Если карбонильная группа связана с двумя углеводородными радикалами, то это кетон, например, диметилкетон (ацетон). Если с одной стороны карбонила углеводородный радикал, а с другой водород, то это альдегид. Пример уксусный альдегид. Частный случай, когда карбонил связан с двумя атомами водорода, муравьиный альдегид
Карбоксильная (кислотная) группа это комбинация карбонильной и гидроксильной групп (в кислоте карбонильная группа соединена с углеводородным радикалом и гидроксилом). Карбоксильная группа отличительный признак любой карбоновой кислоты. Наиболее известные органические кислоты уксусная и муравьиная. В муравьиной кислоте функциональная группа соединена не с углеводородным радикалом, а с атомом водорода. Заменим этот оставшийся водород на второй гидроксил. Получилась угольная кислота. Как видим, опять соприкоснулись химия органическая и неорганическая.
В какой-то мере условно можно провести аналогию органических кислород содержащих соединений с веществами неорганическими. Действительно, спирты можно уподобить неорганическим основаниям, а карбоковые кислоты, естественно, кислотам. Вот как выглядят тогда реакции "нейтрализации" получения солей и сложных эфиров:
Еще раз подчеркнем эта аналогия формальна, условна (о механизме реакции между спиртом и органической кислотой мы еще поговорим). Дело тут вот в чем. В неорганической химии основание это вещество, диссоциирующее на катион металла и гидроксильный анион:
Кислота в неорганической химии соединение, диссоциирующее на анион и катион водорода протон:
В органической химии спирты часто проявляют свойства кислот. Действительно, и кислоты и спирты при растворении в воде диссоциируют таким образом:
Поэтому и спирты, и кислоты дают с металлами соли:
И все же есть большая разница между спиртами и кислотами: спирты диссоциируют с образованием протона гораздо труднее, чем кислоты (это показано стрелками разной длины). Чем объясняется такое различие? Взгляните на формулы спирта и кислоты. В первом случае гидроксил связан с углеводородным радикалом, во втором с карбонильной группой. При диссоциации рвется связь кислород водород, водород уходит в виде протона, без электрона. Электрон остается у кислорода:
Очевидно, что чем больше смещена в молекуле электронная пара к атому кислорода, тем легче отделится протон, тем легче диссоциирует соединение. В спиртах углеводородный радикал "нагнетает" электронную плотность на гидроксильную группу, электронная плотность между атомами кислорода и водорода в гидроксиле повышена, диссоциация происходит с трудом:
Иная картина в случае кислоты. Как распределяются электроны в карбонильной группе? Кислород более электроотрицательный элемент, он оттягивает на себя электроны двойной связи. Атом углерода в карбониле обеднен электронами и поэтому "тянет" электроны от соседнего атома гидроксильного кислорода. Кислород, в свою очередь, оттягивает на себя электроны связи кислород водород. Результат такой облегчается процесс диссоциации кислоты, т. е. отщепления протона:
Действие, аналогичное оттягиванию электронов карбонильной группой, оказывает и бензольное кольцо. Оно как бы стремится затянуть в себя электронную плотность связи О Ни таким образом облегчает диссоциацию. Поэтому ароматические спирты фенолы кислоты более сильные, чем спирты алифатические.
Мы говорим: более сильные, менее сильные. А как оценить количественно, во сколько раз одна кислота сильнее другой? Для таких оценок вводится понятие константы диссоциации кислоты. Константа эта равна произведению концентраций ионов Н+ и анионов кислоты А~, деленному на концентрацию молекул не диссоциировавшей кислоты НА:
Сопоставим константы диссоциации некоторых кислот:
Химические свойства кислородсодержащих органических соединений
Мы видим, что этиловый спирт диссоциирует в меньшей степени, чем вода, фенол кислота гораздо более слабая, чем уксусная. А хлоруксусная кислота, в свою очередь, на два порядка сильнее уксусной (сказывается влияние атома хлора, который "тянет" на себя электроны).
Мы не будем здесь обсуждать способы получения и свойства кислородсодержащих органических соединений. Основные реакции
показаны на схеме. Отметим только, что в начале главы мы легко "превратили" в спирт этан, "заместив" атом водорода на гидроксильную группу. Разумеется, это просто только на бумаге, в действительности осуществить этот синтез довольно сложно.
Остановимся для примера на двух реакциях. Первая получение сложных эфиров. Мы уже говорили об этой реакции по аналогии с реакцией нейтрализации между неорганическими основанием и кислотой и о том, что эта аналогия лишь формальная. На самом деле механизмы реакции нейтрализации и этерификации т. е. образования сложного эфира из спирта и кислоты существенно различаются. При этерификации от молекулы спирта отщепляется водород, а от молекулы кислоты гидроксил. Доказано это было таким образом. Была проведена реакция бензойной кислоты с метиловым спиртом, содержащим небольшое количество тяжелого изотопа кислорода (СН318ОН). В полученной после реакции воде 180 не обнаружили, и отсюда можно было сделать вывод, что реакция идет по такой схеме: