Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie
Wydział Nauk o śywności i Rybactwa
Zakład Opakowalnictwa i Biopolimerów
I N S T R U K C J A
Ć W I C Z E N I E 9
Kwasy karboksylowe
1
1. Ogólne informacje:
Kwasy karboksylowe:
- związki zawierające w cząsteczce grupę karboksylową, powstają przez połączenie C
O
grupy karbonylowej
i grupy hydroksylowej –OH wykazującej zdolność do
odszczepiania wodoru w postaci kationu
- wzór ogólny
O
R
C
OH
H
- grupa funkcyjna
O
!
C
H
O
H
- nazewnictwo
systematyczne:
dla
kwasów
jednokarboksylowych
-
nazwa
węglowodoru R-CH3 z końcówką –owy poprzedzone słowem kwas (np. kwas metanowy). Częste jest stosowanie nazw zwyczajowych.
Nazwa systematyczna – nazwa zwyczajowa: kwas metanowy – to kwas mrówkowy, etanowy
– octowy, propanowy – propionowy, butanowy – masłowy, pentanowy – walerianowy, kwas 2-hydroksypropanowy – to kwas mlekowy
1.1. Podział kwasów
A. Kwasy zawierające grupy karboksylowe:
a) monokarboksylowe/jednokarboksylowe (nasycone i nienasycone),
b) di- i polikarboksylowe/dwu- i wielokarboksylowe (nasycone i nienasycone) B. Kwasy zawierające oprócz grup karboksylowych inne grupy funkcyjne: a. –X (Cl, Br, I) – fluorowcokwasy,
b. –OH - hydroksykwasy,
c. –NH2 - aminokwasy,
d. –CHO - aldehydokwasy,
C
O
e.
-ketokwasy
2
1.2. Metody otrzymywania kwasów
A. Utlenianie aldehydów lub alkoholi I –rzędowych:
Alkohole pierwszorzędowe utleniają się do kwasów karboksylowych pod wpływem silnych utleniaczy – np. kwasu chromowego lub nadmanganianu potasu.
Aldehydy są utleniane jedynie wtedy, gdy aldehyd jest łatwiej dostępny od kwasu i jest to opłacalne. Kwasy moŜna teŜ otrzymać przez utlenianie ketonów (reakcja haloformowa).
O
[O]
[O]
R
CH2OH
R
CHO
R
C
HOH
O2
kat. - H O
2
B. Hydroliza nitryli:
R
H+
C
N + 3 H2O
R
COOH + NH4OH
C. Metoda Grignarda (karboksylowanie związków magnezoorganicznych): O
O
H O
R
Mg
Cl + CO
2
2
R
C
OMg
Cl
R
C
OH + Mg(OH)Cl
D. Hydroliza estrów i amidów
E. Do innych metod syntezy naleŜą: utlenianie wiązań C=C (metoda otrzymywania np.
kwasów dikarboksylowych z cykloalkenów); utlenianie związków aromatycznych (otrzymywanie aromatycznych kwasów karboksylowych).
F. Przemysłowe metody otrzymywania kwasów karboksylowych: np. kwas mrówkowy –
reakcja tlenku węgla z wodnym roztworem NaOH; kwas octowy – utlenianie aldehydu octowego otrzymanego z etenu (proces Wackera), katalityczne utlenianie butanu, reakcja metanolu z tlenkiem węgla (proces Monsanto).
3
1.3. Właściwości chemiczne kwasów
!
W zaleŜności od tego, który fragment cząsteczki kwasu bierze udział w reakcji chemicznej, moŜna wyróŜnić następujące grupy reakcji:
O
R
C
O
H
1
2
3
4
1. zastąpienie wodoru zdolnego do jonizacji,
2. zastąpienie grupy hydroksylowej,
3. dekarboksylacja,
4. reakcje poza grupą karboksylową.
Ad 1. Otrzymywanie soli:
2 R
COOH + Zn
(R
COO)2Zn + H2
R
COOH + NaOH
R
COONa + H2O
Ad 2. Reakcja podstawienia przy acylowym atomie węgla np. reakcja estryfikacji: Acylowy atom węgla: R – C=O
X (-OR’, -SR, -NH2, -Cl)
!
!
H SO
CH
2
4
3
CO
OH + HO
C2H5
CH3
CO
O
C2H5 + H2O
Ad 3. Dekarboksylacja (oprócz prostych kwasów alkanowych):
R-COOH T CO2 + R-H
Ad. 4.
4.1. Halogenowanie – reakcja podstawienia odbywająca się poza grupą karboksylową (reakcja Hella, Volharda i Zielińskiego) – węgiel α
R-CH
P
2 – COOH + Br2
R-CH-COOH + HBr
Br
4.2. Redukcja
RCOOH LiAlH4 R-CH2-OH (alkohol I rzędowy)
4
Bezwodniki kwasowe: powstają w reakcji chlorków kwasowych z solami kwasów karboksylowych.
R-C-O-C-R’
O O
Ćwiczenia
1. SPRZĘT
1.1 Probówki
1.2 Parowniczki
1.3 Palnik gazowy
1.4 Kolby stoŜkowe
1.4 Pipetki
1.5 Lejek
1.6 Sączki
1.7 Papierki wskaźnikowe
2. ODCZYNNIKI
2.1 0,01M NaOH –wodorotlenek sodu
2.2 Na2CO3 – wodorowęglan sodu
2.3 Fenoloftaleina
2.4 HCOOH – kwas mrówkowy (metanowy)
2.5 kwas mlekowy
2.6 H2SO4 – kwas siarkowy (VI)
2.7 KMnO4
2.8 2M CH3COOH – kwas octowy
2.9 chlorowodorek hydroksylaminy
2.10
chlorowodorek fenylohydrazyny
2.11
0,1M FeCl3– chlorek Ŝelaza (III)
Ćwiczenie 1. Utlenianie kwasu mlekowego
W wyniku utleniania hydroksykwasu otrzymuje się ketokwas, który analogicznie do ketonów reaguje z fenylohydrazyną, tworząc fenylohydrazony – ciała o wysokiej 5
temperaturze topnienia, trudno rozpuszczalne. Dzięki temu słuŜą one do wyodrębniania ketonów z mieszanin innych związków.
Wykonanie ćwiczenia:
W kolbce stoŜkowej umieścić 1 cm3 kwasu mlekowego, dodać 2 krople fenoloftaleiny i zobojętnić rozcieńczonym roztworem NaOH (ok. 22 cm3). Następnie dodać 25 cm3 1%
roztworu KMnO4 i kolbkę odstawić na około 20 minut. Kwas mlekowy utlenia się w tych warunkach do kwasu pirogronowego.
Wykrywanie obecności kwasu pirogronowego:
Wydzielony podczas reakcji osad MnO4 odsączyć, do 5 cm3 przesączu dodać 1 cm3
roztworu chlorowodorku fenylohydrazyny. Z roztworu wytrąca się Ŝółty osad fenylohydrazonu kwasu pirogronowego.
Równanie reakcji:
NaOH
CH3
CH
COOH
CH
C
3
COOH + H
KMnO
2O
4
OH
O
CH3
CH3
C
O + H
C
N
+ H
2N
NH
NH
2O
COOH
COOH
Zadania i pytania
1. Opisać obserwacje i spostrzeŜenia z przeprowadzonego ćwiczenia.
2. Napisać reakcję przebiegu ćwiczenia
Ćwiczenie 2. Wykrywanie kwasów karboksylowych
Badanie pH przy uŜyciu fenoloftalainy
Wodne roztwory kwasów karboksylowych mają odczyn kwaśny, gdyŜ dysocjują na jony według równania:
O
O
R
C
R
C
+ H +
O H
O -
6
1. Do próbówki wkroplić 1-2 krople 0,01 molowego roztworu NaOH
2. Następnie dodać kroplę fenoloftaleiny
3. Do zabarwionego roztworu NaOH dodać kryształek kwasu karboksylowego 4. Odbarwienie roztworu wskazuje na charakter kwasowy badanej substancji .
Zadania i pytania
1. Opisać obserwacje i spostrzeŜenia z przeprowadzonego ćwiczenia.
Ćwiczenie 3. Rozkład kwasu mrówkowego
W wyniku utleniania kwasu mrówkowego otrzymuje się kwas węglowy, który rozkłada się na dwutlenek węgla i wodę.
Wykonanie ćwiczenia:
1. Do próbówki wlać 1 cm3 kwasu mrówkowego
2. Dodać do niej 2 cm3 nasyconego roztworu KMnO41 i cm3 H2SO4.
3. Widoczne jest wydzielanie CO2 na zimno.
Równanie reakcji:
HO
C
H
+ [O]
HO
C
OH CO2 + H2O
O
O
Zadania i pytania
1. Opisać obserwacje i spostrzeŜenia z przeprowadzonego ćwiczenia.
2. Napisać reakcję przebiegu ćwiczenia
Ćwiczenie 4. Reakcja kwasów z wodorowęglanem sodu
Kwasy karboksylowe są kwasami mocniejszymi od kwasu węglowego i wypierają go z jego soli.
Wykonanie ćwiczenia:
1. Do probówki wlać około 2 cm3 2M kwasu octowego i wrzucić kilka kryształków wodorowęglanu sodu lub węglanu sodu.
2. MoŜna zaobserwować jak zachodzi reakcja z burzliwym wydzielaniem CO2.
7
O
O
-
R
C
+ H
+ HCO3
R
C
2O + CO2
OH
O-
Zadania i pytania
1. Opisać obserwacje i spostrzeŜenia z przeprowadzonego ćwiczenia.
2. Napisać reakcję przebiegu ćwiczenia
Ćwiczenie 5. Próba Uffelmana na wykrywanie kwasu mlekowego
Próba Uffelmana polega na wiązaniu przez kwas mlekowy Ŝelaza zawartego w odczynniku Uffelmana ( roztwór fenolu z dodatkiem chlorku Ŝelaza III)). W wyniku reakcji fenolu z FeCl3 powstaje fenolan Ŝelaza o fioletowym zabarwieniu. W obecności kwasu mlekowego fioletowe zabarwienie przechodzi w Ŝółte, gdyŜ powstaje mleczan Ŝelaza. Próba ta stosowana jest do wykrywania kwasu mlekowego w soku Ŝołądkowym. Podobna reakcja zachodzi z kwasem solnym.
Wykonanie ćwiczenia:
1. Do probówki wlać 5 cm3 1% roztworu fenolu dodać jedną kroplę rozcieńczonego roztworu FeCl3. Do zabarwionego roztworu dodać kilka kropli roztworu kwasu mlekowego. Barwa fioletowo- niebieska zmienia się na Ŝółtą. Równolegle wykonać analogiczną próbę, uŜywając zamiast kwasu mlekowego kwasu solnego. W tym przypadku nastąpi odbarwienie roztworu, lecz nie wystąpi Ŝółte zabarwienie roztworu.
Zadania i pytania
1. Opisać obserwacje i spostrzeŜenia z przeprowadzonego ćwiczenia.
Literatura uzupełniająca:
1. Kupryszewski G., 1994, Wstęp do chemii organicznej. Wydawnictwo Gdańskie, Gdańsk.
2. . Dobkowska Z., K. M. Pazdro, 1980: Szkolny poradnik chemiczny; WSiP Warszawa
3. McMurry J., 2000: Chemia organiczna; WN PWN; Warszawa
4. Marzec H., 2001: Chemia organiczna; WU ATR; Bydgoszcz
5. Roberts J. D., M. C. Caserio, 1969: Chemia organiczna; PWN Warszawa
6. Mastalerz P., 1984: Chemia organiczna; PWN Warszawa
7. Tomasik P., 1998: Mechanizmy reakcji organicznych; WN PWN Warszawa-Łódź
Zagadnienia:
1. Otrzymywania kwasów karboksylowych: metody, reakcje (ogólne i przykładowe) 2. Właściwości chemiczne kwasów karboksylowych: typy, ogólne (wszystkie!!!) i przykładowe reakcje
8