Карбоксильная группа –СООН представляет собой функциональный центр, обладающий высокой полярностью и способностью к различным превращениям. Она объединяет карбонильный и гидроксильный фрагменты, что обуславливает её двойственную природу: кислотные свойства связаны с отщеплением протона гидроксильной группы, а реакции замещения и присоединения определяются электрофильным центром в атоме углерода карбонильной группы. Электронное строение делает карбоксильную группу склонной к взаимодействию как с нуклеофильными, так и с электрофильными реагентами.
Диссоциация и образование солей. Карбоновые кислоты проявляют кислотные свойства за счёт отщепления протона –ОН-группы с образованием карбоксилат-аниона. Взаимодействие с основаниями приводит к образованию солей:
Образование аммонийных солей. При взаимодействии с аммиаком и аминами образуются аммонийные карбоксилаты, которые при нагревании могут дегидратироваться с образованием амидов.
Образование хлорангидридов. Под действием хлорирующих агентов (тионилхлорид SOCl₂, фосген COCl₂, оксихлорид фосфора POCl₃) гидроксильная группа замещается на хлор с образованием ацилхлоридов. Эти соединения чрезвычайно реакционноспособны и служат важными промежуточными продуктами органического синтеза.
Образование ангидридов. Дегидратация двух молекул карбоновых кислот приводит к ангидридам. Для активации процесса применяются дегидратирующие агенты (P₂O₅, концентрированная H₂SO₄).
Образование эфиров. Классическая реакция этерификации – взаимодействие кислоты со спиртом в присутствии минеральных кислот (обычно H₂SO₄). Механизм включает образование карбониевого интермедиата и последующую нуклеофильную атаку спирта. Эстеры представляют собой важные производные кислот, используемые как растворители, пластификаторы, ароматизаторы.
Образование амидов. Карбоновые кислоты взаимодействуют с аминами, чаще через промежуточные активированные формы (ацилхлориды или ангидриды). Прямая реакция с аммиаком требует нагрева и сопровождается отщеплением воды.
Восстановление.
Восстановление до альдегидов. Реализуется селективными реагентами, например реагентом Дибала (ди-изобутилалюминийгидрид при низкой температуре).
Галогенирование по α-атому углерода. Карбоновые кислоты могут вступать в реакции замещения в α-положении при действии хлора или брома в присутствии катализаторов (реакция Гелль-Вольгарда–Зелинского).
Удаление карбоксильной группы с выделением углекислого газа характерно для ряда карбоновых кислот.
Кето- и альдольная конденсация через промежуточные производные. Активированные производные кислот (например, ангидриды или хлорангидриды) могут вступать в реакции с нуклеофильными реагентами, образуя новые углеродно-углеродные связи.
Ацилирование по Фриделю–Крафтсу. Ацилхлориды и ангидриды в присутствии кислот Льюиса (AlCl₃, FeCl₃) ацилируют ароматические соединения с образованием кетонов.
Разнообразие реакций карбоновых кислот и их производных определяет их центральную роль в органическом синтезе. Они являются исходными соединениями для получения амидов, эфиров, ангидридов, ацилгалогенидов, спиртов, альдегидов и углеводородов, что делает их универсальным классом веществ, связывающим многочисленные разделы органической химии.