15. K W A S Y K A R B O K S Y L O W E

Aleksander Kołodziejczyk, Krystyna Dzierzbicka Gdańsk 2012.09.

Charakterystyczną cechą kwasów karboksylowych jest obecność w cząsteczce grupy karboksylowej: -COOH, dzięki której związki te wykazują właściwości kwasowe.

15.1 Budowa grupy karboksylowej

Atom węgla grupy karboksylowej ma hybrydyzację sp². Tworzy on wiązanie podwójne z atomem tlenu (tak jak w grupie karbonylowej) i dwa pojedyncze wiązania, jedno z funkcją OH i drugie z resztą alkilową (kwasy alifatyczne) lub arylową (kwasy aromatyczne). Grupa karbonylowa i hydroksylowa razem z atomem węgla, do którego są przyłączone nazywana jest funkcją (grupą) karboksylową.

W najprostszym kwasie karboksylowym - w kwasie mrówkowym (metanowym) grupa karboksylowa połączona jest z atomem wodoru.

15.1.1 Parametry grupy karboksylowej

W kwasie mrówkowym kąty wiązań wychodzących od karboksylowego atomu węgla przyjmują wartości zbliżone do 120^o, chociaż widoczne są wyraźne odchylenia. Ta deformacja wynika z obecności małego atomu wodoru związanego z grupą karboksylową;

W kwasie octowym takich różnic już nie ma.

Grupa karboksylowa, podobnie jak karbonylowa jest płaska i silnie spolaryzowana.

15.1.2 Dimeryzacja kwasów karboksylowych

Obecność atomu wodoru związanego z atomem tlenu grupy hydroksylowej sprzyja powstawaniu wiązań wodorowych i tworzeniu dimerów, co wpływa na podwyższenie temperatury wrzenia kwasów karboksylowych; ich cząsteczki nawet w fazie gazowej są dimerami.

15.2 Występowanie

Kwasy karboksylowe są bardzo rozpowszechnione w naturze. Występują w stanie wolnym (np. kwas mrówkowy czy octowy), ale w największej ilości w postaci estrów (tłuszcze, woski, substancje zapachowe) oraz innych pochodnych, np. amidów; amidami są peptydy i białka.

Kwasy tłuszczowe będące składnikami tłuszczów i innych lipidów zawierają parzystą liczbę atomów węgla, a ich łańcuch alifatyczny, zwykle nierozgałęziony, bywa nasycony lub zawiera 1 albo więcej podwójnych wiązań. Najmniejszym kwasem zaliczanym do kwasów tłuszczowych jest kwas masłowy (C₃H₇COOH), następnie zaś kapronowy (C₅H₁₁COOH).

Najpopularniejszym naturalnym kwasem tłuszczowym jest kwas oleinowy (C₁₇H₃₃COOH), a pośród nasyconych - palmitynowy (C₁₅H₃₁COOH).

Do popularnych kwasów zaliczają się też kwas stearynowy (C₁₇H₃₅COOH) i linolowy (C₁₇H₃₁COOH).

Nienasycone kwasy tłuszczowe tłuszczów jadalnych powinny mieć wiązania podwójne typu cis- tak, jak w kwasie oleinowym i niesprzężone tak, jak w kwasie linolowym czy linolenowym (C₁₇H₂₉COOH). Znane są także naturalne kwasy karboksylowe zawierające sprzężone podwójne wiązania typu trans-, np. kwas oleostearynowy, stereoizomer kwasu linolenowego, występujący w oleju tungowym (chińskim). Znalazł praktyczne zastosowanie - służy do produkcji artystycznych farb olejnych.

Podczas modyfikacji tłuszczów naturalnych, np. w trakcie ich uwodorniania (w procesie produkcji margaryn twardych), a także w czasie długotrwałego smażenia i poddaniu ich działaniu tlenu dochodzi do izomeryzacji wiązań podwójnych: cis- przechodzą w trans-, co pogarsza się ich wartość odżywczą. Nienasycone kwasy tłuszczowe trans- są szkodliwe dla zdrowia.

Pytanie: dlaczego izomery cis- łatwiej przechodzą w trans-, a nie odwrotnie?

Kwasy tworzące woski są zwykle nasycone i zawierają ponad 20 atomów węgla.

Od nienasyconego dwudziestowęglowego kwasu arachidonowego wywodzą się ważne dla prawidłowego funkcjonowania organizmu prostaglandyny.

W skład żółci wchodzą kwasy żółciowe; należą one do steroidów. Najpopularniejszym jest kwas cholowy.

Znane są też aromatyczne kwasy karboksylowe. Kwas benzoesowy pełni rolę środka konserwującego; znajduje się w niektórych owocach, np. w żurawinach. Kwas salicylowy występuje w stanie wolnym, w postaci estrów, a także glikozydów. Ma działanie przeciwgorączkowe.

Znany jest kwas migdałowy i cynamonowy; ich nazwy wskazują pochodzenie.

15.3 Nomenklatura

15.3.1 Nazwy zwyczajowe

Dla wielu kwasów karboksylowych powszechnie używa się nazw zwyczajowych, ponieważ zostały odkryte wcześnie, kiedy jeszcze nie było ustalonych reguł nomenklaturowych. Ich nazwy często wywodzą się od źródła, z którego zostały po raz pierwszy wyizolowany. Z tego powodu do dzisiaj popularne są takie nazwy jak kwas: mrówkowy, octowy, masłowy, walerianowy, laurowy, oleinowy, arachidowy, migdałowy czy cynamonowy. Stosowane są one również w literaturze naukowej.

15.3.2 Nomenklatura systematyczna

Według zasad IUPAC nazwy alifatycznych kwasów karboksylowych tworzy się przez dodanie do słowa kwas przymiotnikowej nazwy węglowodoru macierzystego (węglowodoru zawierającego taki sam szkielet węglowy, co kwas).

Przykłady (w nawiasach nazwy zwyczajowe):

HCOOH - kwas metanowy (mrówkowy) CH₃COOH - kwas etanowy (octowy)

CH₃CH₂COOH - kwas propanowy (propionowy) CH₃CH₂CH₂COOH - kwas butanowy (masłowy)

CH₃CH₂CH₂CH₂COOH - kwas pentanowy (walerianowy) CH₃(CH₂)₄COOH - kwas heksanowy (kapronowy)

CH₃(CH₂)₆COOH - kwas oktanowy (kaprylowy) CH₃(CH₂)₄COOH - kwas dekanowy (kaprynowy)

CH₃(CH₂)₄COOH - kwas heksadekanowy (palmitynowy) CH₃(CH₂)₁₆COOH - kwas oktadekanowy (stearynowy)

Kwasy nienasycowne

CH₂=CHCOOH - kwas prop-2-enowy (akrylowy)

CH₃CH=CHCOOH - kwas but-2-enowy (krotonowy - trans-)

CH₃(CH₂)₇C=C(CH₂)₇COOH - kwas oktadeka-9-enowy (oleinowy - cis-)

kwas 2-metylobutanowy kwas 3-fenylopropanowy kwas 3-(p-chlorofenylo)butanowy

W tym sposobie nazewnictwa atomowi węgla grupy karboksylowej jest przypisany lokant 1.

Kwasy dikarboksylowe otrzymują końcówkę -diowy, która jest połączona ze rdzeniem łącznikiem „o”.

HOOCCOOH - kwas etanodiowy (szczawiowy) HOOCCH₂COOH - kwas propanodiowy (malonowy)

HOOC(CH₂)₂COOH - kwas butanodiowy (bursztynowy)

HOOC(CH₂)₃COOH - kwas pentanodiowy (glutarowy)

HOOC(CH₂)₄COOH - kwas heksanodiowy (adypinowy)

HOOC(CH₂)₅COOH - kwas heptanodiowy (pimelinowy)

15.3.3 Drugi systematyczny sposób nazywania kwasów karboksylowych, także zatwierdzony przez IUPAC, polega na tym, że do zestawu słów kwas .......karboksylowy dodaje się nazwę węglowodoru, z którym związana jest grupa karboksylowa. Według tej zasady kwas octowy nazywa się kwasem metanokarboksylowym, a kwas bursztynowy - etanodikarboksylowym.

CH₃-COOH - kwas metanokarboksylowy (octowy)

HOOC-(CH₂)₂-COOH - kwas etanodikarboksylowy (bursztynowy)

Tworzenie nazw wg wzoru „kwas alkanokarboksylowy” ułatwia nazywanie kwasów cyklicznych (kwasy cykloalkanokarboksylowe) i kwasów acyklicznych o bardziej rozbudowanych łańcuchach.

14.3.4 Nazewnictwo podstawnikowe

Grupa karboksylowa nazwana „karboksy” traktowana jest jako podstawnik i wraz z poprzedzającym ją lokantem zajmuje przedrostkowe miejsce na początku nazwy. W przypadku skomplikowanych związków można łączyć dwa systemy.

15.4 Właściwości fizyczne i fizjologiczne

15.4.1 Temperatura wrzenia

Niższe alifatyczne kwasy monokarboksylowe (do nonanowego) są cieczami. Ich temperatury wrzenia są wysokie, wyższe nawet niż temperatury wrzenia alkoholi, znacznie wyższe niż aldehydów, eterów i węglowodorów o podobnej masie cząsteczkowej. Przyczyną tego jest tendencja cząsteczek kwasów do tworzenia dimerów stabilizowanych stosunkowo silnymi wiązaniami wodorowymi. Kwas mrówkowy wrze w temp. 100,5^oC, a octowy, propionowy i masłowy odpowiednio w: 118, 141 i 163 ^oC.

15.4.2 Temperatura topnienia

Kwas dekanowy topnieje w temperaturze 31^oC. Rozgałęzienia łańcuchów i wiązania nienasycone znacząco obniżają tt. kwasów. Kwas oleinowy topnieje w temp. w 16^oC, kwas linolowy, w -12^oC, a dla porównania stearynowy - w 70^oC.

15.4.3 Rozpuszczalność

Pierwsze cztery kwasy z szeregu homologicznego do masłowego włącznie mieszają się z wodą w każdym stosunku. Od kwasu walerianowego rozpuszczalność w wodzie szybko spada. Kwasy począwszy od kwasu dodekanowego są praktycznie nierozpuszczalne w wodzie. Kwasy tłuszczowe rozpuszczają się dobrze w wodnych roztworach alkalicznych (tworzą sole) i w rozpuszczalnikach organicznych. Sole wyższych kwasów tłuszczowych nazywane są mydłami; mają właściwości detergentów.

Zadanie: dlaczego mydła są związkami powierzchniowo czynnymi?

Mieszanina stałych kwasów tłuszczowych nosi nazwę stearyny. Jest ona używana do wyrobu świec (stearynowych, są jeszcze znane świece parafinowe i woskowe). Kropla roztopionej stearyny (lub stopionego stałego kwasu) wlana na powierzchnię wody, tak żeby utworzyła się cienka warstwa zastyga w płatek, którego powierzchnie różnią się wyglądem i właściwościami. Ta część, która stykała się z wodą jest hydrofilowa (zwilża się wodą), a ta druga jest hydrofobowa - kropelki wody spływają po niej. Zjawisko to polega na tym, że w cienkiej warstwie ciekłego jeszcze kwasu dochodzi do orientacji jego cząsteczek. Grupy karboksylowe (hydrofilowe) nawiązały kontakt z wodą, a łańcuchy węglowodorowe zostały skierowane nad wodę.

15.4.4 Zapach

Zapach kwasów mrówkowego, octowego i propionowego jest ostry, duszący, kwaśny. Kwas masłowy i jego średniocząsteczkowe homologi mają bardzo nieprzyjemny, odrażający zapach (odór). Zjełczałe masło wydziela zapach kwasu masłowego; im więcej zawiera wolnych kwasów, tym staje się bardziej cuchnące. Wyższe kwasy tłuszczowe (od kwasu dodekanowego) i kwasy aromatyczne są bezzapachowe.

Niższe kwasy karboksylowe są żrące i groźne dla organizmów żywych, np. kwas mrówkowy.

15.5 Otrzymywanie

15.5.1 Źródła naturalne

Wiele kwasów tłuszczowych jest pochodzenia naturalnego; pozyskuje się je głównie z tłuszczów, które są triacyloglicerolami, czyli estrami z glicerolem. Można je uwalniać z tłuszczów za pomocą hydrolizy kwaśnej, zasadowej lub enzymatycznej. Często stosowana hydroliza zasadowa jest zwana zmydlaniem tłuszczów, ponieważ tworzą się mydła - sole kwasów tłuszczowych.

Naturalne triacyloglicerole zawierają zwykle różne reszty acylowe (R ≠ R' ≠ R''), może to być mieszanina reszt kilku, a nawet kilkunastu kwasów. Czyste kwasy karboksylowe pozyskuje się z tłuszczów, w których jeden z kwasów występuje w znacznej przewadze, np. z oleju oliwkowego wyodrębnia się kwas oleinowy, a z łoju wołowego kwas stearynowy. Często tak otrzymane kwasy muszą być dodatkowo doczyszczane. Robi się to różnymi sposobami. Małe ilości najlepiej za pomocą chromatografii. Na skalę techniczną przeprowadza się destylację kwasów lub lepiej ich estrów metylowych w warunkach mocno obniżonego ciśnienia, za pomocą tzw. destylacji molekularnej. Kwasy stałe można krystalizować.

15.5.2 Otrzymywanie kwasu octowego

Kwas octowy jako produkt naturalny w postaci skwaśniałego wina czy soków był znany od dawna; jako ocet winny (rozcieńczony wodny roztwór AcOH) był cenioną przyprawą kulinarną od niepamiętnych czasów. Powstawał on w wyniku bakteryjnego utlenienia etanolu (z wina). Do dzisiaj w procesie otrzymywania spożywczego kwasu octowego wykorzystuje się bakterie. Utlenia się 15% wodny roztwór etanolu przepuszczając go przez złoże (wióry) zawierające odpowiednie bakterie. Powstały w ten sposób rozcieńczony (~10%) roztwór kwasu octowego zwany octem spirytusowym, w odróżnieniu od octu winnego, jest bezbarwny i pozbawiony specyficznego aromatu tego drugiego.

Etanol można też katalitycznie utlenić tlenem z powietrza do kwasu octowego.

Kwas octowy ma ogromne zastosowanie w przemyśle, głównie do wytwarzania różnych estrów. Jego światowa produkcja przekracza 4 mln ton rocznie. Za dobrą metodę otrzymywania kwasu octowego uznaje się karbonylowanie metanolu.

kat.

CH₃OH + CO _→ CH₃COOH

Obecnie najpopularniejszą technologią produkcji kwasu octowego przemysłowego jest utlenianie powietrzem takich węglowodorów jak etan, butan, buteny, benzyna, a nawet cięższe alifatyczne frakcje ropy naftowej. Ze względu na wysoką cenę etanalu, nie wykorzystuje się go do otrzymywania kwasu octowego.

15.5.3 Otrzymywanie kwasu mrówkowego

Kwas mrówkowy wytwarzany jest w skali o rząd mniejszej niż kwas octowy. Otrzymuje się go obecnie poprzez hydrolizę mrówczanu metylu, powstającego w reakcji karbonylowania metanolu.

Ta technologia wyparła uprzednio stosowane karbonylowanie wodorotlenku sodu.

>150^oC H₂SO₄

CO + NaOH __→ HCOONa __→ HCOOH

15.5.4 Utlenianie aldehydów prowadzi do kwasów karboksylowych. W praktyce nie jest to jednak często wykorzystywany sposób otrzymywania kwasów, ponieważ aldehydy są trudniej dostępne niż kwasy i to raczej kwasy i pochodne kwasów stanowią substraty w syntezie aldehydów. Uprzednio wykorzystywane przemysłowe utlenianie etanalu do kwasu octowego zostało zastąpione innymi dogodniejszymi metodami. Acetaldehyd utleniało się tlenem z powietrza w roztworze kwasu octowego, wobec katalizatora zapewniającego wysoką wydajność.

15.5.5 Utlenianie alkanów

Utlenianie węglowodorów (najczęściej odpowiednich frakcji ropy naftowej, najlepiej parafiny zawierającej do 30 atomów C) powietrzem wobec katalizatorów prowadzi do mieszaniny kwasów karboksylowych. Zawiera ona kwasy od mrówkowego do ejkozanowego i większe. Poszczególne kwasy wyodrębniania się metodą destylacji frakcjonowanej.

Ten sposób otrzymywania kwasów był próbą zastąpienia kwasów naturalnych syntetycznymi. Można ją uznać raczej za nieudaną, ponieważ podaż tłuszczów naturalnych jest wystarczająco duża, a kwasy syntetyczne wytwarzane tą technologią zawierają cząsteczki zarówno z parzystą jak i nieparzystą liczbą atomów węgla. Takie kwasy nie nadają się, np. do produkcji detergentów, ponieważ te drugie nie ulegają biodegradacji.

15.5.6 Utlenianie alkiloarenów

Utlenianie związków aromatycznych zawierających alkilowe łańcuchy boczne jest powszechnym sposobem otrzymywania kwasów aromatycznych z grupą karboksylową (grupami) związaną bezpośrednio z pierścieniem aromatycznym. Wykorzystuje się je zarówno w przemyśle, jak i w laboratoriach. W przemyśle do utleniania stosuje się najczęściej tlen z powietrza, a w laboratorium KMnO₄. Każdy łańcuch alifatyczny, niezależnie od jego długości, zostaje w warunkach tej reakcji utleniony do grupy karboksylowej związanej z pierścieniem.

Wydajności powyższych reakcji nie są wysokie, ponieważ substraty pełnią często rolę rozpuszczalnika i nie są utleniane do końca. Zastosowanie katalizatorów międzyfazowych znacznie przyspiesza reakcję i umożliwia otrzymywanie kwasów z wydajnością prawie ilościową. Grupa tert-butylowa jest odporna na utlenienie.

15.5.7 Karboksylowanie związków Grignarda

Addycja ditlenku węgla do związków Grignarda stanowi uniwersalną metodę otrzymywania kwasów karboksylowych. Surowcami wykorzystywanymi w tej syntezie są stosunkowo łatwo dostępne halogenki alkilowe lub arylowe. Z uwagi na koszty i stosowanie niebezpiecznego eteru etylowego jest to raczej laboratoryjny sposób wytwarzania kwasów.

Karboksylowanie związków Grignarda jest dogodnym sposobem otrzymywania ,-dipodstawionych kwasów karboksylowych (zatłoczonych), np. kwasu piwalowego (trimetylooctowego) czy 2,4,6-trimetylobenzoesowego, trudnych do syntezy na innej drodze.

Ditlenek węgla można przyłączać również do sodo- lub litopochodnych organicznych.

15.5.8 Hydroliza pochodnych kwasów karboksylowych

Pośród pochodnych kwasowych hydrolizie najczęściej poddaje się nitryle, ponieważ są łatwe w syntezie; jako pierwotne substraty w tej metodzie zwykle wykorzystuje się halogenki alkilowe.

Do otrzymywania kwasów wykorzystywane są też inne pochodne kwasowe, najczęściej te, które są pochodzenia naturalnego, a więc estry. Pośród nich największe znaczenie jako surowce mają tłuszcze i woski.

15.5.9 Synteza malonowa

Alkilowanie pochodnych kwasowych zawierających ruchliwe atomy wodoru  jest często stosowanym sposobem otrzymywania kwasów z rozgałęzionymi łańcuchami, kwasów dikarboksylowych, a także zawierających w położeniu  dodatkową grupę funkcyjną, np. aminową. Popularnym substratem w tej reakcji jest ester malonowy. Synteza polega na alkilowaniu pochodnej sodowej estru malonowego, hydrolizie i dekarboksylacji (lub nie) produktu.

15.5.10 Metody mikrobiologiczne i enzymatyczne

Do otrzymywania kwasów karboksylowych na skalę przemysłową wykorzystuje się często mikroorganizmy (zwykle bakterie) lub enzymy. Zapewniają one wysoką chiralną czystość produktów. Poza kwasem octowym metody te są stosowane raczej do produkcji kwasów wielofunkcyjnych, głównie aminokwasów (lizyny, fenyloalaniny i innych) oraz hydroksykwasów (kwasu cytrynowego, mlekowego czy glukonowego). Kwas winowy też powstaje w procesie fermentacji, ale jest to produkt uboczny.

W trakcie kwaszenia mleka, kapusty, ogórków i innych produktów bakterie utleniają cukry do kwasu mlekowego. W zależności od szczepu bakterii może powstać kwas mlekowy L-, D- lub racemiczny. Światowa roczna produkcja kwasu mlekowego wynosi ponad 50 000 ton, z czego metodą fermentacyjną otrzymuje się 70%, a resztę na drodze syntezy chemicznej.

15.6 Właściwości chemiczne

15.6.1 Kwasowość

Kwasy karboksylowe są kwasami słabymi; w wodzie dysocjują tworząc anion karboksylanowy.

Stała kwasowości dla tej równowagi K_a i jej ujemny logarytm pK_a wyrażają się wzorami:

Stała kwasowości kwasów karboksylowych przyjmuje wartość około 10^-5, co oznacza, że jedynie ~ 0,1% ich cząsteczek jest zdysocjowana. Dla kwasu octowego wartość K_a wynosi 1,76.10^-5, wobec czego pK_a = 4,75. Są to więc kwasy zdecydowanie słabsze, od np. kwasu solnego (pK_a = -7), ale silniejsze niż kwas węglowy i znacznie silniejsze od alkoholi (pK_a etanolu = 16).

Kwasy karboksylowe reagują z węglanami, przy czym wydziela się CO₂. Zwykle trudno rozpuszczalny w wodzie wolny kwas tworzy rozpuszczalną sól sodową lub potasową. Proste doświadczenie z wodorowęglanem sodu jest dowodem, że kwasy karboksylowe są silniejszymi kwasami od kwasu węglowego.

trudno rozpuszczalny w wodzie sól rozpuszczalna w wodzie

Wartości K_a i pK_a wybranych kwasów Tabela 15.1

Nazwa kwasu	wzór	Ka	pKa	względna moc
solny	HCl	10^7	-7	b. mocny b. słaby
trifluorooctowy	CF3COOH	0,59	0,2
trichlorooctowy	CCl3COOH	0,23	0,6
dichlorooctowy	CHCl2COOH	3,3^.10^-2	1,5
fluorooctowy	CH2FCOOH	2,6^.10^-3	2,6
chlorooctowy	CH2ClCOOH	1,4^.10^-3	2,9
bromooctowy	CH2BrCOOH	2,1^.10^-3	2,7
jodooctowy	CH2ICOOH	7,5^.10^-4	3,1
mrówkowy	HCOOH	1,8^.10^-4	3,8
glikolowy	HOCH2COOH	1,5^.10^-4	3,8
benzoesowy	PhCOOH	6,5^.10^-5	4,2
akrylowy	H2C=CHCOOH	5,6^.10^-5	4,3
fenylooctowy	PhCH2COOH	5,2^.10^-5	4,3
octowy	CH3COOH	1,8^.10^-5	4,8
propionowy	CH3CH2COOH	1,3^.10^-5	4,9
etanol	CH3CH2COH	1^.10^-16	16

15.6.2 Wpływ podstawników na moc kwasów

Z wartości podanych w tabeli 12.1 wynika, że na moc kwasów karboksylowych znaczący efekt wywierają podstawniki ulokowane blisko grupy karboksylowej. Podstawniki elektroakceptorowe zwiększają kwasowość - im silniej wyciągają elektrony, tym mocniej zwiększają kwasowość. Kwas fluorooctowy jest około 100 razy mocniejszy od kwasu octowego, a trifluorooctowy aż 32 000 razy. Natomiast podstawniki elektrodonorowe obniżają kwasowość. Kwas propionowy jest nieznacznie słabszym kwasem niż kwas octowym, ale też efekt elektrodonorowy grupy metylowej jest bardzo słaby.

Kwasowość grupy karboksylowej jest związana z efektem mezomerycznym, który stabilizuje jon karboksylanowy. Podstawniki elektroakceptorowe zwiększają rozmycie ładunku ujemnego, a tym samym zwiększają stabilność jonu karboksylanowego. Podstawniki elektrodonorowe mają działanie odwrotne.

dysocjacja mezomeria

Rozmycie ujemnego ładunku jonu karboksylanowego spowodowane mezomerią zwiększa trwałość tego jonu, a tym samym ułatwia dysocjację grupy karboksylowej do anionu karboksylanowego. W jonie alkoholanowym nie ma możliwości mezomerii; jon ten nie jest stabilizowany, a przez to alkohole nie są kwasami.

Podstawniki wyciągające elektrony (EWG - electron withdrowing group) przez rozmycie ładunku zwiększają stabilizację anionu karboksylanowego, zaś podstawniki elektrodonorowe (EDG - electron donoring group) zwiększają ładunek ujemny anionu i destabilizują go.

Moc kwasu zależy od odległości podstawnika od grupy karboksylowej. Efekt ten można prześledzić na przykładzie kwasów -, -, i γ- chloromasłowych. Łatwo zauważyć, że im bliżej grupy karboksylowej znajduje się chlor tym większy jest jego wpływ kwasowość izomerów kwasu chloromasłowego.

Kwasowość izomerów kwasu chloromasłowego Tab. 15.2

Nazwa kwasu	wzór	Ka	pKa
-chloromasłowy	CH3CH2CH(Cl)COOH	1,4^.10^-3	2,9
-chloromasłowy	CH3CH(Cl)CH2COOH	9,0^.10^-5	4,1
γ-chloromasłowy	ClCH2CH2CH2COOH	3,0^.10^-5	4,5
masłowy	CH3CH2CH2COOH	1.5^.10^-5	4,8

Im większa liczba podstawników elektroujemnych, tym większa moc kwasu, ponieważ ich efekty sumują się wektorowo.

15.6.3 Wpływ podstawników w pierścieniu na moc kwasu benzoesowego

Uprzednie stwierdzenie, że wielkość wpływu podstawników na moc kwasów karboksylowych zależy od ich odległości od grupy karboksylowej nie sprawdza się w przypadku kwasów aromatycznych, ponieważ to stwierdzenie jest prawdziwe jedynie dla efektu indukcyjnego, którego oddziaływanie szybko się zmniejsza wraz z odległością. Natomiast efekty mezomeryczne, które dominują w układach aromatycznych, są mniej wrażliwe na odległości, jako że przenoszą się wzdłuż wiązań. Mezomeryczne efekty tych samych podstawników w pozycji para- i orto- będą zbliżone. Jedynie inne efekty (indukcyjny i orto-) będą modyfikowały ich oddziaływanie. W pozycji meta- efekt mezomeryczny nie występuje. Wartość pK_a kwasu benzoesowego wynosi 4,2, podczas gdy p-nitrobenzoesowego 3,4, co oznacza, że ten drugi jest 8 razy mocniejszy.

Natomiast kwas p-metoksybenzoesowy, zawierający podstawnik elektrodonorowy jest kwasem słabszym niż benzoesowy, jego pK_a wynosi 4,5.

Pomiar kwasowości jest łatwy do przeprowadzenia, dzięki czemu na podstawie zmiany stałej kwasowości K_a można ilościowo oznaczyć wpływ podstawników na kwasowość grupy karboksylowej kwasu benzoesowego. Zmiana kwasowości analogu kwasu benzoesowego w porównaniu z kwasowością kwasu benzoesowego wywołana obecnością podstawnika w położeniu para- odzwierciedla efekt mezomeryczny tego podstawnika. Należy brać pod uwagę wpływ grupy obecnej w położeniu para-, ponieważ w meta- nie ma podobnego oddziaływania, a w orto- daje o sobie znać efekt indukcyjny i tzw. efekt orto-. Można założyć, że oznaczony na podstawie zmiany kwasowości kwasu benzoesowego efekt mezomeryczny danego podstawnika będzie obrazował zmianę podatności na reakcję S_E cząsteczki aromatycznej zawierającej ten sam podstawnik.

Takie oznaczenia zostały przeprowadzone i na ich podstawie został zrobiony podział na podstawniki obniżające kwasowość kwasu benzoesowego, a zarazem aktywujące reakcje S_E i podstawniki zwiększające kwasowość tego kwasu, równocześnie dezaktywujące reakcje S_E. Ilościowe zmiany wartości kwasowości pozwalają na ułożenie podstawników w kolejności zależnej od wielkości wywoływanego efektu. Taka lista przedstawiona jest w tabeli 12.3.

Wpływ podstawników w położeniu para- na kwasowość pochodnych benzenu Tabela 12.3

Moc kwasu	Y	Ka	p Ka
	-OH	3,3^.10^-5	4,5	grupy aktywujące
		-OCH3	3,5^.10^-5		4,5
		-CH3	4,3^.10^-5		4,3
		-H	6,5^.10^-5	4,2
		-Cl	1,0^.10^-4	4,0	grupy dezaktywujące
		-Br	1,1^.10^-4	4,0
		-CN	2,8^.10^-4	3,6
		-NO2	2,9^.10^-4	3,4

Jakie praktyczne korzyści daje znajomość wartości mocy analogów podstawionego kwasu benzoesowego? Otóż na podstawie tych wartości można oceniać właściwości podstawników, w tym ich wpływ na reakcje S_E.

15.6.4 Redukcja grupy karboksylowej

Grupa karboksylowa jest grupą polarną i do jej redukcji wymagane są polarne reduktory, takie jak tetrahydroglinian litu, borowodór lub specjalne katalizatory umożliwiające wykorzystanie wodoru gazowego. Grupa karboksylowa nie ulega redukcji pod wpływem tetrahydroboranu sodu ani wodoru w obecności Pt lub Pd. Dzięki tym właściwościom redukcję grupy karboksylowej można przeprowadzić selektywnie w obecności wiązań podwójnych. Tetrahydroglinian litu redukuje zarówno -COOH, jak i -NO₂.

Ten sam kwas redukowany katalitycznie wodorem wobec Pd lub Pt zostaje przekształcony z kwasu nienasyconego (w tym wypadku kwasu oleinowego) w kwas nasycony (kwas stearynowy).

Zadanie: napisz równanie powyższej reakcji.

Selektywną redukcję grupy karboksylowej w obecności nitrowej przeprowadza się za pomocą borowodoru.

Na skalę przemysłową prowadzi się selektywną redukcję nienasyconych kwasów tłuszczowych wodorem w obecności katalizatora niklowego. Redukcję tę można prowadzić stopniowo; np. z kwasu linolenowego otrzymywać kolejno kwas linolowy, oleinowy, a wreszcie stearynowy. W obecności katalizatorów miedziowo-chromowych tworzą się odpowiednie alkohole (alkohole tłuszczowe).

Zadanie: napisz ciąg reakcji prowadzących od kwasu linolenowego do stearynowego.

15.6.4 Reakcja Hunsdieckera - dekarboksylacja

Sole kwasów karboksylowych z rtęcią lub srebrem ogrzewane w obecności halogenów ulegają dekarboksylacji tworząc halogenek alkilu zawierający o jeden atom C mniej niż wyjściowy kwas karboksylowy.

Mechanizm reakcji

Reakcja biegnie rodnikowo, mechanizmem łańcuchowym. W pierwszym etapie - A -powstaje O-bromokwas, który pod wpływem podwyższonej temperatury rozkłada się na rodnik bromkowy i rodnik karboksylanowy, ten z kolei na rodnik alkilowy i CO₂. Rodnik alkilowy w drugim etapie - B - reaguje z O-bromokwasem tworząc halogenek alkilu i rodnik karboksylanowy, a ten rozkłada się tak samo na rodnik alkilowy jak w etapie A.

Reakcja Hunsdieckera wykorzystywana jest do otrzymywania halogenków alkilowych wówczas, kiedy odpowiednie kwasy karboksylowe są łatwo dostępne, a inne metody syntezy tych halogenków nie należą do łatwych.

Zadanie: z kwasu heksanowego otrzymać bromek heksylu i bromek pentylu.

15.6.5 Reakcja Hella-Volharda-Zielińskiego

W kwasach karboksylowych atomy wodorów H_ ulegają substytucji bromem lub chlorem, w wyniku czego powstają -halogenokwasy. Reakcja zachodzi w obecności katalitycznych ilości czerwonego fosforu lub PBr₃ (PCl₃).

Mechanizm reakcji

Reakcja zaczyna się od utworzenia tribromku fosforu: 3 Br₂ + 2 P _→ 2 PBr₃

Powstały PBr₃ przekształca część kwasu karboksylowego w bromek kwasowy.

W formie tautomerycznej bromku kwasowego znajduje się podwójne wiązanie, do którego przyłącza się cząsteczka bromu, po czym następuje eliminacja HBr i tworzy się bromek -bromokwasu.

Bromek -bromokwasu w reakcji z kwasem karboksylowym przekształca się w -bromokwas i bromek kwasowy, który zawraca do reakcji przyłączając cząsteczkę bromu. Dzięki tej wymianie wystarcza katalityczna ilość P lub PBr₃.

-Halogenokwasy są wykorzystywane w syntezie organicznej zarówno w reakcjach na grupie karboksylowej, jak i poprzez wymianę halogenu na różne funkcje, np. aminową czy hydroksylową.

15.6.7 Pochodne kwasów karboksylowych

Funkcję -OH w grupie karboksylowej można wymienić, np., na -X, -OR, -NH₂, -NHNH₂ czy inne ugrupowania. Otrzymuje się wówczas pochodne zwane odpowiednio: halogenkami kwasowymi, estrami, bezwodnikami, amidami czy hydrazydami. Jeżeli w grupie karboksylowej oba atomy tlenu zostaną zastąpione przez atom azotu powstaje nitryl.

Poniżej przedstawione są wzory strukturalne tych pochodnych.

Reszta cząsteczki kwasu karboksylowego pozbawiona grupy -OH nosi nazwę acylu.

Takie same reszty (acylowe) powstają z estrów po usunięciu funkcji -OR, z amidów bez -NR₂, aldehydów bez -H grupy aldehydowej i ketonów bez jednego -R. Formalnie reszty acylowe wywodzi się od kwasów karboksylowych i z angielskich nazw kwasów tworzy się ich nazwy. Można je też nazywać poprzez dodanie do nazwy węglowodoru macierzystego przedrostka -oil.

formyl acetyl propionyl butyryl oksalil malonyl sukcynyl glutaryl

(metanoil etanoil propanoil butanoil etanodioil propanodioil butanodioil pentanodioil)

Aroil to ogólna nazwa reszt kwasów aromatycznych.

15.6.8 Atak nukleofilowy na acylowy atom węgla

Zarówno kwasy karboksylowe, jak i pochodne kwasowe zawierają w grupie karboksylowej dodatnio naładowany atom węgla, zwany acylowym atomem węgla. Jest on podatny na atak nukleofilowy. Addukt powstający po przyłączeniu do -COY odczynnika nukleofilowego: Nu^- ulega stabilizacji, najczęściej poprzez odszczepienie łatwo odchodzącej grupy :Y^-.

Grupy odchodzące Y: F; Cl; Br; I; lub HY: HOR; HSR; HOCOR; HOH; HNR₂

Reaktywność pochodnych kwasowych z odczynnikami nukleofilowymi zależy od wielkości ładunku dodatniego na acylowym atomie węgla - im bardziej elektroujemny jest atom lub grupa Y, tym większy ładunek dodatni znajduje się na atomie C i tym bardziej reaktywna staje pochodna kwasowa.

Względna reaktywność pochodnych kwasowych w reakcji z odczynnikami nukleofilowymi

(aktywność w reakcjach acylowania)

reaktywność w reakcjach z :Nu^- wpływ grupy R

mniej reaktywne w reakcjach z :Nu^-

Halogen (w halogenkach kwasowych) i reszty acylowe (w bezwodnikach) jako EWG powiększają lukę elektronową na acylowym atomie węgla, czyniąc go tym samym bardziej podatnym na atak odczynników nukleofilowych (zwiększają aktywność acylującą pochodnej kwasowej). Reszty alkilowe R wywierając w estrach efekt indukcyjny +I, a w amidach +M lub efekt +M i +I (w grupie -NR₂) obniżają aktywność acylującą.

Aktywność kwasów karboksylowych w reakcjach acylowania powinna sytuować się pomiędzy bezwodnikami i estrami, ponieważ oddziaływanie atomu wodoru grupy -OH na karboksylowy atom węgla można uznać za obojętne w porównaniu do elektroakceptorowej reszty acylowej w bezwodnikach i elektrodonorowej grupy alkilowej w estrach. Tak faktycznie jest, kiedy kwas reaguje z alkoholem, natomiast w przypadku reakcji kwasu z amoniakiem lub aminą tworzy się sól, w której anion karboksylanowy ma ładunek ujemny, a przez to jest całkowicie pozbawiony właściwości acylujących.

15.6.9 Estry aktywne

Na aktywność acylującą estrów duży wpływ ma charakter grupy -R. Reszty alkilowe w wyniku efektu indukcyjnego +I obniżają właściwości acylujące estrów, natomiast grupy arylowe zwiększają ich reaktywność z odczynnikami nukleofilowymi. Wprowadzenie do pierścienia aromatycznego dodatkowych ugrupowań elektroakceptorowych, np. -NO₂, halogenów czy reszt acylowych jeszcze bardziej zwiększa aktywność acylującą takich estrów. Estry o podwyższonej aktywności acylującej nazwano estrami aktywnymi. Do tej grupy odczynników acylujących zalicza się też związki o podobnej budowie - RCOONR, w których atom tlenu grupy karboksylowej połączony jest z resztą organiczną R poprzez atom azotu zamiast węgla. Nie należą one do estrów, ponieważ nie są pochodnymi kwasów z alkoholami. Pomimo tego związki te też nazywane są estrami aktywnymi, chociaż nieprawidłowo). Zawierają one, takie ugrupowania, jak np. N-hydroksysukcynoimidyl czy N-hydroksybenzotriazyl.

Estry aktywne:

Estry aktywne służą do otrzymywania amidów; szczególnie często są wykorzystywane w syntezie peptydów. Można też za ich pomocą otrzymywać inne estry.

1

---