Декарбоксилирование солей одноосновных кислот
Декарбоксилирование солей одноосновных карбоновых кислот со щёлочью — способ получения алканов. При нагревании соль карбоновой кислоты сплавляют с гидроксидом натрия или натронной известью; карбоксильная группа удаляется вместе с одним атомом углерода, поэтому алкан содержит на один атом углерода меньше, чем исходная кислота.
Суть реакции и общее уравнение
Исходным веществом служит соль одноосновной карбоновой кислоты — обычно натриевая соль. В её составе углеводородный остаток \(R\) связан с карбоксилатной группой \(-\mathrm{COO^-}\). При сплавлении с гидроксидом натрия образуются алкан \(R-\mathrm{H}\), карбонат натрия и вода. В школьных уравнениях чаще используют сокращённую запись с гидроксидом натрия.
Декарбоксилирование — отщепление карбоксильной группы \(-\mathrm{COOH}\) или карбоксилатной группы \(-\mathrm{COO^-}\) от органической молекулы. При сплавлении соли с щёлочью оно сопровождается удалением одного атома углерода.
Здесь \(R\) — углеводородный остаток. Если соль имеет строение \(\mathrm{RCOONa}\), продуктом будет алкан \(\mathrm{RH}\). Условия реакции — нагревание и твёрдая щёлочь; в лаборатории часто применяют натронную известь, смесь \(\mathrm{NaOH}\) и \(\mathrm{CaO}\). Оксид кальция делает смесь более рыхлой и препятствует спеканию, но в школьном уравнении его обычно не записывают как реагент.
При декарбоксилировании соли насыщенной одноосновной карбоновой кислоты образуется алкан, содержащий на один атом углерода меньше, чем исходная кислота: \(n(\mathrm{алкана})=n(\mathrm{кислоты})-1\).
Как составить уравнение реакции
Для шешімдер тапсырмалар удобно действовать по алгоритму. Сначала определите углеводородный остаток \(R\) в формуле соли \(\mathrm{RCOONa}\). Затем мысленно удалите фрагмент \(\mathrm{-COONa}\) и добавьте к оставшемуся остатку один атом водорода. Получившаяся частица должна быть нейтральным алканом. После этого расставьте коэффициенты и проверьте баланс атомов.
- Запишите соль в виде \(\mathrm{RCOONa}\) и выделите карбоксилатную группу.
- Удалите карбоксильный углерод вместе с кислородом и натрием.
- Добавьте водород к остатку \(R\): получится \(\mathrm{RH}\).
- Запишите среди продуктов карбонат натрия \(\mathrm{Na_2CO_3}\).
- Проверьте число атомов углерода, водорода, кислорода и натрия.
| Исходная соль | Остаток \(R\) | Алкан |
|---|---|---|
| \(\mathrm{CH_3COONa}\) | \(\mathrm{CH_3-}\) | \(\mathrm{CH_4}\) |
| \(\mathrm{C_2H_5COONa}\) | \(\mathrm{C_2H_5-}\) | \(\mathrm{C_2H_6}\) |
| \(\mathrm{C_3H_7COONa}\) | \(\mathrm{C_3H_7-}\) | \(\mathrm{C_3H_8}\) |
| \(\mathrm{(CH_3)_2CHCOONa}\) | \(\mathrm{(CH_3)_2CH-}\) | \(\mathrm{C_3H_8}\) |
Важно отличать углерод карбоксильной группы от углеродов углеводородного остатка. Например, в пропионате натрия \(\mathrm{CH_3CH_2COONa}\) всего три атома углерода, но один из них относится к карбоксилатной группе; поэтому продукт — этан, а не пропан.
Какой алкан образуется при сплавлении пропионата натрия \(\mathrm{CH_3CH_2COONa}\) с \(\mathrm{NaOH}\)?
Разобранный пример: 2-метилпропионат натрия
Рассмотрим типичный экзаменационный пример: сплавление 2-метилпропионата натрия с гидроксидом натрия. Название соли показывает, что её анион происходит от 2-метилпропановой кислоты. Структурную формулу удобно записать как \(\mathrm{(CH_3)_2CHCOONa}\).
Іздеу органический продукт реакции и записать уравнение получения алкана.
В результате получается пропан. Несмотря на разветвлённое строение исходной соли, продукт имеет три атома углерода и является обычным алканом \(\mathrm{C_3H_8}\): у пропана возможна только одна структурная формула.
В названии соли мысленно замените «-пропионат» или «-бутаноат» на соответствующий алкан, уменьшив число атомов углерода на один. Но при разветвлениях лучше сначала записать структурную формулу: именно остаток \(R\) определяет строение продукта.
Связь с окислительно-восстановительными процессами
В школьной классификации эту реакцию относят прежде всего к реакциям органического превращения и обмена при нагревании. Она не является типичной реакцией обмена в водном растворе: реагенты находятся в твёрдой смеси, а продуктом служит углеводород. Для решения задания не требуется искать окислитель и восстановитель, как в обычной ОВР.
Тем не менее изменение состава углеродного скелета важно: углерод карбоксильной группы уходит в карбонат, а углерод остатка оказывается в алкане. Если задание дополнительно спрашивает степени окисления, их вычисляют отдельно по правилам для органических соединений; само уравнение прежде всего проверяют по атомному балансу.
Типичные варианты и ограничения
| Соль | Уравнение органического продукта | Алкан |
|---|---|---|
| Ацетат натрия | \(\mathrm{CH_3COONa \rightarrow CH_4}\) | Метан |
| Пропионат натрия | \(\mathrm{CH_3CH_2COONa \rightarrow C_2H_6}\) | Этан |
| Бутаanoат натрия | \(\mathrm{CH_3CH_2CH_2COONa \rightarrow C_3H_8}\) | Пропан |
| 2-метилпропионат натрия | \(\mathrm{(CH_3)_2CHCOONa \rightarrow C_3H_8}\) | Пропан |
Метод применим к солям одноосновных карбоновых кислот. Если исходная кислота многоосновная, ароматическая или содержит другие функциональные группы, условия и продукты могут отличаться, поэтому нельзя автоматически использовать формулу без анализа строения вещества.
1. Сохраняют карбоксильный углерод и получают алкан с тем же числом атомов углерода. 2. Записывают \(\mathrm{Na_2CO_3}\) как \(\mathrm{CO_2}\) без причины. 3. Забывают коэффициент перед \(\mathrm{NaOH}\) или ставят воду среди продуктов в обычном уравнении. 4. Путают 2-метилпропионат с бутаноатом: у первого после удаления карбоксильной группы остаётся разветвлённый остаток из трёх атомов углерода. 5. Неправильно определяют продукт как алкен: при данном превращении образуется насыщенный углеводород — алкан.
Для сравнения с другими органическими превращениями можно обратиться к странице о механизме декарбоксилирования и затем к странице о продукте декарбоксилирования. Общие правила жазбалар уравнений разобраны в материале об уравнении химической реакции, а окисление готовых алканов рассматривается на странице окисления алканов.
Быстрая проверка
Проверьте понимание темы
Главное
- Соли карбоновых кислот сплавляют с \(\mathrm{NaOH}\) или натронной известью при нагревании.
- Общее уравнение: \(\mathrm{RCOONa + NaOH \rightarrow RH + Na_2CO_3}\).
- Карбоксильный углерод удаляется, поэтому в алкане на один атом углерода меньше.
- Для 2-метилпропионата натрия \(\mathrm{(CH_3)_2CHCOONa}\) продуктом является пропан \(\mathrm{C_3H_8}\).
- Басты бет проверка ответа — правильное выделение остатка \(R\) и баланс всех атомов в уравнении.