Kwasy karboksylowe

Kwasy karboksylowe to jednofunkcyjne pochodne
węglowodorów o grupie funkcyjnej -C

OOH

zwanej grupą

karboksylową

W skład grupy funkcyjnej  -COOH
wchodzą: grupa karbonylowa C=O
i hydroksylowa -OH.

Własności kwasów karboksylowych wynikają w
znacznym stopniu z polarnego charakteru
grupy karbonylowej, co ułatwia dysocjację
układu O-H.

Wskutek bliskiego sąsiedztwa i

wzajemnego oddziaływania żadna z tych grup
nie zachowuje jednak swych niezależnych
cech.

Duża różnica elektroujemności atomów tlenu z jednej strony, a węgla i
wodoru z drugiej, powoduje powstanie polaryzacji wiązania O–H, dzięki
której nabiera ono w znacznym stopniu charakteru wiązania jonowego.

Podział kwasów

karboksylowych

1. Ze względu na ilość grup karboksylowych:

• kwasy jednokarboksylowe

• kwasy wielokarboksylowe

2. Ze względu na charakter i typ łańcucha węglowego:

• kwasy jednokarboksylowe alifatyczne

- kwasy alifatyczne nasycone
- kwasy alifatyczne nienasycone

• kwasy jednokarboksylowe cykliczne

- kwasy aromatyczne

- kwasy niearomatyczne

Tworzenie nazw polega na dodaniu do nazwy węglowodoru końcówki –
owy
i słowa kwas.
Szeroko stosowane są też tradycyjne nazwy zwyczajowe tych związków.

W nazewnictwie zwyczajowym kolejne atomy węgla sąsiadujące z
węglem grupy karboksylowej oznacza się kolejnymi literami greckimi
(α, β, γ itd.).
Atom węgla α w nazwie zwyczajowej odpowiada atomowi C-2 w nazwie
systematycznej.

C

C

C

C

C

C

O

OH

C

6

5

4

3

2

1























Jeśli zachodzi konieczność numeracji łańcucha, to grupa karboksylowa
otrzymuje zawsze lokant l, np.:

CH

3

CH(CH

3

)COOH                     - kwas 2-metylopropanowy (izomasłowy)

CH

3

CH=CHCOOH                        - kwas but-2-enowy

Na

z

ewnictwo

Najczęściej spotykane kwasy karboksylowe:

Wzór kwasu

Nazwa kwasu Wzór grupy acylowej Nazwa grupy acylowej

H-COOH

metanowy (mrówkowy) H-CO-

formyl

CH

3

-COOH

etanowy, (octowy)

CH

3

CO-

acetyl

C

2

H

5

COOH

propanowy, (propionowy) CH

3

CH

2

CO-

propionyl

CH3CH2CH2COOHbutanowy, (masłowy) CH3CH2CH2CO-

butyryl

C

OH

O

C

O

benzenokarboksylowy

(benzoesowy)

benzoil

C

OH

O

OH

2-hydroksybenzenokarboksylowy

(salicylowy)

Na

z

ewnictwo

Są to kwasy w cząsteczkach których występuje jedna grupa funkcyjna –
COOH, a rodnik alkilowy jest nasycony.

Wzór ogólny

Kwas metanowy - mrówkowy

wzór sumaryczny: H

COOH

wzór strukturalny:

Zasługuje na szczególną uwagę, gdyż posiada
zarówno grupę karboksylową, jak i aldehydową.

Dzięki takiej budowie jest on jedynym kwasem
szeregu homologicznego wykazującym
właściwości redukujące.

( Daje pozytywny wynik próby Tollensa, z tym,
że srebro wytrąca się w postaci czarnego
osadu ,a kwas utlenia się do kwasu
węglowego(IV).

Kwasy monokarboksylowe alifatyczne

nasycone

Przykłady:

Cząsteczkę kwasu mrówkowego łatwo utlenić:

Silne środki odwadniające powodują rozpad na CO i H

2

O:

O

H

CO

HCOOH

2

2

[O]





O

H

CO

COOH

2

.)

(stęż

SO

H

4

2





Występowanie: w organizmach mrówek, w niektórych roślinach –
pokrzywa.

Otrzymywanie na skalę przemysłową:

Na sproszkowany wodorotlenek sodu działa się tlenkiem węgla (II) / pod
ciśnieniem i temp. 120 – 150

o

C/: NaOH + CO → HCOONa ( mrówczan

sodu)
Następnie na mrówczan działa się kwasem siarkowym(VI).

Kwas etanowy – octowy

wzór sumaryczny: CH

3

COOH

wzór strukturalny

:

Otrzymywanie:
Duże ilości otrzymuje się w wyniku suchej destylacji drewna.
Główna metoda: synteza kwasu z wody i acetylenu ( metoda
Kuczerowa).
Do celów spożywczych: w procesie fermentacji octowej

Wzór ogólny dla kwasów jednonienasyconych:

Kwas akrylowy (kwas prop-2-
enowy)

Ze względu na to, że łatwo polimeryzuje jest stosowany w
przemyśle do otrzymywania tworzyw sztucznych - poliakrylanów i
kwasu poliakrylowego oraz do produkcji żywic akrylowych.

C

2

H

3

COOH

CH

2

=CH

–COOH

Kwasy monokarboksylowe alifatyczne

nienasycone

Przykłady:

Ważniejsze nienasycone kwasy tłuszczowe

(NNKT)

Są to kwasy karboksylowe zawierające dwie grupy karboksylowe (-
COOH).

Nazwy

systematyczne najprostszych kwasów tworzy się przez

dodanie końcówki

-odiowy

do nazwy alkanu zawierającego tyle

atomów węgla, co dany kwas.
Gdy grupy -COOH są połączone z pierścieniem - przyrostek -

dikarboksylowy

.

Kwas szczawiowy ( kwas etanodiowy)

najprostszy kwas

dikarboksylowy.
Wzór : C

2

H

2

O

4

; HCOO-COOH

Kwas bursztynowy (kwas 1,4-butanodiowy

)

Wzór:

(

CH

2

COOH)

2

Kwasy dikarboksylowe

Przykłady:

Są to kwasy w których grupa karboksylowa związana jest z
pierścieniem aromatycznym.

Kwas benzoesowy (kwas
benzenokarboksylowy)

C

6

H

5

COOH

Bezpośrednie przyłączenie grupy karboksylowej do pierścienia
aromatycznego modyfikuje własności grupy karboksylowej, a także
modyfikuje własności ugrupowania aromatycznego, co się przejawia
różną reaktywnością alifatycznych i aromatycznych kwasów
organicznych.

Kwas ftalowy ( benzeno -1,2–
dikarboksylowy)

C

6

H

4

(COOH)

2

Aromatyczne kwasy karboksylowe

Przykłady:

A

Utlenianie alkoholi I –

rzędowych
silnym utleniaczem

B

W wyniku łagodnego

utleniania odpowiednich

aldehydów

C

Utlenianie alkenów

D

Utlenianie węglowodorów

aromatycznych z łańcuchem

bocznym

E

Hydroliza estrów

F

Hydroliza amidów

G

Hydroliza bezwodników

kwasowych



 



 

 



kwas

utlenianie

alkohol

RCOOH

OH

RCH

]

[



2



 









kwas

aldehyd

RCOOH

O

RCHO

2

2

2





COOH

R

COOH

R

2O

CHR

CH

R

2

1

2

2

1









Na skalę przemysłową kwasy karboksylowe otrzymuje się w
wyniku katalitycznego utleniania odpowiednich węglowodorów.

OH

R

COOH

R

O

H

COOR

R

2

1

2

2

1







3

2

2

NH

RCOOH

O

H

RCONH







RCOOH

O

H

O

RCO

2

2

2





)

(

Otrzymywanie kwasów karboksylowych

O

7H

SO

K

)

(SO

Cr

3RCOOH

SO

4H

O

Cr

K

OH

3RCH

2

4

2

3

4

2

4

2

7

2

2

2













+ 2 Cu(OH)2

+ Cu2O + 2 H2O

granatowy osad

ceglasty osad

kwas octowy

/kwas karboksylowy/

etanal

/aldehyd/

C

H

3

C

O

H

C

H

3

C

O

OH

T.

A

B

+ Ag2O

kwas octowy

/kwas karboksylowy/

etanal

/aldehyd/

+ 2 Ag

C

H

3

C

O

H

NH3

C

H

3

C

O

OH

O

R

O

O

R

H

H

O

R

O

O

O

H

R

H

..

O

R

OH

O

O

H

R

:

..

C

C

O:

C

-

:

..

+

+

C

+

C

C

+

bezwodnik

kwas

G

Przykłady

Właściwości chemiczne

A

Reakcje polegające na rozerwaniu wiązania

O

-

H

Przesunięcie elektronów wiązań H-O oraz O-C ułatwia oddzielenie
protonu i tym samym nadaje związkowi charakter kwasowy.

Na ogół kwasy karboksylowe są słabymi kwasami, ich stopień dysocjacji
jest niewielki i wraz ze wzrostem rodnika alkilowego zmniejsza się.
Najmocniejszym kwasem jest kwas mrówkowy > kwas benzoesowy >
kwas octowy

1. Dysocjacja elektrolityczna









H

RCOO

RCOOH

Kwasowość kwasów
alifatycznych maleje w miarę
wydłużania łańcucha
węglowego.

2

2

3

3

H

Zn

COO)

(CH

Zn

COOH

2CH







O

H

COONa

CH

NaOH

COOH

CH

2

3

3







O

H

COONH

CH

OH

NH

COOH

CH

2

4

3

4

3







O

H

Cu

COO)

(CH

CuO

COOH

2CH

2

2

3

3







2

2

2

3

3

3

CO

O

H

Ca

COO)

(CH

CaCO

COOH

2CH









Kwasy karboksylowe dają sole w reakcjach z:
aktywnymi metalami, tlenkami metali, wodorotlenkami, węglanami i
wodorowęglanami (kwas mrówkowy i octowy są mocniejsze od kwasu
węglowego(IV)).

2.

Tworzenie soli

Przykłady

B

Reakcje polegające na rozerwaniu wiązania

C

-

O

Grupa hydroksylowa karboksylu daje się dość łatwo zastąpić chlorem,
grupą aminową bądź resztą alkoholową dając chlorki kwasowe, amidy i
estry.

Reakcja polega na przyłączeniu czynnika nukleofilowego do atomu
węgla grupy karboksylowej, w dalszym zaś etapie na rozerwaniu
wiązania C-O.

1. Tworzenie estrów

Kwasy reagują z alkoholami dając estry, w których grupa
hydroksylowa kwasu zastąpiona jest rodnikiem alkoksylowym (-
OR

1

)

R C

OH

O

R C

OH

O H

+

R C

O

O R'

H

R C

O

O R'

R C

OH

OH

O R'

H

+

R C

O

OH

2

O R'

H

+

+

H-O-R'

+ H

+

- H

2

O

- H

+

..

:

..

.. :

O

H

CH

3

CH

3

OH

CH

2

C

O

CH

2

O

CH

3

CH

3

CH

2

C

O

CH

2

H

+

+

+

H

2

O

Przykłady:

1. Tworzenie estrów

Estryfikacja kwasów karboksylowych, kwaśna hydroliza estrów
przebiega wg identycznego mechanizmu.

Każdy etap reakcji

jest odwracalny.

• Estry

kwasów

karboksylowych

są

związkami

o charakterystycznym zapachu kwiatów lub owoców.

• Estry wyższych kwasów tłuszczowych (palmitynowego,

stearynowego lub oleinowego) i gliceryny tworzą grupę
związków zwanych tłuszczami.

• Estry nasyconych kwasów karboksylowych i alkoholi o długich,

prostych łańcuchach węglowych tworzą woski

Właściwości fizyczne estrów

2.

Tworzenie
amidów

Amidy można zdefiniować jako pochodne kwasów, w których grupa
hydroksylowa została zastąpiona grupą –NH

2

1.W wyniku działania amoniaku na kwas otrzymujemy sól amonową R-
COONH

4

:

4

3(aq)

RCOONH

NH

RCOOH





2. Ogrzewanie soli amonowych wobec środków odwadniających
prowadzi do dehydratacji i powstania amidów kwasowych:

O

H

RCONH

RCOONH

2

2

T

4





2.

Tworzenie chlorków

kwasowych

CH

2

CH

2

C

OH

O

CH

3

CH

2

CH

2

C

Cl

O

CH

3

PCl

5

, PCl

3

lub SOCl

2

Działając na kwasy karboksylowe PCl

5,

PCl

3

lub chlorkiem tionylu SOCl

2

dochodzi do wymiany grupy –OH na fluorowiec i powstania chlorków
kwasowych

HCl

SO

RCOCl

SOCl

RCOOH

PO

H

3RCOCl

PCl

3RCOOH

HCl

POCl

RCOCl

PCl

RCOOH

2

2

3

3

3

3

5























Łagodna dehydratacja kwasów karboksylowych prowadzi
do otrzymania bezwodników.

Szczególnie łatwo ulegają tej reakcji kwasy
dikarboksylowe.

C.

Dekarboksylacja

Cząsteczka kwasu rozkłada się z wydzieleniem dwutlenku węgla.

Dekarboksylacja kwasów zachodzi dość trudno.

H

R

CO

RCOOH

2

ΔT







W przypadku kwasów bardziej odpornych na temperaturę
dekarboksylację przeprowadza się prażąc sole sodowe kwasu z
alkaliami.

D.

Reakcje przebiegające na atomie C w położeniu α

Gdy na kwas karboksylowy podziałamy chlorem lub bromem, w
obecności niewielkiej ilości fosforu czerwonego, przy węglu α następuje
wymiana wodoru na fluorowiec.

HBr

CHBrCOOH

CH

Br

COOH

CH

CH

P







3

2

2

3

Wprowadzony fluorowiec łatwo daje się zastąpić takimi nukleofilowymi
podstawnikami jak:

-OH, -CN, -J, -NH

2

Redukcja kwasów karboksylowych do aldehydów i następnie do alkoholi

Redukcja kwasów do alkoholi ma znaczenie praktyczne ze względu na
dostępność niektórych kwasów w wyniku hydrolizy tłuszczów.
Doskonałym reduktorem jest LiAlH

4

(tetrahydroglinian litu )

RCOOH  R CH

2

OH

Redukcja kwasów karboksylowych przebiega opornie.

Redukcja kwasów karboksylowych

R

C

O

H

R C

O

O

H

O

Silna polaryzacja wiązań w obrębie grupy karboksylowej powoduje, że
kwasy organiczne w nawet silnie rozcieńczonych roztworach występują w
postaci dimerów, powiązanych wiązaniami wodorowymi. Te silne
oddziaływania międzycząsteczkowe są powodem, że większość kwasów
organicznych jest krystalicznymi ciałami stałymi, mimo że formalna masa
molowa wskazywałaby raczej na stan ciekły oraz wykazują wysoką
temperaturę wrzenia.

Kwasy o niskich masach molowych są dobrze rozpuszczalne w wodzie,
natomiast wyższe kwasy są praktycznie w wodzie nierozpuszczalne

-asocjacja pomiędzy
cząsteczkami
kwasów karboksylowych

-asocjacja pomiędzy wodą i
kwasem

C

O

O

R

H

H

O

H

H

O

H

Właściwości fizyczne kwasów

karboksylowych

Dime

r

hydro-

fobowe

wnetrze

micelli

Na

+ -

OOC

Na

+ -

OOC

Na

+ -

OOC

Na

+ -

OOC

COO

-+

Na

COO

-+

Na

COO

-+

Na

COO

-+

Na

COO

-+

Na

Właściwości fizyczne kwasów

karboksylowych