Реакция бензойной кислоты с водой при нагревании

Бензол, C6H6, является углеводородом, содержащимся в сырой нефти, и основным компонентом бензина. Он используется для изготовления синтетических волокон, моющих средств и даже лекарств. Вы можете получить бензойную кислоту, химическую структуру C6H5COOH, из бензола, объединив нерастворимую в воде молекулу бензола с группой карбоновой кислоты (-COOH). Это производит растворимый в воде, приятно пахнущий белый порошок, который используется для ароматизаторов и духов. Образование бензойной кислоты связано с «ионизируемостью». Вода может присоединяться к бензойной кислоте посредством водородных связей. Кроме того, молекулы воды могут стабилизировать образование «бензозатного» иона.

Основная причина низкой растворимости

Основная причина, по которой бензойная кислота лишь незначительно растворяется в холодной воде, заключается в том, что, хотя группа карбоновой кислоты является полярной, основная масса молекулы бензойной кислоты является неполярной (вода является полярной). Только карбоновая группа является полярной. Кроме того, нет внутренних стабилизирующих структур, которые бы благоприятствовали карбоксилату, -COO (-), по сравнению с карбоновой кислотой, -COOH.

Водородная связь

Когда нет воды, две молекулы бензойной кислоты могут образовывать то, что называется димером. В этом случае одна молекула водорода связывается со второй молекулой.

В присутствии воды, хотя ей и не хватает ионизации, вода может образовывать водородную связь с бензойной кислотой. Таким образом:

C6H5COOH + H2O → C6H5COO — H — OH2.

Такие водородсвязанные частицы могут перейти в точку ионизации.
Ионизация

Помимо образования водородной связи, полная ионизация может иметь место, если есть какой-то возбудитель, чтобы вызвать это. Основания могут вызывать ионизацию, но в ограниченной степени вода производит ионизацию в соответствии со следующим уравнением реакции:

C6H5COOH + H2O → C6H5COO (-) + H3O (+)

Ионизация гарантирует растворимость в воде, поскольку вода является полярным растворителем.

Тепло увеличивает растворимость

Добавление тепла значительно увеличивает растворимость, потому что часть увеличенной энергии в достаточной степени удлиняет водородные связи, так что происходит ионизация. Ионы по определению полярны, поэтому общий трюизм, подобно тому, как растворяется, указывает, что ионы затем растворятся в воде.

Увеличение растворимости

Помимо изменений температуры существуют и другие способы увеличения или уменьшения водорастворимости бензойной кислоты. Добавление сильной кислоты уменьшает ионизацию благодаря эффекту «общего иона». Увеличение pH увеличивает ионизацию бензойной кислоты, что может привести к реакции.

Бензойная кислота и другие растворители

Хотя его растворимость в воде низкая, бензойная кислота растворима в других растворителях. Некоторые из более предсказанных показателей растворимости для обычных растворителей включают 3,85 М для гексана и 9,74 М для этилацетата.

Источник

Бензойная кислота

Общие
Бензойная кислота


Систематическое наименование	бензойная кислота
Традиционные названия	бензойная кислота
Химическая формула	C₆H₅COOH
Эмпирическая формула	C₇H₆O₂
Физические свойства
Состояние (ст. усл.)	твердая
Молярная масса	122.12 г/моль
Плотность	1.32 г/см³
Термические свойства
Температура плавления	122.4 °C
Температура кипения	249.2 °C
Температура разложения	370 °C
Удельная теплота испарения	527 Дж/кг
Удельная теплота плавления	18 Дж/кг
Химические свойства
pK_a	4.21
Растворимость в воде	0,29 г/100 мл
Структура
Дипольный момент	1.72 Д
Классификация
Рег. номер CAS	65-85-0
RTECS	DG0875000
Безопасность
Токсичность	LD50 500 mg·kg−1

Бензойная кислота C₆H₅СООН — простейшая одноосновная карбоновая кислота ароматического ряда.

Содержание

История

Впервые выделена возгонкой в 16 веке из бензойной смолы (росного ладана), отсюда и получила своё название. Этот процесс был описан у Нострадамуса (1556), а затем у Жироламо Рушелли (1560, под псевдонимом Alexius Pedemontanus) и у Blaise de Vigenère (1596).

В 1832 году немецкий химик Юстус фон Либих определил структуру бензойной кислоты. Он также исследовал, как она связана с гиппуровой кислотой.

В 1875 немецкий физиолог Эрнст Леопольд Зальковский исследовал противогрибковые свойства бензойной кислоты, которая долгое время использовалась в консервировании фруктов.

Физические свойства

Бензойная кислота — белые кристаллы, плохо растворимые в воде, хорошо — в этаноле, хлороформе и диэтиловом эфире. Бензойная кислота является, подобно большинству других органических кислот, слабой кислотой (pKa 4.21).

Чистая кислота имеет температуру плавления 122.4 °C, температуру кипения 249 °C.

Легко возгоняется; перегоняется с водяным паром, поэтому не следует концентрировать водные растворы бензойной кислоты упариванием.

Получение

В промышленных масштабах бензойную кислоту получают окислением толуола кислородом при участии катализатора (нафтената марганца или кобальта).

Лабораторный синтез

Безойная кислота дешева и легкодоступна. Поэтому лабораторный синтез используется в педагогических целях. Очистку бензойной кислоты удобно проводить перекристаллизацией из воды. Другие растворители для перекристаллизации: уксусная кислота (ледяная и водная), бензол, ацетон, петролейный эфир и водный этанол.

Гидролиз

Бензамид и бензонитрил гидролизуются в воде в присутствии кислоты или основания до бензойной кислоты.

Реакция Канниццаро

Бензальдегид в основной среде претерпевает преобразование по реакции Канниццаро. В итоге получается бензойная кислота и бензиловый спирт.

Реакция Гриньяра

Из бромбензола по реакции карбоксилирования фенилмагний бромида.

Окисление

Историческое получение

Первый производственный процесс включал в себя гидролиз бензотрихлорида под действием гидроксида кальция в воде в присутствии железа или его солей в качестве катализатора. Образующийся бензоат кальция переводили в бензойную кислоту обработкой соляной кислотой. Продукт содержал значительный количества хлорпроизводных бензойной кислоты. Поэтому не использовался в качестве пищевой добавки. В настоящее время в пищу используется бензойная кислота, получаемая синтетически.

Применение

Калориметрия

Бензойная кислота наиболее используемый химический стандарт для определения теплоемкости калориметров.

Сырьё

Бензойная кислота служит для получения многих реактивов, наиболее значимые из них следующие:

Бензоилхлорид, C₆H₅C(O)Cl, получается обработкой бензойной кислоты тионилхлоридом, фосгеном или хлоридами фосфора. C₆H₅C(O)Cl — важное исходное вещество для некоторых производных бензойной кислоты, таких как бензилбензоат, используемый как искусственный ароматизатор и репеллент.
Бензоатные пластификаторы, такие как гликоль-, диэтиленгликоль- и триэтиленгликолевые эфиры, получаемые переэтерефикацией метилбензоата с соответствующим диолом. Альтернативно эти вещества получаются действием бензоилхлорида на соответствующий диол. Эти пластификаторы используются с соответствующими эфирами терефталевой кислоты.
Фенол, C₆H₅OH, получаемый окислительным декарбоксилированием при 300—400 °C. Небходимая температура, может быть понижена до 200 °C добавлением каталитических количеств солей меди (II). Далее фенол может быть конвертирован в циклогексанол, который служит исходным веществом в синтезе нейлона.

Консервант

Бензойную кислоту и её соли используют при консервировании пищевых продуктов (пищевые добавки E210, E211, E212, E213). Бензойная кислота, блокируя ферменты, замедляет обмен веществ в одноклеточных организмах. Она подавляет рост плесени, дрожжей и некоторых бактерий. Ее добавляют напрямую или в виде натриевой, калиевой или кальциевой соли. Механизм действия начинается с абсорбции бензойной кислоты клеткой. Поскольку через стенку клетки может проникнуть только недиссоциированная кислота, бензойная кислота проявляет антимикробное действие только в кислых пищевых продуктах. Если внутриклеточный pH 5 или меньше, анаэробная ферментация глюкозы через фосфорфруктокиназу уменьшается на 95 %. Эффективность бензойной кислоты и бензоатов зависит от pH пищи. Кислая пища, напитки такие как фруктовые соки (лимонная кислота), игристые напитки (углекислый газ), безалкогольные напитки (фосфорная кислота), соленья (уксусная кислота) или другая закисленная пища консервируются бензойной кислотой и ее солями. Типичные концентрации бензойной кислоты при консервации пищи 0.05-0.1 %. Считается, что бензойная кислота и ее соли в некоторых безалкогольных напитках, могут реагировать с аскорбиновой кислотой (витамин С), образуя небольшие количества бензола. Но фактически для получения бензола из бензойной кислоты необходима реакция декарбоксилирования при высокой температуре (с выделением углекислого газа как побочного продукта реакции).

Медицина

Бензойную кислоту применяют в медицине при кожных заболеваниях, как наружное антисептическое (противомикробное) и фунгицидное (противогрибковое) средства, при трихофитиях и микозах, а её натриевую соль — как отхаркивающее средство.

Другие применения

Эфиры бензойной кислоты (от метилового до амилового) обладают сильным запахом и применяются в парфюмерной промышленности. Некоторые другие производные бензойной кислоты, такие как, например, хлор- и нитробензойные кислоты, широко применяются для синтеза красителей.

Читайте также: Льняная вода для белья

Биология и воздействие на здоровье

Бензойная кислота в свободном виде и виде сложных эфиров встречается в составе многих растений и животных. Значительное количество бензойной кислоты находится в ягодах (около 0,05 %). Зрелые плоды некоторых видов вакциниума содержат большое количество свободной бензойной кислоты. Например, в бруснике — до 0,20 % в спелых ягодах, и в клюкве — до 0,063 %. Бензойная кислота также образуется в яблоках после заражения грибком Nectria galligena. Среди животных, бензойная кислота обнаружена в основном во всеядных или фитофагных видах, например, во внутренных органах и мускулах тундряной куропатки (Lagopus muta), также как и в выделениях самцов овцебыка или азиатского слона.

Безойная смола содержит до 20 % бензойной кислоты и 40 % бензойных эфиров.

Бензойная кислота присутствует, как часть гиппуровой кислоты (N-бензоилглицин) в моче млекопитающих, особенно травоядных животных. Бензойная кислота хорошо всасывается, через коэнзим А связывается с аминокислотой глицином в гиппуровую кислоту и в таком виде выводится через почки. Человек выделяет около 0,44 г/л гиппуровой кислоты в день в моче и больше, если находится в контакте с толуолом или бензойной кислотой. Для человека считается безопасным потребление 5 мг/кг массы тела в день. Коты имеют гораздо более низкую толерантность к бензойной кислоте, чем мыши и крысы. Летальная доза для котов 300 мг/кг массы тела. Оральная ЛД₅₀ для крыс 3040 мг/кг, для мышей 1940—2260 мг/кг.

Химия

Реакции бензойной кислоты обусловлены наличием бензольного кольца и карбоксильной группы, а также их взаимным влиянием.

Бензольное кольцо

Электрофильное ароматическое присоединение происходит по 3-му положению из-за электроноакцепторных свойств карбоксильной группы. Второе замещение происходит сложнее (правая часть) благодаря деактивации нитрогруппой. Наоборот, при введении электронодонорного заместителя (например, алкила), второе замещение происходит легче.

Карбоксильная группа

Все реакции характерные для карбоксильной группы возможны с бензойной кислотой:

Эфиры бензойной кислоты — продукты кислотнокатализируемой реакции со спиртами
Амиды бензойной кислоты легко доступны, используя для их синтеза активированные производные(такие как бензоилхлорид), или сочетающие реагенты используемые в пептидном синтезе такие как ДЦГК и ДМАП.
Более активный бензойный ангидрид образуется при дегидратации уксусным ангидридом или оксидом фосфора
Высокоактивные галогенангидриды легко получаются действием хлоридом фосфора или тионилхлорида
Ортоэфиры могут быть получены в сухих условиях реакцией бензонитрила в кислой среде со спиртами
Восстановление до бензальдегида или бензилового спирта возможно при использовании LiAlH₄ или борогидрида натрия
Декарбоксилирование серебряной соли может быть проведено при нагревании, бензойная кислота может быть декарбоксилирована при нагревании с сухими щелочами или гидроксидом кальция.
Бензойная кислота образует соли

Источник