K W A S Y K A R B O K S Y L O W E
Aleksander Kołodziejczyk 2007.08.
Charakterystyczną cechą kwasów karboksylowych jest obecność w cząsteczce grupy
karboksylowej: -COOH, dzięki której związki te pozyskują właściwości kwasowe.
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 wiÄ…zania, jedno z funkcjÄ… -
OH i drugie z resztÄ… alkilowÄ… (kwasy alifatyczne) lub arylowÄ… (kwasy aromatyczne). Grupa
karbonylowa i hydroksylowa razem z atomem węgla, do którego są przyłączone tworzą
funkcjÄ™ (grupÄ™) karboksylowÄ….
grupa karboksylowa
O
C
OH R: alkil, aryl lub H
R
W najprostszym kwasie karboksylowym  w kwasie mrówkowym (metanowym) grupa
karboksylowa połączona jest z atomem wodoru.
Parametry grupy karboksylowej
o
1,23 A O
O
125o o
0,97 A
124o o
106o
1,10 A
C
H
C
H
H
O
H
O
o
1,32 A
111o
wartości kątów wiązań długości wiązań
Ä™!
W kwasie mrówkowym kąty wiązań wychodzących od karboksylowego atomu węgla
przyjmują wartości zbliżone do 120o, chociaż widoczne są wyraz
ne odchylenia. Ta
deformacja wynika z obecności małego atomu wodoru związanego z grupą karboksylową; w
kwasie octowym takich różnic już nie ma.
“!
o
1,25 A O
O
122o o
A
0,97
o
119o
106o
A
1,52
C
H
C
H
H3C
O
H3C
O
o
1,31 A
119o
Grupa karboksylowa, podobnie jak karbonylowa jest płaska i silnie spolaryzowana.
Obecność atomu wodoru związanego z atomem tlenu grupy hydroksylowej sprzyja
powstawaniu wiązań wodorowych i tworzeniu dimerów. Występowanie kwasów
karboksylowych w postaci dimerów podwyższa temperatury wrzenia tych związków. Ich
czÄ…steczki nawet w stanie pary sÄ… dimerami.
dimer
H O
O
C CH3
kwasu
H3C
C
octowego
O O
H
o
2,67
A
1
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).
3 1
6 5
4 3
COOH
COOH
H3C
H3C
4 2
2 1
kwas masłowy kwas kapronowy
Najpopularniejszym naturalnym kwasem tłuszczowym jest kwas oleinowy (C17H33COOH), a
pośród nasyconych  palmitynowy (C15H31COOH).
11
4
18 17 15 13 8 6 2 1
16
COOH
H3C
COOH
H3C
1
14 5 3
16 12 10 9 7
kw. palmitynowy
kw. oleinowy
Do popularnych kwasów zaliczają się też kwas stearynowy (C17H35COOH) i linolowy
(C17H31COOH).
18
H3C
COOH
COOH
H3C
1
10
18 13 12 9
1
kw. stearynowy
kw. linolowy
Nienasycone kwasy tłuszczowe w tłuszczach jadalnych powinny mieć wiązania podwójne
niesprzężone, typu cis-, tak jak w kwasie oleinowym, 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). Jest on szkodliwy dla zdrowia, ale 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 utleniania
dochodzi do izomeryzacji wiązań podwójnych: cis- trans-, a więc pogarsza się ich wartość
odżywcza. Nienasycone kwasy tłuszczowe trans- są szkodliwe dla zdrowia.
1
11 9
13
18
H3C COOH
COOH
H3C
1
10
18 13 12 9 7 6
14 12 10
kw. oleostearynowy
kw. linolenowy
Pytanie: dlaczego izomery cis- Å‚atwiej przechodzÄ… w trans-, a nie odwrotnie?
Kwasy wchodzące w skład wosków są zwykle nasycone i mają ponad 20 atomów węgla.
Od nienasyconego dwudziestowęglowego kwasu arachidonowego wywodzą się ważne dla
prawidłowego funkcjonowania organizmu prostaglandyny.
1 O 1
H
9 8 6 5
11
COOH
COOH
9 8
5
20
CH3
12
CH3
12 20
14 15
HO15 H
kwas arachidonowy prostaglandyna A3
2
W skład żółci wchodzą należące do steroidów kwasy żółciowe. 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
przeciwgorÄ…czkowe.
O
H
H
COOH
COOH
H
kwas cholowy
OH
COOH
H
H
HO
OH
H
kw. benzoesowy
kwas salicylowy
Znany jest kwas migdałowy i cynamonowy; ich nazwy wskazują pochodzenie.
OH
COOH
COOH
kwas migdałowy kwas cynamonowy
Nomenklatura
1. Zwyczajowa
Dla wiele kwasów karboksylowych powszechnie używane są ich nazwy zwyczajowe,
ponieważ należą one do wcześnie odkrytych związków organicznych, kiedy to jeszcze nie
było ustalonych reguł nomenklaturowych i nazwy często odnosiły się do z
ródła, z którego
zostały wyizolowane po raz pierwszy. 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.
2. Systematyczna
Według zasad IUPAC nazwy alifatycznych, acyklicznych kwasów karboksylowych tworzy
się dodając do słowa kwas przymiotnikową nazwę 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 CH3(CH2)4COOH  kwas heksanowy (kapronowy)
(walerianowy)
CH3(CH2)6COOH  kwas oktanowy (kaprylowy) CH3(CH2)4COOH  kwas dekanowyy (kaprynowy)
CH3(CH2)4COOH  kwas heksadekanowy CH3(CH2)16COOH  kwas oktadekanowy (stearynowy)
(palmitynowy)
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-)
3
Cl
COOH COOH
COOH
kwas 2-metylobutanowy kwas 3-fenylopropanowy kwas 3-(p-chlorofenylo)butanowy
W tym sposobie nazewnictwa dla atomu węgla grupy karboksylowej przyjmuje się lokant 1.
Kwasy dikarboksylowe otrzymują końcówkę -diowy, która jest połączona ze rdzeniem
Å‚Ä…cznikiem  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)
3. Drugi systematyczny sposób nazywania kwasów karboksylowych, także zatwierdzony
przez IUPAC, polega na tym, że do zestawu słów kwas .......karboksylowy dodaje się nazwę
węglowodoru, do którego została dołączona grupa karboksylowa. Według tej zasady kwas
octowy nazywa siÄ™ kwasem metanokarboksylowym, a kwas bursztynowy 
etanodikarboksylowym.
CH3-COOH  kwas metanokarboksylowy (octowy)
HOOC-(CH2)2-COOH  kwas etanodikarboksylowy (bursztynowy)
Sposób wykorzystujący zestaw słów  kwas alkanokarboksylowy pozwala na łatwe
tworzenie nazw kwasów cyklicznych jako cykloalkanokarboksylowe i kwasów acyklicznych
o bardziej rozbudowanych łańcuchach.
CH2CH3
CH3
COOH
HOOCCHCH2CHCH2CH2CH3
COOH
kwas 2-metylocykloheksanokarboksylowy kwas oktano-3,5-dikarboksylowy
4. Nazewnictwo podstawnikowe
Grupę karboksylową można traktować jako podstawnik i tworzyć nazwy dodając do rdzenia
przedrostek karboksy- wraz z odpowiednim lokantem. W przypadku skomplikowanych
związków można łączyć dwa systemy.
CH2COOH
COOH
HOOCCH2CH2CH2CHCH2COOH
CH3CH2CHCH2CHO
3-karboksypentanal kwas 3-(karboksymetylo)heptanodiowy
Właściwości fizyczne i fizjologiczne
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. 100,5oC, a octowy, propionowy i
masłowy odpowiednio: 118, 141 i 163 oC.
4
Kwas dekanowy topnieje w temperaturze 31oC. Rozgałęzienia łańcuchów i wiązania
nienasycone znacząco obniżają tt. kwasów. Kwas oleinowy topnieje w temp. w 16oC, kwas
linolowy, w -12oC, a dla porównania stearynowy  w 70oC. Pierwsze cztery kwasy z szeregu
homologicznego do masłowego włącznie mieszają się z wodą w każdym stosunku. Od kwasu
walerianowego rozpuszczalność w wodzie szybko spada. Począwszy od kwasu
dodekanowego są praktycznie nierozpuszczalne w wodzie. Kwasy tłuszczowe są dobrze
rozpuszczalne w roztworach alkalicznych (tworzÄ… sole) i w rozpuszczalnikach organicznych.
Sole wyższych kwasów tłuszczowych nazywane są mydłami; mają właściwości detergentów,
dlaczego?
Zadanie: dlaczego mydła są związkami powierzchniowo czynnymi?
Mieszanina stałych kwasów tłuszczowych nosi nazwę stearyny. Jest ona używana do wyrobu
świec (stearynowych, są jeszcze parafinowe i woskowe). Kropla roztopionej stearyny (lub
stopionego stałego kwasu) wlana na powierzchnię wody, tak żeby utworzyła się cienka
warstwa zastyga w płatek z powierzchniami o różnych właściwościach. 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.
Zapach kwasów mrówkowego, octowego i propionowego jest ostry, duszący, kwaśny. Kwas
masłowy i jego średniocząsteczkowe homologi mają bardzo nieprzyjemny, odrażający zapach
(odór). Zjełczałe masło ma zapach kwasu masłowego, im bardziej rozłożone do wolnych
kwasów, tym bardziej staje się cuchnące. Wyższe kwasy tłuszczowe (od kwasu
dodekanowego) i kwasy aromatyczne sÄ… bezzapachowe.
Otrzymywanie
A. y
ródła 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 lub zasadowej. Częściej stosowana jest hydroliza
zasadowa, zwana zmydlaniem tłuszczów, ponieważ tworzące się sole są mydłami.
RCOONa
CH2-O-COR
CH2OH
+
NaOH
R'COONa + CHOH
R'CO-O-CH
HOH
+
CH2OH
CH2-O-COR''
R''COONa
triacyloglicerol sole kwasów tłuszczowych (mydła) glicerol
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.
5
B. Otrzymywanie kwasu octowego
Kwas octowy jako produkt naturalny w postaci skwaśniałego wina czy soków był znany od
dawna. Jako tzw. ocet winny (rozcieńczony wodny roztwór AcOH) stosowano go w kuchni
od niepamiętnych czasów. Powstawał on w wyniku bakteryjnego utlenienia etanolu (wina).
Do dzisiaj wykorzystuje się bakterie do otrzymywania kwasu octowego do celów
spożywczych. 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. Współcześnie za najlepszą
metodÄ™ otrzymywania kwasu octowego uznaje siÄ™ karbometylowanie metanolu.
CH3OH + CO çÅ‚ CH3COOH
Popularną technologią jest też utlenianie powietrzem takich węglowodorów, jak butan,
buteny, benzyna, a nawet cięższe alifatycznej frakcje ropy naftowej. Oba te sposoby wyparły
utlenienie etanalu otrzymywanego w etynu, ponieważ ten surowiec jest za drogi.
C. 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.
HOH
CH3OH + CO çÅ‚ HCOOCH3 çÅ‚ HCOOH + CH3OH
HCOOH
Ta technologia wyparła uprzednio stosowane karbonylownie wodorotlenku sodu.
>150oC H2SO4
CO + NaOH çÅ‚çÅ‚ HCOONa çÅ‚çÅ‚ HCOOH
D. Utlenianie aldehydów prowadzi do kwasów karboksylowych. W praktyce nie jest to jednak
często wykorzystywany sposób otrzymywania kwasów, ponieważ aldehydy są trudno
dostępne i to raczej pochodne kwasów stanowią substraty w ich syntezie. Powszechnie
uprzednio wykorzystywanie w przemyśle etanalu do produkcji kwasu octowego zostało
zastąpione innymi dogodniejszymi metodami. W przemyśle acetaldehyd utleniało się tlenem
z powietrza, w roztworze kwasu octowego, wobec katalizatora zapewniajÄ…cego wysokÄ…
wydajność.
powietrze
CH3CHO + 0,5 O2 çÅ‚çÅ‚çÅ‚ CH3COOH 95%
<60oC, MnAc3
E. 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
większych. Wyodrębnianie poszczególnych kwasów metodą frakcjonowania.
powietrze
RCH2-CH2R çÅ‚çÅ‚çÅ‚ RCOOH + R COOH
Mn3+
Ten sposób otrzymywania kwasów był próbą zastąpienia kwasów naturalnych
syntetycznymi. Można ją uznać za próbę raczej nieudaną, ponieważ podaż tłuszczów
naturalnych jest wystarczajÄ…ca, a kwasy syntetyczne wytwarzane tÄ… technologiÄ… zawierajÄ…
6
cząsteczki zarówno z parzystą jak i nieparzystą liczbą atomów węgla, przez co nie nadają się,
np. do produkcji detergentów, ponieważ te drugie nie ulegają biodegradacji.
E. Utlenianie alkiloarenów
Utlenianie związków aromatycznych zawierające alkilowe łańcuchy boczne jest
powszechnym sposobem otrzymywania kwasów aromatycznych zawierających karboksylową
grupę (grupy) przy pierścieniu aromatycznym. Wykorzystuje się ją 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
utleniony w warunkach tej reakcji do grupy karboksylowej związanej z pierścieniem.
CH3 COOH
CH3
COOH
KMnO4
KMnO4
CH3 COOH
toluen kwas benzoesowy (75%) p-ksylen kwas ftalowy (52%)
Wydajności powyższych reakcji nie są wysokie, ponieważ substraty pełnią zarazem rolę
rozpuszczalnika i nie mogą być utlenione do końca. Zastosowanie katalizatorów
międzyfazowych znacznie przyspiesza reakcję i umożliwia otrzymywanie kwasów z
wydajnością prawie ilościową.
F. 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.
Cl COOH
MgCl
Mg 1. CO2
eter 2. H+/HOH
CH3 CH3
CH3
p-chlorotoluen bromek fenylomagnezowy kwas p-toluilowy (80%)
CH3
MgCl
Cl
Mg 1. CO2
CH3CH2CHCH3 eter CH3CH2CHCH3 CH3CH2CHCOOH
2. H+/HOH
Karboksylowanie związków Grignarda jest dogodnym sposobem otrzymywania ą,ą-
dipodstawionych kwasów karboksylowych (zatłoczonych), np. kwasu piwalowego
(trimetylooctowego) czy 2,4,6-trimetylobenzoesowego, trudnych do syntezy na innej drodze.
1. Mg/eter
(CH3)3CCl (CH3)3CCOOH
2. CO2; 3. H+/HOH
chlorek t-butylu kwas piwalowy (trimetylooctowy)
Cl
COOH
H3C CH3
1. Mg/eter H3C CH3
2. CO2; 3. H+/HOH
80%
CH3
CH3
1-chloro-2,4,6-trimetylobenzen kwas 2,4,6-trimetylobenzoesowy
Ditlenek węgla można przyłączać również do sodo- lub litopochodnych organicznych.
7
G. Hydroliza pochodnych kwasów karboksylowych
Pośród pochodnych kwasowych najczęściej hydrolizowanymi są nitryle, ponieważ są łatwe
w syntezie. W tej metodzie najczęściej jako substraty wykorzystuje się halogenki alkilowe.
H2SO4
KCN
NC(CH2)3CN
Br(CH2)3Br HOOC(CH2)3COOH
HOH
1,3-dibromopropan 1,3-pentanodinitryl kwas pentanodiowy (82%)
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.
H. 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 ą dodatkową grupę funkcyjną, np.
aminową. Częstym substratem w tej reakcji jest ester malonowy. Synteza polega ona na
alkilowaniu sodopochodnej estru malonowego, hydrolizie i dekarboksylacji (lub nie)
produktu.
COOEt
COOEt COOEt
EtBr H+/HOH,"
Na/EtOH -
+
CH3CH2CH2COOH
CH
CH2 Et
Na CH
- CO2
COOEt
COOEt COOEt kwas butanowy
1. NaH
malonian dietylu
2. MeBr
COOEt
- CO2
CH3CH2CHCOOH
Et C Me
CH3 kwas 2-metylobutanowy
H+/HOH,"
COOEt
I. Metody mikrobiologiczne i enzymatyczne
W przemyśle do otrzymywania kwasów wykorzystuje się często mikroorganizmy (zwykle
bakterie) i enzymy. Poza kwasem octowym metody te sÄ… stosowane raczej do produkcji
wielofunkcyjnych kwasów, głównie aminokwasów (lizyny, fenyloalaniny i innych) oraz
hydroksykwasów (kwasu cytrynowego, mlekowego czy glukonowego). Kwas winowy też
powstaje w procesie fermentacji, ale jest to raczej produkt uboczny. Metody mikrobiologiczne
i enzymatyczne zapewniają wysoką chiralną czystość produktów.
W fermentacyjnych procesach 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. Rocznie produkuje się ponad 50 000 ton
kwasu mlekowego, z czego 70% metodÄ… fermentacyjnÄ…, a resztÄ™ na drodze syntezy
chemicznej.
COOH
np. Carnobacterium
cukier (heksoza)
HO C H
kwas L(+)-mlekowy CH3 90%
Właściwości chemiczne
Kwasy karboksylowe są kwasami słabymi; w wodzie dysocjują tworząc anion
karboksylanowy.
- +
RCOOH + HOH RCOO + H/HOH
Stała kwasowości dla tej równowagi Ka i pKa wyrażają się wzorami:
8
[RCOO-][H3O+]
Ka = pKa = -log Ka
[RCOOH]
Stała kwasowości kwasów karboksylowych przyjmuje wartość około 10-5, co oznacza, że
jedynie ~ 0,1% ich cząsteczek ulega dysocjacji. Dla kwasu octowego wartość Ka wynosi
1,76.10-5, wobec czego pKa = 4,75. Są to więc kwasy zdecydowanie słabsze, od np. kwasu
solnego (pKa = -7), ale silniejsze niż kwas węglowy i znacznie silniejsze od alkoholi (pKa
etanolu = 16).
Kwasy karboksylowe reagują z węglanami, przy czym wydziela się CO2, a jeżeli wolny kwas
jest w wodzie trudno rozpuszczalny to przechodzi on w rozpuszczalną w sól. To proste
doświadczenie jest dowodem, że kwasy karboksylowe są silniejszymi kwasami od kwasu
węglowego.
- +
RCOOH + NaHCO3 RCOO + Na + HOH + CO2
Kwasy karboksylowe z zasadami tworzÄ… sole.
+
-
COOH COO
Na
+
NaOH
+ HOH
kwas benzoesowy benzoesan sodu
trudno rozpuszczalny w wodzie sól rozpuszczalna w wodzie
Wartości Ka i pKa wybranych kwasów Tabela 12.1
Nazwa kwasu wzór Ka pKa względna moc
solny HCl 107 -7 b. mocny
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
b. słaby
etanol CH3CH2COH 1.10-16 16
Z wartości podanych w tabeli 12. 1 wynika, że znaczący efekt na moc kwasów
karboksylowych wywierajÄ… podstawniki ulokowane blisko grupy karboksylowej. Im silniejsze
podstawniki elektroakceptorowe, tym bardziej zwiększają kwasowość. Kwas fluorooctowy
jest około 100 razy mocniejszy od kwasu octowego, a trifluorooctowy aż 32 000 razy.
Natomiast kwas propionowy jest nieznacznie słabszym kwasem niż kwas octowym, ale też
efekt elektrodonorowy grupy metylowej jest bardzo słaby.
Moc kwasów karboksylowych jest związana z wpływem podstawników na efekt
mezomeryczny stabilizujÄ…cy jon karboksylanowy. Podstawniki elektroakceptorowe
zwiększają rozmycie ładunku ujemnego, a tym samym stabilizują jon karboksylanowy.
Podstawniki elektrodonorowe mają odwrotne działanie.
9
..
.. ..
-
:
HOH
O: : :O -
: :
: O
O
..
C -
.. C
C
C
- H+
:
O
R :
:
O O
OH R R
R ..
..
..
..
dysocjacja mezomeria
Rozmycie ujemnego Å‚adunku jonu karboksylanowego spowodowane mezomeriÄ… stabilizuje
ten jon, a tym samym ułatwia dysocjację grupy karboksylowej do anionu
karboksylanowego. W jonie alkoholanowym nie ma możliwości mezomerii i jon ten nie jest
stabilizowany.
.. HOH .. -
OH O
R CH2 .. R CH2 .. :
- H+
Podstawniki wyciÄ…gajÄ…ce elektrony (EWG  electron withdrowing group) przez rozmycie
ładunku zwiększają stabilizację anionu karboksylanowego, podstawniki elektrodonorowe
(EDG  electron donoring group) zwiększają ładunek ujemny anionu i destabilizują go.
O
O
-
-
C
C
O
O
EWG
EDG
Wpływ na moc kwasu zależy od odległości podstawnika od grupy karboksylowej. Efekt ten
można przeÅ›ledzić na przykÅ‚adzie kwasów Ä…-, ²-, i Å‚- chloromasÅ‚owych. A
atwo zauważyć, że
im bliżej znajduje się chlor tym silniej zwiększa kwasowość izomerów kwasu
chloromasłowego.
Kwasowość izomerów kwasu chloromasłowego Tab. 12.2
Nazwa kwasu wzór Ka pKa
CH3CH2CH(Cl)COOH 1,4.10-3 2,9
ą-chloromasłowy
CH3CH(Cl)CH2COOH 9,0.10-5 4,1
²-chloromasÅ‚owy
ClCH2CH2CH2COOH 3,0.10-5 4,5
ł-chloromasłowy
masłowy CH3CH2CH2COOH 1.5.10-5 4,8
Większa liczba podstawników elektroujemnych w większym stopniu zwiększa moc kwasu,
ponieważ efekty sumują się wektorowo.
Cl
H H H
-
- - -
COO
H C Cl C COO COO Cl C COO
Cl C
H H
Cl
Cl
pKa: 4,7 2,9 1,3 0,6
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,
ponieważ 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.
10
O H
O
O O - O O
C
C
C
HOH
- H+
+N
+N
+N
- O O
- O O
- O -
O
Wartość pKa kwasu benzoesowego wynosi 4,2, podczas gdy p-nitrobenzoesowego 3,4, co
oznacza, że ten drugi jest 8 razy mocniejszy. Natomiast zawierający podstawnik
elektrodonorowy kwas p-metoksybenzoesowy jest kwasem słabszym niż benzoesowy, jego
pKa wynosi 4,5.
-
O O H
O O - O O
C
C
C
..
-
HOH
- H+
:OMe +
: OMe
.. OMe
..
..
Pomiar kwasowości jest łatwy do przeprowadzenia, dzięki czemu na podstawie zmiany stałej
kwasowości Ka można ilościowo oznaczyć wpływ podstawników w kwasie benzoesowym na
kwasowość grupy karboksylowej. Zmiana kwasowości analogu kwasu benzoesowego w
porównaniu z kwasowością kwasu benzoesowego wywołana obecnością podstawnika w
położeniu para- charakteryzuje się efektem mezomerycznym 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 podobnej wielkości w reakcjach SE cząsteczki
aromatycznej zawierajÄ…cej ten sam podstawnik.
Takie oznaczenia zostały przeprowadzone i na ich podstawie został zrobiony podział na
podstawniki aktywujące reakcje SE, a zarazem obniżające kwasowość kwasu benzoesowego i
podstawniki dezaktywujące reakcje SE. Równocześnie ilościowe zmiany kwasowości
pozwalają na ułożenie tych podstawników w kolejności zależnej od wielkości wywoływanego
efektu. Taka lista przedstawiona jest w tabeli 12.3.
Wpływ podstawników w położeniu para- na kwasowość na kwasowość pochodnych benzenu Tabela 12.3
Y COOH
Moc kwasu Y Ka p Ka
-OH 3,3.10-5 4,5
-OCH3 3,5.10-5 4,5
grupy aktywujÄ…ce
-CH3 4,3.10-5 4,3
-H 6,5.10-5 4,2
-Cl 1,0.10-4 4,0
-Br 1,1.10-4 4,0
grupy dezaktywujÄ…ce
-CN 2,8.10-4 3,6
-NO2 2,9.10-4 3,4
Jakie praktyczne korzyści daje znajomość wartości mocy podstawionych kwasów
benzoesowych? Otóż na podstawie tych wartości można oceniać właściwości podstawników,
np. ich wpływ na reakcje SE.
11
Y COO Y
H
oznaczenie kwasowości tego kwasu umożliwia przewidywanie wpływu tego podstawnika
na reaktywność w reakcjach SE
Redukcja grupy karboksylowej
Grupa karboksylowa jest grupÄ… polarnÄ… i do jej redukcji wymagane sÄ… polarne reduktory,
takie jak tetrahydroglinian litu albo borowodór lub specjalne katalizatory umożliwiające
wykorzystanie wodoru gazowego. Grupa karboksylowa nie ulega redukcji pod wpływem
tetrahydroboranu sodu ani wodorem 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.
1. LiAlH4
CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7CH2OH
CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH
2. H+/HOH
kwas oleinowy cis-oktadec-9-en-1-ol (87%)
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
pomocÄ… borowodoru.
CH2COOH
CH2CH2OH
1. BH3/THF
(94%)
2. H+/HOH
NO2
NO2
kwas p-nitrofenylooctowy 2-(p-nitrofenylo)etanol
W przemyśle na ogromną skalę przeprowadza się selektywną redukcję nienasyconych
kwasów tłuszczowych za pomocą wodoru. Redukuje się je wodorem w obecności
katalizatora niklowego do mniej nienasyconych lub nasyconych kwasów tłuszczowych (np. z
kwasu linolenowego można otrzymywać etapami kwas linolowy, oleinowy, a wreszcie
stearynowy) lub wodorem wobec katalizatorów miedziowo-chromowych do odpowiednich
alkoholi (alkoholi tłuszczowych).
CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH + 2 H2 kwas oleinowy
", ciś. ćł kat. Cu/Cr
“!
CH3(CH2)7CH=CH(CH2) 7CH2OH okta-9-en-1-ol
Zadanie: napisz ciÄ…g reakcji prowadzÄ…cych od kwasu linolenowego do stearynowego.
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.
HgO/Br2
CH3(CH2)15CH2Br + CO2
CH3(CH2)15CH2COOH
"
kwas stearynowy bromek heptadecylu
I2/"
COOAg + CO2
I
cyklopentanokarboksylan srebra jodek cyklopentylu
12
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 tworzÄ…c halogenek alkilu i
rodnik karboksylanowy, a ten rozkłada się tak samo na rodnik alkilowy jak w etapie A.
A
O O
O
.. ..
"
.Br: + R C O. CO2 + R.
R O
OAg + Br2 C Br + AgBr
R C
..
..
O
O
B
..
.
R Br R C O.
O
R C Br + R +
..
O
C
..
R. + CO2
R C O.
..
Reakcja Hunsdieckera wykorzystywana jest do otrzymywania halogenków alkilowych
wówczas, kiedy odpowiednie kwasy karboksylowe są łatwo dostępne, a inne metody syntezy
tych halogenków niedogodne.
Zadanie: z kwasu heksanowego otrzymać bromek heksylu i bromek pentylu.
Reakcja Hella-Volharda-Zielińskiego
W kwasach karboksylowych atomy wodorów Hą ulegają substytucji bromem lub chlorem
tworząc ą-halogenokwasy. Reakcja zachodzi pod wpływem bromu lub chloru w obecności
czerwonego fosforu lub PBr3 (PCl3).
R-CH2-COOH + Br2 brak reakcji
P
R-CH2-COOH + Br2
R-CHBr-COOH + HBr
Br
Br2/P
COOH
COOH
kwas heptanowy kwas 2-bromoheptanowy (90%)
Mechanizm reakcji:
Reakcja zaczyna siÄ™ od utworzenia tribromku fosforu: 3 Br2 + 2 P çÅ‚ 2 PBr3
Fosfor dodawany jest w ilości katalitycznej.
Powstały PBr3 przekształca część kwasu karboksylowego w bromek kwasowy:
O
O OH
H H
PBr3
C
C
C
R R
R
C C Br
OH Br
C
H H
H
kwas karboksylowy bromek kwasowy tautomer bromku
W formie tautomerycznej bromku kwasowego znajduje się podwójne wiązanie, do którego
przyłącza się cząsteczka bromu, po czym następuje eliminacja HBr i tworzy się bromek ą-
bromokwasu.
13
H
OH
O
O
Br
Br2 H
- HBr
C
Br C
R C
R
C Br
Br
C
R
C
Br
H H
Br
bromek kwasowy bromek Ä…-bromokwasu
Bromek ą-bromokwasu w reakcji z kwasem karboksylowym przekształca się w ą-
bromokwas i bromek kwasowy, który zawraca do reakcji przyłączając cząsteczkę bromu.
Dzięki tej wymianie wystarcza katalityczna ilość P lub PBr3.
zawraca do
O
H
reakcji
C
R
C OH
O O
O
Br
Br H
H
C C
C
R R
R OH + C
Br
C Br C
H H
H
bromek Ä…-bromokwasu Ä…-bromokwas bromek kwasowy
ą-Halogenokwasy są wykorzystywane w syntezie organicznej zarówno w reakcjach na grupie
karboksylowej, jak i poprzez wymianę halogenu na różne funkcje, np. aminową czy
hydroksylowÄ….
Pochodne kwasów karboksylowych
Funkcję -OH w grupie karboksylowej można wymienić, np., na -X, -OR, -NH2, -NHNH2 i
inne ugrupowania. Otrzymuje się wówczas pochodne zwane odpowiednio: halogenkami
kwasowymi, estrami, amidami i hydrazydami. Jeżeli w grupie karboksylowej oba atomy
tlenu zostanÄ… zastÄ…pione przez atom azotu powstaje nitryl.
Poniżej przedstawione są wzory strukturalne tych pochodnych.
kwas halogenek estry
O O
O
karboksylowy kwasowy
R: alkil; aryl
C C
C
X OR
R R
OH
R
X: F; Cl; Br; I
amidy
O
O kwasy
O
O
bezwodniki
hydroksamowe
R: H; alkil; aryl
C
C C N nitryle
C R
C
NR2
R NH-OH
R
R(R')
R
O
Reszta czÄ…steczki kwasu karboksylowego pozbawiona grupy -OH nosi nazwÄ™ acylu.
O
O
O
- OH
C
C +
C
R
OH R
R
kwas karboksylowy acyl kation acylowy
Taka same reszty 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 od kwasów pochodzą ich nazwy (z nazw
angielskich).
O
O O O
O
O O
O O O O O
C C C
C
C
C (CH2)3
C C CH2C (CH2)2 C
C
C
H3C
H C2H5 C3H7
formyl acetyl propionyl butyryl oksalil malonyl sukcynyl glutaryl
14
Aroil to ogólna nazwa reszt kwasów aromatycznych.
O
O
O
C
C
C
²-naftoil
benzoil ftaloil
C
O
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-.
..
-
: :
O
: : : :
O O
-
-
+ :Nu
C
+ :Y
C C
R Y
Nu R Nu
R
Y
Grupy odchodzÄ…ce 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)
bardziej reaktywne w reakcjach z :Nu-
O
O
chlorek
C
C kwasowy
H2C
Cl
R
X
O
O C
O
bezwodnik
H
C
C
O
R
O
R
C
O H3C
kwasy
C
O
OH
R
C
RCH2
O
estry O
C
OR
R
C
R2CH
O
O
amidy
C
C
R3C
NR2
R
mniej reaktywne
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 (zwiększa aktywność acylującą pochodnej
kwasowej). Reszty alkilowe R wywierajÄ…c w estrach efekt indukcyjny +I, a w amidach +M
15
lub efekt +M i +I (w grupie -NR2) obniżają aktywność acylującą tych pochodnych
kwasowych.
W powyższym diagramie nie ma kwasów karboksylowych, które powinny sytuować się
pomiędzy bezwodnikami i estrami, ponieważ oddziaływanie atomu wodoru grupie -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, a powstały jon karboksylanowy jest całkowicie
pozbawiony właściwości acylujących, jako że posiada ładunek ujemny.
O
O +
+ R'NH2
R'NH3
C -
C
O
R
OH
R
anion karboksylanowy jest pozbawiony właściwości acylujących
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 zwiększa aktywność acylującą takich estrów. Estrom o
podwyższonej aktywności acylującej nadano nazwę estrów aktywnych. Do tej grupy
odczynników acylujących zalicza się też związki o podobnej budowie  RCOOR, w których
atom tlenu grupy karboksylowej połączony jest z resztą organiczną R poprzez atom azotu
zamiast węgla. Nie są to estry, ponieważ nie są pochodnymi kwasów z alkoholami. Pomimo
tego związki te (nieprawidłowo) też zwane są estrami aktywnymi. Zawierają one, takie
ugrupowania, jak np. N-hydroksysukcynoimidyl czy N-hydroksybenzotriazyl.
Estry aktywne:
F
O F F
O O NO2
C
C C
F
O
O O R
R R
F
fenylowy p-nitrofenylowy pentafluorofenylowy
O
O
N
O
N
C
N
C
N
O
R
O
R
O
hydroksysuksynoimidylowy hydroksybenztriazylowy
Estry aktywne służą do otrzymywania amidów, szczególnie często są wykorzystywane w
syntezie peptydów. Można też za ich pomocą otrzymywać inne estry.
16