Карбоновые кислоты представляют собой один из важнейших классов органических соединений, обладающих широчайшим спектром применения. Их синтез может осуществляться различными методами, основанными на окислении, гидролизе, карбоксилировании и других процессах. Выбор метода определяется природой исходного вещества, требуемой степенью чистоты продукта и условиями реакции.
Окисление первичных спиртов и альдегидов Одним из наиболее распространённых способов является окисление первичных спиртов до альдегидов, а затем до соответствующих кислот. Реакция может проводиться различными окислителями: перманганатом калия, дихроматом калия, азотной кислотой, а также с использованием катализаторов (Pt, Pd).
Окисление алкилароматических соединений Алкильные заместители в ароматическом ядре, например метильная группа в толуоле, окисляются сильными окислителями (KMnO₄, HNO₃) до карбоксильных групп, в результате чего образуются ароматические кислоты, такие как бензойная кислота. Важной особенностью является то, что длина боковой цепи не имеет значения: любое алкильное заместительное окисляется до –COOH.
Каталитическое окисление алкенов Алкены при воздействии кислорода в присутствии катализаторов (например, Mn или Co-содержащих систем) могут окисляться до дикарбоновых кислот. Примером служит промышленное получение адипиновой кислоты из циклогексена или циклогексанола/циклогексанона.
Гидролиз нитрилов Нитрилы органических кислот под действием кислот или щелочей гидролизуются, образуя карбоновые кислоты. Например, гидролиз ацетонитрила приводит к уксусной кислоте. Этот метод особенно ценен для синтеза многоосновных кислот.
Гидролиз сложных эфиров Сложные эфиры при нагревании с растворами щелочей подвергаются реакции омыления, приводя к образованию солей карбоновых кислот, которые затем подкисляют для выделения свободной кислоты.
Гидролиз амидов Амиды кислот также гидролизуются при жёстких условиях, образуя соответствующие кислоты. Данный метод применяется преимущественно в лабораторной практике.
Реакция Карбонилирования (реакция Реппе) Алкины в присутствии катализаторов (Ni(CO)₄) взаимодействуют с окисью углерода и водой, образуя карбоновые кислоты.
Реакция Грингарда с последующим карбоксилированием Органомагниевые соединения (реактивы Грингарда) реагируют с углекислым газом, образуя соли магния карбоновых кислот. После обработки кислотой получают соответствующие карбоновые кислоты. Этот метод широко используется для синтеза ароматических и алифатических кислот в лабораторных условиях.
Карбоксилирование аренов Ароматические соединения могут вступать в реакцию с CO₂ в присутствии катализаторов. Классическим примером является реакция Кольбе–Шмитта, при которой феноляты реагируют с углекислым газом под давлением, образуя гидроксибензойные кислоты.
Реакция с цианидами Алкилгалогениды при взаимодействии с цианидами калия или натрия превращаются в нитрилы, которые затем гидролизуются в кислоты. Этот метод является важным для удлинения углеродной цепи на один атом.
Реакции с карбоксилатами металлов Некоторые галогенпроизводные способны вступать в реакции с солями карбоновых кислот, что также может приводить к образованию новых кислот.
Окисление углеводов Моносахариды при окислении дают альдоновые, уроновые и сахарные кислоты, представляющие особую ценность в биохимии.
Фотохимические и электрохимические методы Современные подходы включают фотоокисление углеводородов и электрохимическое карбоксилирование органических соединений, что открывает новые возможности в промышленном синтезе.
Биосинтетические методы С использованием микроорганизмов или ферментов возможен мягкий и селективный синтез карбоновых кислот, например, производство лимонной или молочной кислоты в биотехнологии.
Промышленный синтез карбоновых кислот базируется на масштабных процессах окисления углеводородов, гидролиза нитрилов и карбоксилирования. Так, уксусная кислота производится главным образом карбонилированием метанола с использованием родиевых и иридиевых катализаторов (процесс Монсанто и процесс Катива). Адипиновая кислота синтезируется через окисление циклогексана, что имеет решающее значение для производства нейлона.
Карбоновые кислоты представляют собой универсальный класс соединений, получение которых возможно множеством путей, отличающихся по механизму, условиям проведения и областям применения.