Powrót

Kwasy karboksylowe

Grupa funkcyjna: grupa karboksylowa –COOH

Wzór ogólny R–COOH lub Ar–COOH (R - grupa węglowodorowa, Ar - grupa arylowa) 

Nazewnictwo (*nazwa preferowana przez IUPAC)

Nazwy tworzy się z nazw węglowodorów dodając nazwę kwas i końcówkę –owy, bardzo często używa się też nazw zwyczajowych.

kwas metanowy mrówkowy chemia LO kwas etanowy octowy chemia LO kwas propanowy propionowy chemia LO kwas butanowy masłowy chemia LO

 kwas mrówkowy*
metanowy

 kwas octowy*
kwas etanowy

 kwas propanowy*
propionowy

kwas butanowy*
masłowy

 

 kwas benzoesowy chemia LO

kwas benzoesowy*
kwas benzenokarboksylowy

(R) Atom węgla w grupie karboksylowej ma hybrydyzację sp2. Grupa karboksylowa jest płaska i ma kształt trójkata, gdzie C jest atomem centralnym a w narożach trójkąta znajdują się: O, OH, R.

Jeżeli w cząsteczce kwasu występują podstawniki lub wielokrotne wiązanie, wówczas numeruje się atomy węgla - węgiel z grupy karboksylowej zawsze ma lokant 1. Cyfry używa się tylko w nazwach systematycznych.

kwas pent-3-enowy kwas pent-3-enowy
kwas 2-metylobutanowy chemia LO kwas 2-metylobutanowy

 


Własności fizyczne

Cząsteczki kwasów karboksylowych są silnie zasocjowane przez obecność wiązań wodorowych. Większość kwasów występuje w postaci cyklicznych dimerów.

Dimer kwasu octowego dimer kwasu octowego

 

Pełny tekst dostępny jest tylko dla zalogowanych



Taka struktura ma duży wpływ na temperatury wrzenia kwasów karboksylowych, które są wyższe niż temperatury odpowiednich alkoholi. Rozpuszczalność w wodzie wynika z tworzenia wiązań wodorowych między kwasem a wodą. W wodzie rozpuszczają się dobrze kwasy o długości łańcucha C1–C4, słabo C5–C9 a pozostałe są nierozpuszczalne. Są dobrze rozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych. Kwas mrówkowy: bezbarwna ciecz, o ostrym zapachu, parzący, dobrze rozpuszczalny w wodzie. Kwas octowy: bezbarwna ciecz o ostrym zapachu, żrący,  dobrze rozpuszczalny w wodzie. Krzepnie w temp. 16,6o C, tworząc kryształy podobne do lodu (tzw. lodowaty kwas octowy). Lodowaty kwas octowy ma stosunkowo wysoką temperaturę topnienia w porównaniu z innymi homologami. Jest to spowodowane obecnością dużej ilości międzycząsteczkowych (intermolekularnych) wiązań wodorowych. Dysocjacja kwasów karboksylowych Kwasy karboksylowe łatwo dysocjują do anionu karboksylanowego i kationu wodoru. R–COOH ⇌ R–COO– + H+ Dla większości kwasów karboksylowych stała dysocjacji Ka jest rzędu 10–5. Czyli ok. 0,1% cząsteczek jest zdysocjowanych. Moc kwasów karboksylowych maleje wraz z długością łańcucha węglowodorowego. Kwasy karboksylowe są na ogół znacznie słabsze od kwasów nieorganicznych, lecz silniejsze niż alkohole. —————— kwasowość —————————→ alkohole —————— kwasy organiczne —————— kwasy nieorganiczne Dlaczego kwasy karboksylowe są bardziej kwasowe niż alkohole, mimo, że w obu grupach związków występuje taka sama grupa -OH? Atom tlenu z grupy karbonylowej =CO ściąga elektrony π wiązania podwójnego i tym samym atom C robi się uboższy w elektrony. To z kolei powoduje osłabienie wiązania O−H, więc atom wodoru łatwo może odejść od cząsteczki. Po oderwaniu wodoru powstaje stabilny jon –COO– . Anion karboksylanowy jest stabilizowany przez rezonans i dlatego kwasy dysocjują łatwiej niż alkohole, które również posiadają grupę –OH. Powstają dwie równoważne struktury rezonansowe:   Ładunek ujemny jest zdelokalizowany i jest dzielony w strukturze rezonansowej między dwoma elektroujemnymi atomami tlenu. Dlatego "osłabienie" ładunku ujemnego na każdym atomie tlenu powoduje, że proton jest słabiej przyciągany. Następuje też wyrównanie długości wiązań węgiel-tlen. Jednak - im dłuższy jest łańcuch węglowodorowy tym jest mocniejsze wiązanie O−H i dysocjacja zachodzi trudniej. W grupie -OH alkoholi oderwanie protonu powoduje "wzmocnienie" ładunku ujemnego, stąd większe przyciąganie protonu i słabsza możliwość dysocjacji. Kwasy karboksylowe mają niższe pH, czyli większe stężenie jonów wodorowych niż alkohole. Autodysocjacja kwasów karboksylowych W bezwodnym kwasi cząsteczki ulegają autodysocjacji,w której bierze udział wodór przyłączony do tlenu. CH3COOH + CH3COOH ⇄ CH3COO–  + CH3COOH2+    Fluorowiec w cząsteczce kwasu Obecność fluorowca w łańcuchu zwiększa mocy kwasu. Przyciąga on elektrony i powoduje indukcyjne zmniejszenie gęstości elektronowej przy atomie wodoru w grupie -O−H i zwiększenie jej kwasowości. CH2Cl–COOH jest kwasem mocniejszym niż   CH3–COOH Wprowadzenie kolejnego fluorowca do łańcucha jeszcze bardziej zwiększa jego moc. CHCl2–COOH jest kwasem mocniejszym niż   CH2Cl–COOH CCl3–COOH jest kwasem mocniejszym niż   CHCl2–COOH Z kolei wprowadzenie fluorowca o wiekszej elektroujemności równie zwiększa moc kwasów. CF3–COOH jest kwasem mocniejszym niż CCl3–COOH Efekt indukcyjny działający przez wiązania σ silnie zależy od odległości fluorowca od grupy −COOH. Im dalej od grupy karboksylowej znajduje się atom halogenu tym słabiej na nią oddziaływuje. CH2Cl–CH2–COOH jest kwasem słabszym niż CH3−CHCl–COOH Obecność pierścienia aromatycznego a moc kwasów Obecność pierścienia aromatycznego w cząsteczce kwasu karboksylowego zwiększa jego moc.  Kwas benzoesowy ma większą moc niż kwas etanowy. W wyniku dysocjacji powstaje anion benzoesanowy, Elektron, który pozostał po oderwaniu kationu wodoru przemieszcza się wraz z elektronami pierścienia po całym anionie (efekt mezomeryczny). Otrzymywanie  1. Utlenianie alkoholi I-rzędowych i aldehydów. ([O]: K2Cr2O7 lub KMnO4) R–CH2–OH + —[O]→ R–COOH R–CHO  —[O]→ R–COOH 2. Utlenianie aldehydów R–CHO + Ag2O → R–COOH + 2Ag R–CHO + 2Cu(OH)2 → R–COOH + Cu2O + 2H2O Produkcja kwasu octowego na skalę przemysłową 2 CH3–CHO + O2 —(kat.)→ 2CH3–COOH 3. Fermentacja octowa (kwas octowy, produkcja octu winnego) CH3–CH2–OH + O2   —(bakterie)→  CH3–COOH + H2O 4.    Słaby kwas karboksylowy wypierany jest przez mocny kwas z jego soli CH3–COONa + HCl → CH3–COOH + NaCl CH3–COO– + H+ → CH3–COOH (N) 5. Utlenianie toluenu (redoks) 5 C6H5–CH3 + 6 KMnO4 + 9 H2SO4 → 5 C6H5–COOH + 6 MnSO4 + 3 K2SO4 + 14 H2O Utlenianiu ulegają również inne związki alifatyczno-aromatyczne. Reakcja zachodzi do momentu aż z łańcucha bocznego powstanie grupa −COOH. np. C6H5–CH2–CH3 →  C6H5–COOH i CO2  Własności chemiczne  Spalanie 2HCOOH + O2 → 2CO2 + 2H2O  Reakcje z metalami 2CH3COOH + Mg → (CHCOO)2Mg + H2  Reakcje z tlenkami metalu 2CH3COOH + CuO → (CH3COO)2Cu + H2O  Reakcje z zasadami CH3COOH + NaOH → CH3COONa + H2O    (CH3COONa - octan sodu, etanian sodu) Zobacz doświadczenie na YouTube: Zobojętnianie kwasów karboksylowych Reakcje z solami. Kwasy organiczne to kwasy słabe, ale mocniejsze od kwasu węglowego, gdyż wypierają go z soli. NaHCO3 + CH3COOH → CH3COONa + CO2 + H2O CaCO3 + 2CH3COOH → (CH3COO)2Ca + H2O + CO2 Reakcje z alkoholami - powstają estry. Hydroliza soli Wodny roztwór octanu sodu ma charakter zasadowy. CH3COONa ⇌ CH3COO–  + Na+ CH3COO– + H2O → CH3COOH + OH–  (N) Reakcja dekarboksylacji − eliminacja grupy –COOH z wydzieleniem CO2. CH3−COOH  → CH4 + CO2 CH3−CH2−COOH  → CH3−CH3 + CO2 Dekarboksylacja może zachodzić w różny sposób zależny od budowy cząsteczki kwasu, poprzez działanie enzymów, w procesach fermentacyjnych i innych czynników.  Redukujące właściwości kwasu mrówkowego Kwasy karboksylowe są odporne na działanie utleniaczy. Do wyjątków należy kwas mrówkowy utleniający się tak łatwo, jak aldehydy - w jego cząsteczce można wyróżnić grupę aldehydową. Kwas mrówkowy redukuje odczynnik Tollensa i Trommera a także jon manganianowy(VII). HCOOH + Ag2O → CO2 + 2Ag + H2O HCOOH + 2Cu(OH)2 → CO2 + Cu2O + 3H2O   5 HCOOH + 6H+ + 2MnO4–  —T→ 2Mn2+ + 5 CO2 + 8 H2O   Objawy reakcji: odbarwienie roztworu, wydzielanie się bezbarwnego gazu (11 HCOOH + 2KMnO4  —T→ 2(HCOO)2Mn + 2 HCOOK + 5 CO2 + 8 H2O) Zobacz doświadczenie na YouTube: Redukujące właściwości kwasu mrówkowego. (N) Kwasy dikarboksylowe HOOC–COOH kwas HOOC–CH2–COOH kwas propanodiowy*    kwas butanodiowy*    (bursztynowy) HOOC–CH=CH–COOH kwas butenodiowy* występuje w dwóch formach izomerycznych kwas cis-butenodiowy (maleinowy) kwas trans-butenodiowy (fumarowy) (N) Elektroliza wodnych roztworów soli kwasów karboksylowych W roztworach soli kwasów kwasów karbok przypadku elektrolizy wodnych roztworów innych soli metali lekkich, czyli redukcja wody. Na anodzie zachodzi reakcja dzmu rodnikowego, gdzie powstają dwa rodniki ulegające dimeryzacji. R−COO− → R-R + 2CO2 + 2e− Przykłady (+)A: 2HCOO− (+)A: C2O42− →  2CO2     (szczawian)
Copyright 2011-2020Chem24.pl