Особенности строения молекул карбоновых кислот

Карбоксильная группа представляет собой сочетание двух функциональных групп: карбонильной (>С=О) и гидроксильной (—ОН), связанных друг с другом непосредственно. Вследствие высокой электроотрицательности кислорода (3,5 по шкале Полинга) электронная плотность в карбоксильной группе смещена в сторону атомов кислорода. Атом углерода карбонильной группы приобретает частичный положительный заряд (δ+), а карбонильный кислород — частичный отрицательный (δ-). При этом гидроксильный кислород также оттягивает на себя электронную плотность от атома водорода, что дополнительно поляризует связь О—Н.

Центральный элемент группы — атом углерода, находящийся в sp²-гибридизации. Три его связи лежат в одной плоскости и направлены под углом ~120° друг к другу^[2]. Данный углерод связан:

• с гидроксилом (-OH) (простая связь C-OH);
• с атомом кислорода (двойная связь C=O, карбонильная группа);
• с углеводородным радикалом (R) или атомом водорода (в случае муравьиной кислоты).

Карбоксильная группа сочетает две функциональные группы: карбонильную (C=O) и гидроксильную (-OH), которые взаимно влияют друг на друга^[3]. Благодаря сопряжению p-электронов атома кислорода гидроксила и π-электронов двойной связи C=O образуется единая делокализованная электронная система.

Высокая полярность связей C=O и O-H приводит к значительному частичному положительному заряду на карбонильном углероде (δ+) и отрицательному на атомах кислорода. Из-за сильного -I-эффекта соседнего карбонильного кислорода связь O-H сильно поляризована, что облегчает отрыв протона H⁺. Именно поэтому карбоновые кислоты проявляют кислотные свойства даже в отсутствие воды, хотя и являются слабыми кислотами.

Карбоксильная группа имеет плоское строение. Атом углерода карбоксильной группы находится в состоянии sp²-гибридизации, валентные углы близки к 120°^[4]. Атомы кислорода и углерода, а также присоединённый к карбоксилу атом углерода (или водород у муравьиной кислоты) лежат в одной плоскости. Такое плоское строение является необходимым условием для эффективного p,π-сопряжения между гидроксильным кислородом и карбонильной группой^[5].

Электронный эффект углеводородного радикала (R) влияет на кислотность и реакционную способность молекулы в целом:

• Электронодонорные заместители (алкильные группы) увеличивают электронную плотность на карбоксильной группе, понижая кислотность;
• Электроноакцепторные заместители (галогены, нитрогруппа) оттягивают электронную плотность, повышая кислотность.

Наибольшей кислотностью среди предельных кислот обладает муравьиная кислота, в которой радикал отсутствует, а водород не проявляет электронодонорного эффекта.

По природе радикала различают:

• предельные (муравьиная HCOOH, уксусная CH₃COOH);
• непредельные (акриловая CH₂=CH-COOH);
• ароматические (бензойная C₆H₅COOH);
• дикарбоновые (щавелевая, терефталевая)^[6].

По числу карбоксильных групп:

• одноосновные (уксусная кислота);
• двухосновные (щавелевая);
• многоосновные^[7].