6.1. Союз двух групп

Итак, водородный атом гидроксильной группы может иметь различную подвижность в зависимости от того, с чем связана эта группа. Например, в молекуле фенола этот водород гораздо подвижнее, чем в молекуле спирта. Поэтому спирт — вещество нейтральное, а фенол — слабокислое. Но, как известно, водород гидроксила может стать еще «кислее», т. е. подвижнее. Помните пикриновую кислоту? На усиление кислотных свойств в ней «работают» три нитрогруппы. Но есть вещества, в которых в качестве таких «усилителей» может быть карбонильная группа:

Попробуем мысленно связать гидроксильную группу с карбонильной. В результате получим новую группу следующего строения:

Такая группа существует в действительности и входит в состав карбоновых кислот. Ее называют карбоксильной группой. Это название вполне объяснимо. Оно произошло в результате слияния двух групп карбонильной («карб») и гидроксильной («окси»). Так появился химический термин — карбоксигруппа.

Для того чтобы узнать, как «работает» карбоксильная группа, мы снова расчленим ее на две составляющие — гидроксильную и карбонильную — и рассмотрим их в отдельности. Но сейчас эта задача намного упрощается. О гидроксильной группе мы многое знаем. Например, то, что она ведет себя по-разному в зависимости от того, с чем она связана. Например, в спиртах она одна, а в фенолах — другая. Но изменится ли что-нибудь, если в этих веществах между радикалами (алифатическими или ароматическими) и гидроксильной группой «внедрить» карбонильную группу? Но не будем спешить. Ведь мы не знаем еще строение карбонильной группы, которая должна усилить кислотные свойства гидроксила.

Карбонильная группа содержит двойную связь, которая, как и в алкенах, состоит из σ- и π-связей. Но в отличие от этиленовой двойной связи она достаточно поляризована (атом кислорода более электроотрицателен, чем атом углерода), поэтому π-электронная плотность в ней смещена в сторону атома кислорода:

Установлено также, что полярность карбонильной группы в 6 раз выше, чем гидроксильной группы. Это очень важно! Если гидроксильную группу соединить с карбонильной, то последняя будет усиливать поляризацию связи О—Н. А это приводит к тому, что гидроксильная группа будет достаточно легко отщеплять водород в виде протона:

Так протекает процесс, который называется кислотной диссоциацией. Почему кислотной? Потому что соединение, в молекуле которого радикал связан с карбоксильной группой (гидроксильная + карбонильная), будет уже карбоновой кислотой.

Однако карбоновые кислоты — слабые кислоты. Конечно, по кислотным свойствам они превосходят фенол, но очень сильно уступают многим минеральным кислотам (серной, азотной, соляной и другим). По силе карбоновые кислоты проигрывают им в миллионы раз.

Мы начали рассказ о карбоновых кислотах. Но прежде давайте ответим на главный вопрос: какие вещества называют кислотами, а какие — основаниями?

 

6.2. О кислотах и основаниях 

Все, что мы сейчас расскажем, в равной степени относится ко всем кислотам и основаниям — органическим и неорганическим (минеральным).

Кислоты и основания — важнейшие классы химических веществ. Они являются непременными участниками большинства химических превращений, катализаторами многих химических, биохимических и технологических процессов. Эти вещества служат источниками для получения огромного числа важных продуктов химической промышленности.

Так что же представляют собой кислоты и основания — эти, казалось бы, два антипода в мире химических веществ, два понятия, на первый взгляд исключающие друг друга?

Первым, кто сделал попытку разобраться в этом вопросе, был А. Лавуазье. Он считал, что кислоты — вещества, содержащие (обязательно!) кислород. Однако открытие в 1814 г. Гемфри Дэви (1778-1829) галогеносодержащих кислот (например, соляной кислоты) заставило пересмотреть эти взгляды и принять обратное утверждение: кислоты — это водородосодержащие соединения (Ю. Либих), в которых атомы водорода способны замещаться на металл.

Пора временного согласия наступила лишь тогда, когда химики вооружились новым учением о кислотах и основаниях (1887) — теорией шведского химика Сванте Августа Аррениуса (1859-1927) , ставшей впоследствии классической. Согласно этой теории кислоты — это вещества, которые при диссоциации (распаде на ионы) образуют катион водорода — протон (Н+). Если же при диссоциации образуются ионы гидроксила (ОН-), то вещество будет основанием.

Эта теория долгое время удовлетворяла химиков. Она и сейчас является верной, но при одном условии: если химики работают с водными растворами кислот и оснований. Если же они имеют дело с неводными (органическими) растворами, то теория С. Аррениуса «не работает». Дело в том, что обязательным условием кислотно-основного взаимодействия, по мнению ученого, является обратимая реакция:

А если, например, с уксусной кислотой взаимодействует аммиак? Уксусная кислота обладает кислотными свойствами потому, что отщепляет протон. А аммиак? Почему он обладает основными свойствами? Он же не диссоциирует с образованием гидроксильного иона. В то же время хорошо известно, что такая реакция идет с образованием соли — ацетата аммония:

Кроме того, теория А. Аррениуса не могла объяснить, почему кислоты могут реагировать друг с другом. Например, азотная кислота, взаимодействуя с уксусной кислотой, образует ацетилнитрат:

Химики-органики давно заметили, что одно и то же вещество в зависимости от характера растворителя может проявлять различные свойства. Особенно это касается органических кислот и оснований. Оказалось, что некоторые кислоты в зависимости от условий ведут себя не как кислоты, а скорее как... основания. Все зависит от того, с чем их сравнивать. Если раньше кислоты и основания рассматривали как противоположные вещества в химическом мире, то теперь возникла потребность пересмотреть эти представления. Однако для этого потребовалось свыше 30 лет.

В 1923 г. датский химик Йоханн Николаус Брёнстед (1879-1947) пришел к новому определению понятий кислоты и основания. По новой теории кислоты — это вещества, которые способны отдавать протон (доноры протонов), а основания — вещества, присоединяющие его (акцепторы протонов). Такое определение не только легко запоминается, но и способно объяснить поведение многих кислот и оснований. Например, приведенную ранее реакцию между уксусной кислотой и аммиаком можно объяснить так: уксусная кислота отдает протон, а аммиак легко его присоединяет за счет неподеленной пары электронов азота.

Можно теперь объяснить и вторую реакцию — взаимодействие азотной кислоты с уксусной кислотой. Азотная кислота, как более сильная, отдает протон, а уксусная кислота, как очень слабая (по сравнению с азотной), присоединяет его. Это присоединение идет за счет неподеленной пары электронов атома кислорода гидроксильной группы:

Эти примеры говорят о том, что кислоты и основания следует рассматривать в единстве, в неразрывной связи, а не противопоставлять их друг другу. Вещество может проявлять кислотные свойства лишь при взаимодействии с основанием, и, наоборот, основные свойства вещества можно обнаружить только в присутствии кислоты. Так, согласно теории С. Брёнстеда, одно и то же вещество в зависимости от условия реакции может обладать и кислотными, и основными свойствами:

В первом случае вода проявляет свойства слабого основания (акцептор протонов), во втором — обладает слабыми кислотными свойствами (донор протонов).

Однако встречаются реакции, которые хотя и носят кислотно-основный характер, но ни одно из реагирующих веществ не является донором протонов. Примером может служить реакция окисления триметиламина.

На первый взгляд трудно сказать, какое из этих веществ кислота, а какое — основание. Но это можно сделать, если принять во внимание еще одну теорию кислот и оснований, предложенную американским химиком Гильбертом Ньютоном Льюисом (1875-1946). Этот ученый предложил более широкое понятие кислоты и основания. Так, кислота, по утверждению Г. Льюиса, это соединение, неспособное к отщеплению протонов, но стремящееся использовать неподеленную пару электронов атома другой молекулы для образования химической связи. Отсюда следует и определение основания: это вещество, которое имеет неподеленную электронную пару и отдающую ее для образования этой связи. Другими словами, кислоты — акцепторы электронной пары, а основания — ее доноры. Снова рассмотрим реакцию окисления триметиламина. В этой реакции триметиламин выступает в роли донора электронной пары, а атом кислорода — в роли ее акцептора. Это означает, что триметиламин — основание, а атом кислорода — кислота.

 

6.3. Муравьиная кислота и ее «родственники»

Вот теперь продолжим разговор о карбоновых кислотах — основных кислотах органической химии. Сразу же отметим, что карбоновых кислот много и все они разные. Мы же расскажем только о некоторых, наиболее известных и важных.

Наш рассказ начнем с муравьиной кислоты.

В молекуле этой кислоты карбоксильная группа связана не с радикалом, а с атомом водорода. Среди карбоновых кислот муравьиная кислота — самая сильная. Она почти в 10 раз сильнее всех остальных карбоновых кислот.

Муравьиная кислота содержится в некоторых растениях (крапиве, хвое и др.) и насекомых (в выделениях муравьев и пчел). Многие из вас не раз смогли убедиться в раздражающем действии муравьиной кислоты. При укусе лесного красного муравья вы испытали болезненное ощущение потому, что он впускает в ранку почти незаметное количество муравьиной кислоты. Кстати, само название — муравьиная — связано с муравьями, из которых эта кислота была впервые выделена. По той же причине жгутся листья крапивы, если их неосторожно задеть рукой.

Муравьиная кислота — бесцветная жидкость с резким запахом. Впервые ее получил Т. Пелуз в 1831 г. из синильной кислоты. Сейчас муравьиную кислоту получают пропусканием оксида углерода (II) через расплавленный гидроксид натрия:

Как видите, вначале образуется соль кислоты (формиат натрия), а затем при действии на эту соль кислотой выделяют муравьиную кислоту в свободном виде.

Муравьиная кислота не только самая сильная в ряду одноосновных карбоновых кислот (одноосновных — значит с одной карбоксильной группой), но и наиболее активная. Действительно, если посмотреть на ее молекулу несколько иначе, то мы увидим... альдегидную группу.

Поэтому муравьиная кислота проявляет не только кислотные свойства, но и восстанавливающие. Так, она восстанавливает серебро из оксида серебра:

Такая реакция называется реакцией «серебряного зеркала». Название возникло потому, что если реакцию проводить в пробирке, то на ее стенках можно увидеть налет серебра («зеркало»).

При нагревании до 160 °С муравьиная кислота разлагается:

Как и все карбоновые кислоты, эта кислота со спиртами (в присутствии серной кислоты) образует сложные эфиры, а со щелочами — соли.

Муравьиную кислоту используют в текстильной промышленности в качестве протравы при крашении тканей, в кожевенной — при дублении кож, в пищевой — для консервирования фруктов, а также в производстве некоторых полимеров. Кроме того, муравьиная кислота — хороший растворитель для многих полимеров (капрона, найлона, поливинилхлорида и др.). Не обходится без этой кислоты и медицина.

Если о муравьиной кислоте многие только слышали, то о другой кислоте — уксусной — знают все.

В формуле этой кислоты карбоксильная группа связана не с атомом водорода, а с радикалом (метильной группой).

Уксусная кислота известна человеку с незапамятных времен. Правда, в чистом виде ее выделили только в 1700 г., но еще до этого кислота часто использовалась в виде водного раствора. В 1845 г. ее получил синтетическим путем Г. Кольбе. Уксусная кислота образуется и «самопроизвольно» — при окислении спирта под влиянием особых бактерий (все слышали о скисании вина). В промышленности наиболее выгодным способом получения уксусной кислоты является прямое окисление бутана:

Уксусная кислота — бесцветная жидкость с резким кисловатым запахом. Если эта кислота не содержит воду, то при 16,6 °С она «замерзает» — образует бесцветные кристаллы. Такая кислота называется ледяной. В свое время ее изучал итальянский химик Костанцо Бонвичино (1739-1812). Водный раствор (70-80%) кислоты известен как уксусная эссенция, а 5-7%-й раствор называется столовым уксусом.

Уксусная кислота часто встречается в природе. Она содержится в некоторых растениях, моче, поте, желчи. Даже человеческий организм служит своеобразной «фабрикой» по выработке уксусной кислоты. За сутки с мочой выделяется 0,5 кг кислоты. Все продукты, содержащие углеводы, в процессе обмена веществ превращаются в кислоту.

Уксусная кислота — слабая кислота. Однако она изменяет цвет лакмуса в красный. От муравьиной кислоты она отличается не только меньшей «силой», но и отсутствием восстанавливающих свойств (она ведь не содержит альдегидной группы). Но «силу» кислоты можно повысить. С этой целью атом водорода в метильном радикале заменяют на атом хлора (или любого галогена). Полученная хлоруксусная кислота Сl—СН2—СООН проявляет сильные кислотные свойства. Если же заменить все атомы водорода на атомы хлора, то трихлоруксусная кислота Сl3С—СООН по силе не уступает некоторым минеральным кислотам.

Уксусная кислота служит для получения полимеров, красителей, сложных эфиров, ацетатного шелка, негорючей фото- и кинопленки ит. д. Находят применение и ее некоторые соли. Так, ацетаты железа, алюминия, хрома используют в качестве протравы при крашении тканей; ацетат свинца — для изготовления свинцовых белил, а ацетат меди (II) — для борьбы с вредителями сельского хозяйства.

Наряду с муравьиной и уксусной кислотами существуют и другие. В молекулах этих кислот содержатся радикалы, которые различаются длиной углеродной цепи. Так, масляная кислота в молекуле содержит три углеродных атома.

В свободном виде эта кислота обнаружена во многих растениях, грибах, а также в поте. Она входит даже в состав некоторых жиров, но не в больших количествах (например, в коровьем масле ее 3-4%). С неприятным запахом масляной кислоты связан специфический вкус и запах прогорклого масла.

Получают эту кислоту окислением бутилового спирта или сбраживанием отходов, содержащих крахмал (под действием особых микробов). Масляную кислоту часто используют для получения сложных эфиров, некоторые из которых применяют в пищевой промышленности (для придания фруктового запаха).

Существуют и другие кислоты, запах которых также никак нельзя отнести к приятным. Это капроновая (С5Н11—СООН), каприловая (С7Н15—СООН) и каприновая (С9Н19—СООН) кислоты. Название этих кислот имеет общий корень — «капр» (от лат. козел), названию соответствует запах. В виде триглицерида (т. е. сложных эфиров, образованных глицерином и карбоновыми кислотами) эти три кислоты входят в состав коровьего и козьего, а также кокосового масел. Однако необходимо отметить, что масляная, капроновая, каприловая и каприновая кислоты входят в состав немногих жиров. В этом случае они скорее исключение. Тогда возникает вопрос: какие же кислоты входят в состав других жиров? Оказалось, что при гидролизе большинства жиров образуются карбоновые кислоты с более длинными радикалами, в состав которых входит большое число углеродных атомов. Чаще такими кислотами являются пальмитиновая (С15Н31—СООН), стеариновая (С17Н35—СООН) и олеиновая (С17Н33—СООН) кислоты. Первая кислота так названа потому, что впервые была выделена из пальмового масла, название второй происходит от греческого слова «твердый», а название третьей связано со словом «жидкое». Кислоты, содержащие в радикале свыше десяти углеродных атомов, называют высшими кислотами. Вот эти кислоты и входят в виде триглицеридов в состав большинства жиров. Если омылить эти жиры, то можно обратно получить высшие карбоновые кислоты. Однако в настоящее время эти кислоты получают окислением высших алканов (парафинов). Так, из 1 т алканов можно получить около 600-700 кг кислот. Смесь твердых пальмитиновой и стеариновой кислот получила название стеарина. Этот продукт часто используют для изготовления стеариновых свечей.

Высшие карбоновые кислоты обладают теми же химическими свойствами, что и обычные кислоты. Они образуют соли, сложные эфиры и другие соединения. Растворяются в органических растворителях, но нерастворимы в воде. С водными растворами щелочей образуют соли, которые называются мылами:

Натриевые и калиевые соли этих кислот (мыла) хорошо растворяются в воде (гидролизуются):

Таким образом, мыла — это соли высших карбоновых кислот. Обычное твердое (кусковое) мыло — это смесь натриевых солей пальмитиновой и стеариновой кислот.

О значении мыла знают все. С помощью мыла мы умываемся, купаемся. Мыло — страшный враг всех микробов. По годичному потреблению мыла судят о культуре нации. Еще не так давно мыло использовалось для стирки тканей. Мы и сейчас иногда применяем мыло для этих целей. Его называют хозяйственным. Почему же мыло удаляет загрязнения с рук, тканей и предметов? Дело в том, что оно обладает особым свойством — снижает поверхностное натяжение воды. Что это значит?

Молекулы мыла R—COONa (или К) состоят из двух частей: большого углеводородного радикала (С12—С18), обладающего водоотталкивающими свойствами, и полярной группы COONa (или К), растворимой в воде. Такую молекулу можно изобразить в виде палочки с утолщением на конце («головастик»). Палочка обозначает длинную углеводородную цепь, а утолщение на ее конце — полярную группу. При растворении мыла в воде его молекулы ориентируются таким образом, что нерастворимая часть молекулы выталкивается из воды, а растворимая погружается в нее (рис. 24). Такая ориентация молекул на границе воздух — вода приводит к снижению поверхностного натяжения воды{Поверхностное натяжение — свойство жидкости (например, воды) принимать форму с минимальной поверхностью.}. Это, в свою очередь, увеличивает смачивающую поверхность ткани или предмета. В результате — моющее действие увеличивается.

Следует сказать, что соли высших карбоновых кислот с числом углеродных атомов меньше десяти моющим действием не обладают, а с большим (свыше 20) трудно растворяются в воде. Поэтому оптимальное число углеродных атомов в высших карбоновых кислотах 12-18. Растворимость мыла в воде зависит также и от катиона: калиевое мыло («жидкое мыло») растворяется лучше, чем натриевое, а соли кальция, магния, бария и др. в воде нерастворимы. Поэтому моющая способность обычных мыл в жесткой воде, содержащей соли кальция и магния (например, морская вода), сильно падает. Это понятно, так как в такой воде ион натрия (или калия) замещается на кальций или магний. В результате образуются нерастворимые в воде кальциевые или магниевые мыла, которые выпадают в осадок в виде хлопьев:

Существует несколько сортов мыла. Наибольшее распространение получили туалетные мыла. В них добавляют различные душистые вещества (отдушки), красители, антисептики и другие добавки. Специальные сорта мыла входят в состав кремов для бритья, зубных паст и т. д. А вот нерастворимые мыла нашли применение в технике. Например, добавляя кальциевое мыло в нефтяные масла, получают смазки для автотранспорта (солидол), а обрабатывая плотную хлопчатобумажную ткань алюминиевым мылом, изготавливают брезент, из которого шьют чехлы, дождевые плащи, палатки и др. Свинцовое, марганцевое и кобальтовое мыла нашли применение в качестве добавок при изготовлении олифы (сиккативы), масляных красок.

Особо следует сказать об олеиновой кислоте. В отличие от твердых пальмитиновой и стеариновой кислот она — жидкая (маслообразная), но на холоде твердеет. В молекуле этой кислоты содержится одна двойная связь:

Поэтому она легко присоединяет по месту двойной связи водород и галогены. При восстановлении олеиновая кислота переходит в предельную кислоту — стеариновую:

Олеиновую кислоту получают омылением некоторых растительных масел.

Известны еще более непредельные кислоты — линолевая и линоленовая. Они также входят в состав растительных масел. В молекуле линолевой кислоты содержатся две двойные связи, а в молекуле линоленовой кислоты — три:

Эти кислоты — жидкости. Они легко окисляются и полимеризуются. При восстановлении превращаются в стеариновую кислоту. Эти кислоты крайне необходимы для нормальной деятельности живого организма и конечно же должны содержаться в пище. Их относят к незаменимым карбоновым кислотам. Поэтому растительные масла, содержащие их, являются ценными продуктами (особенно для людей пожилого возраста). Они способствуют удалению холестерина и повышают эластичность стенок кровеносных сосудов.

В рассмотренных нами кислотах содержится одна карбоксильная группа. Такие карбоновые кислоты называются одноосновными. Однако известны кислоты, в молекулах которых имеются две и более карбоксильных групп. Карбоновые кислоты с двумя карбоксильными группами называются двухосновными. Самой простой кислотой такого строения является щавелевая кислота НООС—СООН. Как видите, молекула этой кислоты — соединение двух карбоксильных групп друг с другом.

Впервые щавелевая кислота была обнаружена в кислом щавеле (конский щавель) в виде кислой калиевой соли, а в 1776 г. она была получена в свободном виде. В 1824 г. щавелевую кислоту синтезировал Ф. Вёлер при взаимодействии дициана с водой:

Известно, что ни сам Ф. Вёлер, ни его современники не обратили особого внимания на этот синтез. А ведь при этом происходило превращение неорганического вещества в органическое!

В промышленности щавелевую кислоту получают при нагревании натриевой соли муравьиной кислоты (формиата натрия):

Затем на соль — оксалат натрия — действуют серной кислотой и получают свободную щавелевую кислоту.

Щавелевая кислота — довольно сильная кислота. По кислотным свойствам она превосходит даже муравьиную кислоту. Обладает всеми свойствами карбоновых кислот. Но у нее есть и особые свойства: она известна как восстановитель. Поэтому ее используют для отбеливания тканей, в производстве красителей, применяют в кожевенной и деревообрабатывающей промышленности. Она может удалять ржавчину и накипь. Без этой кислоты не обходится и пищевая промышленность, но применять ее как пищевую добавку нужно осторожно: она связывается в кишечнике с кальцием, образуя нерастворимые соли. Это приводит к тому, что кальций — важнейший элемент для организма — не всасывается в кровь.

Наш рассказ о карбоновых кислотах был бы неполным, если мы обойдем другие, не менее интересные, кислоты. Представьте себе, что в молекуле щавелевой кислоты две карбоксильные группы разделены одной двойной связью:

Эту непредельную двухосновную кислоту называют этилендикарбоновой кислотой. Эта кислота существует в виде двух изомеров, которые различаются пространственным строением. Эти изомеры представляют собой две различные кислоты. Одна из них (реформа) называется малеиновой кислотой, другая (трансформа) — фумаровой кислотой.

Еще в 1838 г. Ю. Либих обратил внимание на то, что эти кислоты отличаются по химическим свойствам, хотя и имеют одну и ту же эмпирическую формулу. Это оставалось загадкой до 1874 г., когда Я. Вант-Гофф на основе теории тетраэдрического углеродного атома объяснил причину различия свойств этих кислот.

Малеиновая кислота, в отличие от фумаровой, теряя воду, легко образует малеиновый ангидрид:

А вот фумаровая кислота так легко ангидрид не образует. Почему? Очень просто: две карбоксильные группы, от которых отщепляется молекула воды, расположены далеко друг от друга.

Кроме этого, у этих кислот имеются и другие отличия. Так, малеиновая кислота токсична, а фумаровая нет. Она наряду с лимонной, винной и яблочной кислотами используется в пищевой промышленности (например, в США при приготовлении напитков).

Малеиновая кислота содержится во многих растениях, в особенности в грибах и лишайниках. Применяется для получения различных ПАВ, а также в качестве антиокислителя для жиров. Что же касается фумаровой кислоты, то она идет на производство синтетических высыхающих масел и пластификаторов.

 

6.4. Бензол и карбоксильная группа

Будем считать, что наш рассказ о карбоновых кислотах не закончен. Представьте себе такую молекулу: карбоксильная группа связана с бензольным кольцом. Соединения такого строения относятся к ароматическим карбоновым кислотам. Самой простой из них является бензойная кислота.

Она известна очень давно. Впервые ее выделили еще в 1608 г. из бензойной смолы («росного ладана» — сока дерева, растущего в Юго-Восточной Азии и Индонезии). Второе «рождение» бензойной кислоты произошло в 1775 г., когда К. Шееле получил ее нагреванием бензойной смолы с известковой водой.

В настоящее время химики получают бензойную кислоту окислением толуола (метилбензола). В качестве окислителя используют азотную кислоту или кислород воздуха:

Отличается ли бензойная кислота от других карбоновых кислот? И да, и нет. Так, она, как и обычные кислоты, содержащие карбоксильную группу, образует соли, сложные эфиры и другие производные. Но в то же время бензойная кислота — более сильная, чем кислоты алифатического ряда (за исключением муравьиной кислоты). Это нетрудно объяснить тем, что бензольное кольцо способно усиливать поляризацию гидроксила в карбоксильной группе. Вот как это происходит:

Бензойная кислота широко используется как антисептическое и консервирующее средство, применяется в производстве красителей, лекарственных средств, душистых веществ и полимеров. Особенно известны ее производные, например этиловый эфир пара-аминобензойной кислоты (анестезин).

Применяют в медицине в качестве обезболивающего средства. Интересно, что это вещество известно еще с 1830 г., но использовать его в медицине стали только с 1902 г.

Еще большую известность получила салициловая кислота.

Около 250 лет назад англичанин Эдмунд Стоун попытался заменить кору хинного дерева, которая использовалась при лечении лихорадки, ивовой корой, о лечебных свойствах которой упоминал еще Гиппократ. Попытка оказалась удачной, и ива — привычное украшение европейского пейзажа — заменила в медицине хинное дерево, растущее в далекой Индии. Из экстракта ивовой коры в 1829 г. был выделен салицин — соединение салицилового спирта и глюкозы. Спустя девять лет итальянский химик Рафаэле Пириа (1814-1865) из салицина получил кислоту, названную им салициловой (от лат. salix — ива). В 1859 г. Г. Кольбе получил эту кислоту из фенолята, обрабатывая его оксидом углерода (IV) при нагревании и давлении. Впоследствии эта реакция стала промышленным способом получения салициловой кислоты. Г. Кольбе впервые изучил и антисептические свойства этой кислоты.

Салициловая кислота используется при получении красителей, фунгицидов, душистых веществ. Ее хорошо знают в пищевой промышленности: она используется в качестве антисептика при консервировании. Но особую роль она играет в получении лекарственных препаратов. Было давно известно, что соли салициловой кислоты (салицилаты) уменьшают боли при подагре, ревматизме и других заболеваниях. Однако ее применяли только наружно (растворы, мази и т. д.), так как кислота довольно сильно раздражала слизистые оболочки. Поэтому особое внимание стали уделять не кислоте, а ее производным. И химики вместе с фармацевтами не ошиблись. Так, «закрыв» фенольную группу (основной «раздражитель»), им удалось получить препарат с другим, более щадящим действием. Таким «экраном» послужила ацетильная группа (СН3СО). Так образовалась всем известная ацетилсалициловая кислота (аспирин).

Аспирин стал применяться в медицине с 1899 г. в качестве жаропонижающего и болеутоляющего средства. Аспирин, наверное, самое распространенное из всех лекарств. Мы еще поговорим о нем подробнее в другом разделе, посвященном лекарствам.

Другое производное салициловой кислоты — ее фениловый эфир (салол).

Это вещество впервые получено в 1886 г. русским биохимиком Марцелием Вильгельмовичем Ненцким (1847-1901). Ученый занимался поисками антисептического препарата — производного салициловой кислоты, который не обладал бы раздражающим свойством. Его поиски увенчались успехом. Салол применяют при заболеваниях кишечника и почек в качестве дезинфицирующего средства.

Если ввести аминогруппу в параположение к карбоксильной группе, то получим пара-аминосалициловую кислоту (сокращенно ПАСК).

ПАСК в комбинации с другими лечебными препаратами используется для лечения туберкулеза.

Кроме одноосновной бензойной кислоты, в арсенале химиков имеются и двухосновные ароматические карбоновые кислоты. В молекулах этих кислот карбоксильные группы занимают различное положение в бензольном кольце. Поэтому они — изомеры. Эти три изомера имеют общее название — фталевые кислоты.

Фталевые кислоты широко используются в органической химии. Орто-фталевую кислоту применяют для производства красителей, фталевого ангидрида, который, в свою очередь, используют при получении полимеров, пластификаторов и лекарственных препаратов. Эта кислота легко образует диметиловый эфир, который при взаимодействии с этиленгликолем дает полимерный продукт — полиэфир. Этот эфир применяют для изготовления текстильного волокна — лавсана (дакрона, кримплена).

На этом мы заканчиваем рассказ о карбоновых кислотах — интереснейших органических соединениях. Мир органических кислот чрезвычайно разнообразен. Но какими бы они ни были по строению, как бы ни отличались между собой, у них есть общее свойство — при диссоциации они способны отщеплять водород в виде протона от карбоксильной группы. Это их основное свойство, главное отличие от других органических соединений.

Но если протон отщепляется, то должно же существовать и другое вещество, которое этот протон присоединит...

Об этом поговорим ниже.

 

6.5. От аммиака к аминам 

Наверное, многие слышали, что существует газ — аммиак. Вот его структурная формула:

Аммиак — слабое основание. Этим он обязан неподеленной паре электронов на атоме азота (они обозначены в формуле двумя точками). Действительно, если на аммиак подействовать кислотой, то ее протон будет связываться с атомом азота при помощи этих электронов. В результате образуется соль:

Аммиак — соединение неорганическое, но если атом водорода в молекуле аммиака заместить на радикал, то получим органическое вещество — амин (например, метиламин).

В зависимости от числа замещенных водородных атомов в молекуле аммиака различают амины первичные, вторичные и третичные.

Радикалы, замещающие водородные атомы, могут быть не только алифатическими, но и ароматическими, алициклическими и даже гетероциклическими.

Для получения аминов существует много способов, но главные из них — реакция Гофмана (алкилирование аммиака) и восстановление нитросоединений. Рассмотрим эти реакции.

Алкилирование аммиака (замена атомов водорода в молекуле аммиака на радикалы) провел одновременно с А. Вюрцем немецкий химик Август Вильгельм Гофман (1818-1892), нагревая галогеноводороды с аммиаком:

Восстановление ароматических нитросоединений в амины впервые осуществил в 1842 г. Н. Н. Зинин. Он действовал на нитробензол сульфидом аммония и получил ароматический амин — анилин:

Амины, будучи производными аммиака, имеют с ним много общего. Так, водные растворы аминов проявляют щелочную реакцию:

В этом случае протон связывается с атомом азота, а гидроксильная группа остается свободной. Она-то и определяет щелочные свойства. Таким образом, амины, как и аммиак, обладают основными свойствами. Это хорошо видно из электронного строения молекул аммиака и амина. В этих соединениях на атоме азота имеется неподеленная электронная пара, которая способна связывать протон.

Посмотрите, как это происходит:

Эта реакция подтверждает сделанный ранее вывод: кислоты — это вещества, способные отдавать протон, а основания — вещества, присоединяющие его.

Итак, амины — органические основания. Но оказалось, что они обладают большей основностью, чем аммиак! Конечно, этот факт не является неожиданностью и его легко объяснить. Вся причина в углеводородном радикале, который связан с атомом азота. Этот радикал способен «отталкивать» от себя электронную плотность в сторону этого атома. В результате на нем создается избыточная электронная плотность, которая вместе с парой электронов азота прочно удерживает протон.

Низшие амины (метиламин, диэтиламин и др.) при обычных условиях — газы с неприятным запахом (запах испорченной рыбы), хорошо растворимые в воде. Высшие амины — твердые, нерастворимые в воде вещества без запаха.

Амины нашли применение в химической промышленности. Они используются в производстве препаратов для борьбы с вредителями сельского хозяйства, ускорителей вулканизации каучуков, ПАВ, лекарственных средств и красителей. Высшие амины используются даже в строительстве. Так, их вводят в уплотняющие составы, замазки, дорожные покрытия. Это улучшает прилипаемость материалов к влажным поверхностям.

Если в молекуле амина имеются две аминогруппы, то это — диамины. Например:

Этот диамин является одним из исходных веществ для получения важного полимера — найлона (анида):

Из ароматических аминов особое значение имеет анилин.

С историей открытия анилина связано несколько имен выдающихся химиков мира, которые независимо друг от друга открыли этот замечательный продукт. В 30-е гг. XIX в. немецкий химик Ф. Рунге начал интенсивные работы по изучению каменноугольной смолы. Германия сильно отставала от Англии в этих исследованиях. Это тревожило ученого, как патриота своей страны. Англия, в отличие от Германии, располагала большими запасами каменного угля. Хорошо поставленное шахтное дело позволило Англии наладить производственное получение кокса для металлургии, а светильный газ использовать для освещения городов. В то же время Германия даже во второй половине XIX в. вынуждена была закупать значительную часть каменного угля для пароходов и паровозов. Поэтому серьезные исследования по переработке каменноугольной смолы в этой стране почти не проводились. Ф. Рунге был первым химиком, который взялся за систематическое изучение этого продукта. В результате в каменноугольной смоле ученый обнаружил несколько новых органических соединений (пиррол, хинолин, розоловую кислоту и др.). В 1839 г. Ф. Рунге выделил ксианол, который, как оказалось, был получен еще в 1826 г. при перегонке индиго с известью и назван кристаллином. Этот же продукт получил в 1841 г. К. Фрицше при нагревании индиго с раствором едкого кали и назвал его анилином (от исп. анил — индиго). Через два года тот же продукт был получен Н. Н. Зининым при восстановлении нитробензола сульфидом аммония и назван бензидамом. Идентичность ксианола, кристаллика, анилина и бензидама была установлена в 1843 г. А. Гофманом. Оказалось, что все эти названия характеризуют один и тот же продукт — очень важный ароматический амин, за которым потом закрепилось одно название — анилин.

Обратите внимание, каким способом получали анилин эти ученые. Если Ф. Рунге выделил его из каменноугольной смолы (анилин содержится в ней в незначительных количествах), а двое других ученых — из красителя индиго, то Н. Н. Зинин  сделал то, что не удалось ни одному из этих химиков: он синтезировал анилин из другого органического вещества — нитробензола. Такой метод получения ароматических аминов вскоре был назван «реакцией Зинина». «Если бы Зинин не сделал ничего больше, кроме превращения нитробензола в анилин, то имя его и тогда осталось бы написанным золотыми буквами в истории химии». Эти слова произнес А. Гофман на могиле Н. Н. Зинина в 1880 г.

Реакция Зинина легла в основу производственных процессов, возникших в ХIХ в. в промышленности синтетических красителей, взрывчатых веществ, лекарственных препаратов и многих других соединений.

Анилин — бесцветная маслообразная жидкость, малорастворимая в воде. Легко окисляется кислородом воздуха. При этом она желтеет, а потом приобретает темно-бурый цвет.

Химические свойства анилина определяются аминогруппой и бензольным кольцом. Как и в случае обычных аминов, атом азота имеет неподеленную пару электронов, которые способны присоединять протон кислоты:

Как видите, анилин также обладает основными свойствами. Однако они выражены гораздо слабее, чем у аммиака, а тем более у алифатических аминов. Это можно объяснить тем, что неподеленная электронная пара на атоме азота в молекуле анилина вступает во взаимодействие с π-электронами бензольного кольца. В результате этого электронная пара несколько смещается в сторону кольца, а атом азота приобретает более положительный характер. Поэтому его склонность к присоединению протонов снижается.

Анилин вступает в те же реакции, что и алифатические амины. Однако у него имеются и свои особенности. Например, он легко окисляется. При этом, как говорилось выше, анилин даже на воздухе меняет свой цвет до темной окраски. Но особенно легко анилин окисляется под влиянием сильных окислителей. В этом случае он превращается в «черный анилин» — краситель черного цвета. Особенно легко окисляются ароматические диамины (например, фенилендиамин). Продукты, которые при этом образуются, используют для окраски искусственного меха в черный цвет, а также в косметике (краситель «урсол»).

Из анилина можно получать много очень ценных веществ. Это — анилиновые красители, лекарственные препараты, фотоматериалы, полимеры и др. Например, число анилиновых красителей (азокрасителей) в настоящее время превышает 2 тыс. Первый и самый простой азокраситель — «анилиновый желтый» был получен в 1861 г.

Сама реакция (реакция диазотирования), благодаря которой стало возможным получение азокрасителей, была открыта немецким химиком Петером Гриссом (1829-1888) раньше — в 1858 г. Вот эта реакция:

В результате взаимодействия образовавшейся соли диазония с ароматическими аминами или фенолами получают азокрасители.

Приведем пример еще одного азокрасителя — «метилового оранжевого»:

Окраска этого красителя меняется в зависимости от характера раствора: в щелочной и нейтральной среде его цвет желтый, а в кислой — красный. Поэтому такой краситель применяют в качестве индикатора (метилоранж).

Несмотря на то что сам анилин — довольно ядовитое вещество (разрушает красные кровяные тельца), его некоторые производные находят применение в медицине. Наверное, вы слышали о препарате — фенацетине, который раньше использовали в качестве жаропонижающего и болеутоляющего средства:

В наши дни фенацетин заменил близкий по строению парацетамол: