Удивительный мир органической химии

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: