислот. Так, уксусный альдегид окисляется до уксусной кислоты:
СН3СНО + 1/2О2 → CH3COOH
Другой пример - окисление акролеина до акриловой кислоты, необходимой для синтеза акриловых полимеров.
Окисление олефинов
Алкены (олефины) также могут быть окислены перманганатом калия до карбоновых кислот. Однако в отличие от предыдущих методов, эта реакция обычно приводит к разрушению углеродной цепи:
CH2=CH-CH3 + 2KMnO 4 + 3H2O → CH3-COOH + CO2 + 2MnO 2 + 2KOH
Тем не менее, при определенных условиях возможно мягкое окисление олефинов с образованием α,β-ненасыщенных карбоновых кислот, которые затем можно гидрировать до предельных кислот:
CH2=CH-R + KMnO 4 + H2O → CH3-CH=CR-COOH
Биотехнологические методы
Актуальным направлением является использование микроорганизмов и ферментов для синтеза карбоновых кислот из различного сырья. К примеру, янтарная кислота может быть получена микробиологическим окислением глюкозы:
C6H12O6 + 1/2O2 → CH2(COOH)2 + 2CO2 + 2H2O
Преимуществом биотехнологических процессов является возможность использования возобновляемого растительного или отходного сырья.
Перспективные методы
В настоящее время идут интенсивные исследования по разработке новых эффективных и экологичных способов синтеза карбоновых кислот. Одним из перспективных методов является электрокаталитическое окисление органических соединений. Подбором условий и катализаторов можно добиться высокого выхода целевого продукта при минимальном количестве побочных реакций.
