1K W A S Y K A R B O K S Y L O W EAleksander Kołodziejczyk 2006.10. Charakterystyczną grupą funkcyjną kwasów karboksylowych jest grupa karboksylowa: -...
21 downloads
30 Views
192KB Size
KWASY KARBOKSYLOWE Aleksander Kołodziejczyk
2006.10.
Charakterystyczną grupą funkcyjną kwasów karboksylowych jest grupa karboksylowa: COOH, dzięki której związki te wykazują 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 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 tworzą funkcję (grupę) karboksylową. grupa karboksylowa
O C
R
OH
R: alkil, aryl lub H
W najprostszym kwasie karboksylowym – w kwasie mrówkowym (metanowym) grupa karboksylowa połączona jest z atomem wodoru. Parametry grupy karboksylowej O
o
O
1,23 A
125o
124o
C
C
1,10 A
H
H
H
O
H o
O
1,32 A
111o
wartości
o
0,97 A
o
106o
kątów wiązań ↑
długości wiązań
W kwasie mrówkowym kąty wiązań wychodzących od karboksylowego atomu węgla przyjmują wartości zbliŜone do 120o, chociaŜ widoczne są wyraźne odchylenia. Ta deformacja wynika z obecności małego atomu wodoru związanego z grupą karboksylową; w kwasie octowym takich róŜnic juŜ nie ma. ↓
O 119o
C
H3C
O
o
1,25 A
122o
C
1,52 A
H
H3C
O
o
0,97 A
o
106o
H o
O
1,31 A
119o
Grupa karboksylowa, podobnie jak karbonylowa jest płaska i silnie spolaryzowana. Obecność atomu wodoru związanego z atomem tlenu sprzyja powstawaniu wiązań wodorowych i tworzeniu dimerów. Występowanie kwasów karboksylowych w postaci dimerów podwyŜsza temperatury wrzenia tych związków. Ich cząsteczki nawet w stanie pary są dimerami. dimer
H O
O
C CH3
H3C C O
O H
kwasu octowego
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). H3C
COOH
H3C
2 1
kwas masłowy
1
3
6 5
4 3
COOH 2
4
kwas kapronowy
Najpopularniejszym naturalnym kwasem tłuszczowym jest kwas oleinowy (C17H33COOH), a pośród nasyconych – palmitynowy (C15H31COOH). 16
11
13
15
18 17
H3 C
14
12
8 10 9
4
6 5
7
2 1 3
COOH kw. oleinowy
16
COOH
H3C
1
kw. palmitynowy
Do popularnych zaliczają się teŜ kwasy stearynowy (C17H35COOH) i linolowy (C17H31COOH). 18
COOH
H3C
1
H3C 13 12
18
kw. stearynowy
COOH
10 9
1
kw. linolowy
Nienasycone kwasy tłuszczowe w tłuszczach jadalnych powinny mieć wiązania podwójne niesprzęŜone, typu cis-, tak jak w kwasie oleinowym, linolowym czy linolenowym (C17H29COOH). Znane są takŜe naturalne kwasy karboksylowe zawierające sprzęŜone podwójne wiązania typu trans-, np. kwas oleostearynowy, stereoizomer kwasu linolenowego, występujący w oleju tungowym (chińskim). Jest on szkodliwy dla zdrowia, ale znalazł praktyczne zastosowanie – słuŜy do produkcji artystycznych farb olejnych. Podczas modyfikacji tłuszczów naturalnych, np. w trakcie ich uwodorniania (w procesie produkcji margaryn twardych), a takŜe w czasie długotrwałego smaŜenia i utleniania dochodzi do izomeryzacji wiązań podwójnych: cis- → trans-, a więc pogarsza się ich wartość odŜywcza. COOH
H3C 18
11
13
18
H3C
10 9
13 12
14
12
9 10
7
6
1
kw. linolenowy
1
COOH kw. oleostearynowy
Pytanie: dlaczego izomery cis- łatwiej przechodzą w trans-, a nie odwrotnie?
Kwasy wchodzące w skład wosków są zwykle nasycone i mają ponad 20 atomów węgla.
2
Od nienasyconego dwudziestowęglowego kwasu arachidonowego wywodzą się waŜne dla prawidłowego funkcjonowania organizmu prostaglandyny. 11
9
8
6
O H
1
5
COOH
9
1
8
COOH CH3
5
20 12
14 15
CH3
12
20
HO 15 H
kwas arachidonowy
prostaglandyna A3
W skład Ŝółci wchodzą naleŜące do steroidów kwasy Ŝółciowe. Najpopularniejszym jest kwas cholowy. Znane są teŜ aromatyczne kwasy karboksylowe. Kwas benzoesowy pełni rolę środka konserwującego; znajduje się w niektórych owocach, np. w Ŝurawinach. Kwas salicylowy występuje w stanie wolnym w postaci estrów, a takŜe glikozydów. Ma działanie przeciwgorączkowe. HO
H
H H HO
H
COOH COOH
COOH OH
H OH kw. benzoesowy
kwas salicylowy
kwas cholowy
Znany jest kwas migdałowy i cynamonowy, a ich nazwy wskazują pochodzenie. OH
COOH
COOH kwas migdałowy
kwas cynamonowy
Nomenklatura 1. Zwyczajowa Dla wiele kwasów karboksylowych powszechnie uŜywane są nazwy zwyczajowe. NaleŜą one do najwcześniej odkrytych związków organicznych, kiedy to jeszcze nie było ustalonych reguł nomenklaturowych. Nazwano je wówczas często od nazwy źródła, 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 równieŜ w literaturze naukowej. 2. Systematyczna Według zasad IUPAC nazwy alifatycznych, acyklicznych kwasów karboksylowych tworzy się dodając słowo kwas do przymiotnikowej nazwy węglowodoru macierzystego (zawierającego taki sam szkielet węglowy). 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)
3
CH3(CH2)4COOH – kwas heksanowy (kapronowy) CH3(CH2)6COOH – kwas oktanowy (kaprylowy) CH3(CH2)4COOH – kwas dekanowyy (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-) Cl COOH
kwas 2-metylobutanowy
COOH
COOH
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 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)
3. Drugi systematyczny sposób nazywania kwasów karboksylowych, takŜe zatwierdzony przez IUPAC, polega na tym, Ŝe do zestawu słów kwas .......karboksylowy dodaje się nazwę węglowodoru, do którego została dołączona 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)
Sposób wykorzystujący zestaw słów „kwas alkanokarboksylowy” pozwala na łatwe tworzenie nazw kwasów cykloalkanokarboksylowych, aromatycznych i kwasów acyklicznych o bardziej rozbudowanych łańcuchach. CH3
COOH
CH2CH3 HOOCCHCH2CHCH2CH2CH3 COOH
4
kwas 2-metylocykloheksanokarboksylowy
kwas oktano-3,5-dikarboksylowy
4. Nazewnictwo podstawnikowe Grupę karboksylową moŜna traktować jako podstawnik i tworzyć nazwy dodając do rdzenia przedrostek karboksy- wraz z odpowiednim lokantem. W przypadku skomplikowanych związków moŜna łączyć dwa systemy. COOH CH3CH2CHCH2CHO
3-karboksypentanal
CH2COOH HOOCCH2CH2CH2CHCH2COOH
kwas 3-(karboksymetylo)heptanodiowy
Właściwości fizyczne i fizjologiczne NiŜsze alifatyczne kwasy monokarboksylowe (do nonanowego) są cieczami. Ich temperatury wrzenia są wysokie, wyŜsze nawet niŜ temperatury wrzenia alkoholi, znacznie wyŜsze niŜ 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. Kwas dekanowy topnieje w temperaturze 31oC. Rozgałęzienia łańcuchów i wiązania nienasycone znacząco obniŜają 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 kaŜdym 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 (tworzą sole) i w rozpuszczalnikach organicznych. Sole wyŜszych kwasów tłuszczowych nazywane są mydłami; mają właściwości detergentów dlaczego? Zadanie: dlaczego mydła są związkami powierzchniowo czynnymi?
Stałe kwasy tłuszczowe noszą nazwę stearyny. Jest ona uŜywana do wyrobu świec (stearynowych, są jeszcze parafinowe i woskowe). Kropla roztopionej stearyny (lub stopionego stałego kwasu) wlana na powierzchnię wody, tak Ŝeby utworzyła się cienka warstwa zastyga w płatek z powierzchniami o róŜnych właściwościach. Ta część, która stykała się z wodą jest hydrofilowa (zwilŜa się wodą), a ta druga jest hydrofobowa – kropelki wody spływają po niej. Zjawisko to polega na tym, Ŝe w cienkiej warstwie ciekłego jeszcze kwasu dochodzi do orientacji jego cząsteczek. Grupy karboksylowe (hydrofilowe) kierują się do wody, a łańcuchy węglowodorowe (hydrofobowe) przyjmują pozycję nad wodą. Zapach kwasów mrówkowego, octowego i propionowego jest ostry, duszący, kwaśny. Kwas masłowy i jego średniocząsteczkowe homologi mają bardzo nieprzyjemny, odraŜający zapach (odór). Zjełczałe masło ma zapach kwasu masłowego, im bardziej rozłoŜone tłuszcz do wolnych kwasów, tym jest bardziej cuchnący. WyŜsze kwasy tłuszczowe (od kwasu dodekanowego) i kwasy aromatyczne są bezzapachowe. Otrzymywanie A. Źródła naturalne Wiele kwasów tłuszczowych jest pochodzenia naturalnego. Pozyskuje się je głównie z tłuszczów, które są ich estrami z glicerolem – zwanymi triacyloglicerolami. MoŜna je uwalniać z tłuszczów za pomocą hydrolizy kwaśnej lub zasadowej. Częściej stosowana jest 5
hydroliza zasadowa, zwana zmydlaniem tłuszczów, poniewaŜ tworzące się sole zwane mydłami. CH2-O-COR NaOH
R'CO-O-CH HOH
CH2-O-COR''
triacyloglicerol
RCOONa + R'COONa + + R''COONa
CH2OH CHOH CH2OH
sole kwasów tłuszczowych (mydła)
glicerol
Naturalne triacyloglicerole zawierają zwykle róŜne reszty acylowe (R ≠ R’ ≠ R’’), moŜe to być mieszanina reszt kilku, a nawet kilkunastu kwasów. Czyste kwasy 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 róŜnymi sposobami. Małe ilości najlepiej za pomocą chromatografii. Na skalę techniczną przeprowadza się destylację kwasów lub lepiej ich estrów metylowych w warunkach mocno obniŜonego ciśnienia (destylacja molekularna). Kwasy stałe moŜna krystalizować. 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) stosowany był w kuchni jako przyprawa od niepamiętnych czasów. Powstaje on w wyniku utlenienia bakteryjnego etanolu (wina). Do dzisiaj, bakterie są wykorzystywane do otrzymywania spoŜywczego kwasu octowego. W tym celu utlenia się 15% wodny roztwór etanolu przepuszczając go przez złoŜe (wióry) zawierające odpowiednie bakterie. Powstały w ten sposób rozcieńczony (~10%) roztwór kwasu octowego zwany octem spirytusowym, w odróŜnieniu od octu winnego jest bezbarwny i pozbawiony specyficznego aromatu tego drugiego. Etanol moŜna teŜ katalitycznie utlenić tlenem z powietrza do kwasu octowego. Kwas octowy ma ogromne zastosowanie w przemyśle, głównie do wytwarzania róŜnych estrów. Jego światowa produkcja przekracza 4 mln ton rocznie. Współcześnie za najlepszą metodę otrzymywania kwasu octowego uznaje się karbometylowanie metanolu. CH3OH + CO → CH3COOH
Popularną technologią jest teŜ utlenianie powietrzem takich węglowodorów, jak butan, buteny, benzyna, a nawet cięŜsze alifatycznej frakcje ropy naftowej. Oba te sposoby wyparły utlenienie etanalu otrzymywanego w etynu, poniewaŜ ten surowiec jest za drogi. C. Otrzymywanie kwasu mrówkowego Kwas mrówkowy wytwarzany jest w skali o rząd mniejszej niŜ kwas octowy. Otrzymuje się go obecnie poprzez hydrolizę mrówczanu metylu, powstającego w reakcji karbonylowania metanolu. HOH
CH3OH + CO → HCOOCH3 → HCOOH + CH3OH HCOOH
Ta technologia wyparła uprzednio stosowane karbonylownie wodorotlenku sodu. >150oC
H2SO4
CO + NaOH → HCOONa → HCOOH
6
D. Utlenianie aldehydów prowadzi do kwasów karboksylowych. W praktyce nie jest to jednak często wykorzystywany sposób otrzymywania kwasów, poniewaŜ 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 osiągając wysoką wydajność. powietrze
CH3CHO + 0,5 O2 → 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 frakcjonowania. powietrze
RCH2-CH2R’ → RCOOH + R’COOH Mn3+
Ten sposób otrzymywania kwasów był próbą zastąpienia kwasów naturalnych syntetycznymi. MoŜna ją uznać za próbę raczej nieudaną, poniewaŜ podaŜ tłuszczów naturalnych jest wystarczająca, a kwasy syntetyczne wytwarzane tą technologią zawierają cząsteczki zarówno z parzystą jak i nieparzystą liczbą atomów węgla, przez co nie nadają się, np. do produkcji detergentów, poniewaŜ te drugie nie ulegają biodegradacji. E. Utlenianie alkiloarenów Utlenianie związków aromatycznych zawierających alkilowe łańcuchy boczne jest powszechnym sposobem otrzymywania kwasów aromatycznych zawierających karboksylową grupę (grupy) przy pierścieniu aromatycznym. Jest wykorzystywana zarówno w przemyśle, jak i w laboratoriach. W przemyśle do utleniania stosuje się najczęściej tlen z powietrza, a w laboratorium KMnO4. KaŜdy łańcuch alifatyczny, niezaleŜnie od jego długości, zostaje utleniony w warunkach tej reakcji do grupy karboksylowej związanej z pierścieniem. CH3
COOH
CH3
KMnO4
CH3
toluen kwas benzoesowy (75%)
COOH KMnO4
p-ksylen
COOH kwas ftalowy (52%)
Wydajności powyŜszych reakcji nie są wysokie poniewaŜ substraty pełnią zarazem rolę rozpuszczalnika i nie mogą być utlenione do końca. Zastosowanie katalizatorów międzyfazowych znacznie przyspiesza reakcję i umoŜliwia 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.
7
Cl
COOH
MgCl Mg
1. CO2
eter
2. H+/HOH
CH3
CH3
CH3
p-chlorotoluen Cl
bromek fenylomagnezowy MgCl
1. CO2
Mg
CH3CH2CHCH3
eter
CH3CH2CHCH3
kwas p-toluilowy (80%) CH3 CH3CH2CHCOOH
2. H+/HOH
Karboksylowanie związków Grignarda jest dogodnym sposobem otrzymywania α,αdipodstawionych kwasów karboksylowych (zatłoczonych), np. kwasu piwalowego (trimetylooctowego) czy 2,4,6-trimetylobenzoesowego, trudnych do syntezy na innej drodze. 1. Mg/eter
(CH3)3CCl
2. CO2; 3. H+/HOH
chlorek t-butylu
(CH3)3CCOOH kwas piwalowy (trimetylooctowy)
Cl H3C
CH3 CH3
H3C
1. Mg/eter 2. CO2; 3.
COOH CH3
H+/HOH
80%
CH3
1-chloro-2,4,6-trimetylobenzen
kwas 2,4,6-trimetylobenzoesowy
Ditlenek węgla moŜna przyłączać równieŜ do sodo- lub litopochodnych organicznych. G. Hydroliza pochodnych kwasów karboksylowych Pośród pochodnych kwasowych najczęściej hydrolizuje się nitryle, poniewaŜ są łatwe w syntezie. W tej metodzie halogenki alkilowe są zwykle substratem. KCN
Br(CH2)3Br
NC(CH2)3CN
H2SO4 HOH
1,3-dibromopropan 1,3-pentanodinitryl
HOOC(CH2)3COOH kwas pentanodiowy (82%)
Do otrzymywania kwasów wykorzystywane są teŜ 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 takŜe zawierających w połoŜeniu α 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.
8
COOEt CH2
Na/EtOH
COOEt
COOEt +Na CH COOEt
malonian dietylu
1. NaH
EtBr
COOEt CH Et COOEt H+/HOH,∆ - CO2
2. MeBr
CH3CH2CH2COOH
COOEt Et C Me COOEt
kwas butanowy
H+/HOH,∆
- CO2
CH3CH2CHCOOH CH3
kwas 2-metylobutanowy
I. Metody mikrobiologiczne i enzymatyczne W przemyśle do otrzymywania kwasów często wykorzystuje się mikroorganizmy (zwykle bakterie) i enzymy. Poza kwasem octowym metody te są raczej stosowane do produkcji wielofunkcyjnych kwasów, głównie aminokwasów (lizynę, fenyloalaninę i innych) oraz hydroksykwasów (kwas cytrynowy, mlekowy, glukonowy). Kwas winowy teŜ 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 zaleŜności od szczepu bakterii moŜe powstać kwas D-, L-mlekowy lub racemiczny. Rocznie produkuje się ponad 50 000 ton kwasu mlekowego, z czego 70% metodą fermentacyjną, a resztę na drodze syntezy chemicznej. COOH cukier (heksoza)
np. Carnobacterium
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 wyraŜają się wzorami: Ka =
[RCOO-][H3O+] [RCOOH]
pKa = -log Ka
Stała kwasowości kwasów karboksylowych przyjmuje wartość około 10-5, co oznacza, Ŝe 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 niŜ kwas węglowy i znacznie silniejsze od alkoholi (pKa etanolu = 16). Kwasy karboksylowe reagują z węglanami, przy czym wydziela się CO2, a jeŜeli wolny kwas jest w wodzie trudno rozpuszczalny to przechodzi on w rozpuszczalną w sól. To proste
9
doświadczenie jest dowodem, Ŝe kwasy karboksylowe są silniejszymi kwasami od kwasu węglowego. RCOOH + NaHCO3
- + RCOO + Na + HOH + CO2
Kwasy karboksylowe z zasadami tworzą sole. - + COO Na
COOH
+
NaOH
kwas benzoesowy trudno rozpuszczalny w wodzie
+ HOH
benzoesan sodu rozpuszczalny w wodzie
Wartości Ka i pKa wybranych kwasów Nazwa kwasu solny trifluorooctowy trichlorooctowy dichlorooctowy fluorooctowy chlorooctowy bromooctowy jodooctowy mrówkowy glikolowy benzoesowy akrylowy fenylooctowy octowy propionowy etanol
Tabela
wzór HCl CF3COOH CCl3COOH CHCl2COOH CH2FCOOH CH2ClCOOH CH2BrCOOH CH2ICOOH HCOOH HOCH2COOH PhCOOH H2C=CHCOOH PhCH2COOH CH3COOH CH3CH2COOH CH3CH2COH
Ka 107 0,59 0,23 3,3.10-2 2,6.10-3 1,4.10-3 2,1.10-3 7,5.10-4 1,8.10-4 1,5.10-4 6,5.10-5 5,6.10-5 5,2.10-5 1,8.10-5 1,3.10-5 1.10-16
pKa -7 0,2 0,6 1,5 2,6 2,9 2,7 3,1 3,8 3,8 4,2 4,3 4,3 4,8 4,9 16
względna moc b. mocny
b. słaby
Z wartości podanych w tabeli wynika, Ŝe znaczący efekt na moc kwasów karboksylowych wywierają podstawniki ulokowane blisko grupy karboksylowej. Im silniejsze podstawniki elektroakceptorowe, tym mocniej zwiększają kwasowość. Kwas fluorooctowy jest około 100 razy mocniejszy od kwasu octowego, a trifluorooctowy aŜ 32 000 razy. Natomiast kwas propionowy jest nieznacznie słabszym kwasem niŜ kwas octowym, ale teŜ efekt elektrodonorowy grupy metylowej jest bardzo słaby. Moc kwasów karboksylowych jest związana z wpływem podstawników na efekt mezomeryczny stabilizujący jon karboksylanowy. Podstawniki elektroakceptorowe zwiększają rozmycie ładunku ujemnego, a tym samym stabilizują jon karboksylanowy. Podstawniki elektrodonorowe mają odwrotne działanie. : O: R
HOH
.. : O:
C C .. - H+ O R OH .. : .. dysocjacja
.. : O:
.. :O .. C C O O R R .. : .. : mezomeria
Rozmycie ujemnego ładunku jonu karboksylanowego spowodowane mezomerią stabilizuje ten jon, a tym samym ułatwia dysocjację grupy karboksylowej do anionu karboksylanowego. W jonie alkoholanowym nie ma moŜliwości mezomerii i jon ten nie jest stabilizowany. 10
.. CH2 OH ..
R
.. CH2 O .. :
HOH
R - H+
Podstawniki wyciągające 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 C
O
-
-
C
O
EWG
O
EDG
Wpływ na moc kwasu zaleŜy od odległości podstawnika od grupy karboksylowej. Efekt ten moŜna prześledzić na przykładzie kwasów α-, β-, i γ- chloromasłowych. Łatwo zauwaŜyć, Ŝe im bliŜej znajduje się chlor tym silniej zwieksza kwasowość izomerów kwasu chloromasłowego. Kwasowość izomerów kwasu chloromasłowego Nazwa kwasu α-chloromasłowy β-chloromasłowy γ-chloromasłowy masłowy
Tab.
wzór CH3CH2CH(Cl)COOH CH3CH(Cl)CH2COOH ClCH2CH2CH2COOH CH3CH2CH2COOH
Ka 1,4.10-3 9,0.10-5 3,0.10-5 1.5.10-3
pKa 2,9 4,1 4,5 4,8
Większa liczba podstawników elektroujemnych w większym stopniu zwiększa moc kwasu, poniewaŜ efekty sumują się wektorowo. H H C H
pKa:
COO Cl
4,7
H
COO
C H
Cl
H Cl
C
COO
Cl
COO
Cl
Cl
2,9
C
1,3
0,6
Wpływ podstawników w pierścieniu na moc kwasu benzoesowego Uprzednie stwierdzenie, Ŝe wielkość wpływu podstawników na moc kwasów karboksylowych zaleŜy od ich odległości od grupy karboksylowej nie sprawdza się w przypadku kwasów aromatycznych, poniewaŜ 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 mało wraŜliwe na odległości, poniewaŜ przenoszą się wzdłuŜ wiązań. Efekty mezomeryczne tych samych podstawników w pozycji para- i orto- będą zbliŜone. Jedynie inne efekty (idukcyjny i orto-) będą modyfikowały ich oddziaływanie. W pozycji meta- efekt mezomeryczny nie występuje. O
C
O H
O
C
O-
O
C
O
HOH - H+
-O
+N
O
-O
+N
O
-O
+N
O-
Wartość pKa kwasu benzoesowego wynosi 4,2, podczas gdy p-nitrobenzoesowego 3,4, co oznacza, Ŝe ten drugi jest 8 razy mocniejszy. Natomiast zawierający podstawnik
11
elektrodonorowy kwas p-metoksybenzoesowy jest kwasem słabszym niŜ benzoesowy, jego pKa wynosi 4,5. O
C
O H
O
C
O-
O
HOH
C - ..
O
-
- H+
: OMe ..
+ OMe ..
: OMe ..
Pomiar kwasowości jest łatwy do przeprowadzenia, dzięki czemu na podstawie zmiany stałej kwasowości Ka moŜna ilościowo oznaczyć wpływ podstawników w kwasie benzoesowym na kwasowość grupy karboksylowej. Zmiana kwasowość w porównaniu z Ka kwasu benzoesowego pod wpływem podstawników w połoŜeniu para- charakteryzuje efekt mezomeryczny tego podstawnika. NaleŜy brać pod uwagę wpływ podstawnika właśnie w połoŜeniu para-, poniewaŜ w meta- go nie ma, a w orto- daje o sobie znać efekt indukcyjny i tzw. efekt orto-. MoŜna załoŜyć, Ŝe oznaczony na podstawie zmiany kwasowości kwasu benzoesowego efekt mezomeryczny danego podstawnika będzie przyjmował podobną wartość w reakcjach SE cząsteczki aromatycznej zawierającej ten sam podstawnik. Takie oznaczenia zostały przeprowadzone i na ich podstawie moŜna zrobić podział na podstawniki aktywujące reakcje SE, (te które obniŜają kwasowość kwasu benzoesowego) i podstawniki dezaktywujące reakcje SE (te które zwiększają kwasowość). Równocześnie ilościowe róŜnice wartości stałych kwasowości pozwalają na ułoŜenie podstawników w kolejności zaleŜnej od wielkości wywoływanego wpływu. Taka lista przedstawiona jest w Tabeli. Wpływ podstawników w połoŜeniu para- na kwasowość na kwasowość pochodnych benzenu Y
Moc kwasu
Tabela
COOH
Y -OH -OCH3
Ka 3,3.10-5 3,5.10-5
p Ka 4,5 4,5
-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
-CN
.
2,8 10
-4
3,6
-NO2
2,9.10-4
3,4
grupy aktywujące
grupy dezaktywujące
Jakie praktyczne korzyści daje znajomość wartości mocy podstawionych kwasów benzoesowych? OtóŜ na podstawie tych wartości moŜna oceniać właściwości podstawników, np. ich wpływ na reakcje SE. Y
COO H
oznaczenie kwasowości tego kwasu
Y umoŜliwia przewidywanie wpływu tego podstawnika na reaktywność w reakcjach SE
12
Redukcja grupy karboksylowej Grupa karboksylowa jest grupą polarną i do jej redukcji wymagane są polarne reduktory, takie jak tetrahydroglinian litu (albo borowodór) lub specjalne katalizatory umoŜliwiające wykorzystanie wodoru gazowego. Grupa karboksylowa nie ulega redukcji pod wpływem tetrahydroboranu sodu ani wodoru w obecności platyny lub palladu. Dzięki tym wymaganiom redukcję grupy kwasów moŜna przeprowadzić selektywnie w obecności wiązań podwójnych albo grupy nitrowej. Tetrahydroglinian litu redukuje zarówno -COOH, jak i -NO2. 1. LiAlH4
CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH
2. H+/HOH
CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7CH2OH
kwas oleinowy
cis-oktadec-9-en-1-ol (87%)
CH2COOH
CH2CH2OH 1. BH3/THF
(94%)
2. H+/HOH
NO2
NO2
kwas p-nitrofenylooctowy
2-(p-nitrofenylo)etanol
Reakcja Hunsdieckera – dekarboksylacja Sole kwasów karboksylowych z rtęcią lub srebrem ogrzewane w obecności halogenów ulegają dekarboksylacji tworząc halogenek zawierający o jeden atom C mniej niŜ kwas. CH3(CH2)15CH2COOH
HgO/Br2 ∆
CH3(CH2)15CH2Br + CO2
kwas stearynowy
bromek heptadecylu I2/∆
COOAg
cyklopentanokarboksylan srebra
I
+ CO2
jodek cyklopentylu
Mechanizm reakcji Reakcja biegnie łańcuchowo, mechanizmem rodnikowym. W pierwszym etapie A powstaje O-bromokwas, który pod wpływem podwyŜszonej temperatury rozkłada się na rodnik bromkowy i 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. A
O
O
R C OAg + Br2
R C O Br
+ AgBr
∆
O
CO2 +
.. . R C O ..
R.
.. + . Br .. :
B
O
O R C O Br +
.R
R Br
.. . + R C O ..
O
C
.. . R C O ..
R.
+ CO2
13
Reakcja Hunsdieckera wykorzystywana jest do otrzymywania halogenków alkilowych wówczas, kiedy odpowiednie kwasy są łatwo dostępne, a inne metody syntezy tych halogenków niedogodne. Reakcja Hella-Volharda-Zielińskiego W kwasach karboksylowych atomy wodorów Hα ulegają substytucji bromem lub chlorem tworząc α-halogenokwasy. Reakcja zachodzi pod wpływem bromu lub chloru w obecności czerwonego fosforu lub PBr3 (PCl3). brak reakcji
R-CH2-COOH + Br2 P
R-CH2-COOH + Br2
R-CHBr-COOH + HBr
Br
Br2/P
COOH kwas heptanowy
COOH kwas 2-bromoheptanowy (90%)
Mechanizm reakcji: Reakcja zaczyna się od utworzenia tribromku fosforu: 3 Br2 + 2 P → 2 PBr3 Fosfor dodawany jest w ilości katalitycznej. Powstały PBr3 przekształca część kwasu w bromek kwasowy: O H C R C OH
PBr3
H
OH
O H R C C Br
R C C Br
H bromek kwasowy
kwas karboksylowy
H tautomer bromku
W formie tautomerycznej bromku kwasowego znajduje się podwójne wiązanie, do którego przyłącza się cząsteczka bromu, po czym następuje eliminacja cząsteczki HBr tworzy się bromek α-bromokwasu: H
OH R C
C
Br O R C C Br
O Br
H
Br2
R C
H
C Br
Br
- HBr
Br
H
bromek α-bromokwasu
bromek kwasowy
Bromek α-bromokwasu w reakcji z kwasem karboksylowym przekształca się w αbromokwas i bromek kwasowy, który zawraca do reakcji przyłączając cząsteczkę bromu. Dzięki temu wystarcza katalityczna ilość P lub PBr3.
Br O R C C Br
H O R C C OH H
H
bromek α-bromokwasu
zawraca do reakcji
Br O R C C OH + H
α-bromokwas
O H R C C Br H
bromek kwasowy
14
α-Halogenokwasy są wykorzystywane w syntezie organicznej zarówno w reakcjach na grupie karboksylowej, jak i poprzez wymianę halogenu na róŜne funkcje, np. aminową czy hydroksylową. Pochodne kwasów karboksylowych Funkcję -OH w grupie karboksylowej moŜna wymienić, np., na -X, -OR, -NH2, -NHNH2 i inne ugrupowania. Otrzymuje się wówczas pochodne zwane odpowiednio: halogenkami kwasowymi, estrami, amidami czy hydrazydami. JeŜeli w grupie karboksylowej oba atomy tlenu zostaną zastąpione przez atom azotu powstaje nitryl. PoniŜej przedstawione są wzory strukturalne tych pochodnych.
kwas karboksylowy
O R
C
R
C
estry
OR
R
NH-OH
R C N
X: F; Cl; Br; I
amidy
C
R: H; alkil; aryl
R
kwasy hydroksamowe
X
O
R: alkil; aryl
O C
C
R
OH
O
halogenek kwasowy
O
NR2
O
O
C
C
R
O
bezwodniki
R(R')
nitryle
Reszta cząsteczki kwasu karboksylowego pozbawiona grupy -OH nosi nazwę acylu. O
C OH R kwas karboksylowy
O
O
- OH
R
C+ R kation acylowy
C
acyl
Taka sama reszta 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 H
C
H3C
formyl
O O C C oksalil
C
C2H5
acetyl
O
O C CH2 C malonyl
O
O C
C3H7
propionyl
O
O
C (CH2)2 C sukcynyl
C
butyryl
O
O
C (CH2)3 C glutaryl
Aroil to ogólna nazwa reszt kwasów aromatycznych.
15
O
O
O
C
C
C
benzoil
C
β-naftoil
ftaloil
O
Atak nukleofilowy na acylowy atom węgla Zarówno kwasy, 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 :Nuulega stabilizacji, najczęściej poprzez odszczepienie łatwo odchodzącej grupy :Y-. : O: R
Grupy odchodzące Y:
C
+ :Nu Y
.. : O:
: O:
C
C
+ :Y
-
Nu R Nu Y F; Cl; Br; I; lub HY: HOR; HSR; HOCOR; HOH; HNR2 R
Reaktywność pochodnych kwasowych z odczynnikami nukleofilowymi zaleŜy 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) wzrost reaktywności w reakcjach z :Nu-
O R
C
O
chlorki kwasowe
H
Cl
C O
O
O R
C
C
O
bezwodniki
H3C
O
R RCH2
O R
C
O R
C
estry
OR
C O
R2CH
C O
amidy
NR2
C
R3C
C
spadek reaktywności
Halogen (w halogenkach kwasowych) i reszty acylowe (w bezwodnikach) jako EWG zwiększają lukę elektronową na acylowym atomie węgla, zwiększając tym samym reaktywność tych związków z nukleofilami (zwiększają ich aktywność acylującą). Reszty alkilowe R wywierając w estrach efekt indukcyjny +I, a w amidach +M lub efekt +M i +I (grupa -NR2) obniŜają aktywność acylującą tych pochodnych kwasowych.
16
W powyŜszym diagramie nie ma kwasów karboksylowych, które powinny sytuować się pomiędzy bezwodnikami i estrami, poniewaŜ oddziaływanie atomu wodoru grupie -OH na karboksylowy atom węgla moŜna uznać za obojętne w porównaniu do elektroakceptorowej reszty acylowej w bezwodnikach i elektrodonowej grupy alkilowej w estrach. Tak faktycznie jest, kiedy z kwasem reaguje alkohol, natomiast w przypadku reakcji kwasu z amoniakiem lub aminą tworzy się sól, a jon karboksylowy, jako Ŝe posiada ładunek ujemny, jest całkowicie pozbawiony właściwości acylujących. O
O R
C
+ R'NH3
+ R'NH2 OH
C O R anion karboksylanowy jest pozbawiony właściwości acylujących
Aktywność acylująca estrów moŜe się zmieniać w zaleŜności od charakteru reszty -R. Grupy alkilowe, w wyniku efektu indukcyjnego +I, obniŜają 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 znacznie podwyŜsza właściwości acylujące takich estrów. Estrom tego typu nadano nazwę estrów aktywnych. Do tej grupy odczynników acylujących zalicza się teŜ związki o podobnej budowie – RCOONR, ale nie będących estrami (takŜe nie amidami), poniewaŜ atom tlenu grupy karboksylowej połączony z resztą organiczną R poprzez atom azotu zamiast węgla. Nie są to więc pochodne kwasów i alkoholi. Pomimo tego, przyjęło się nazywać te związki estrami aktywnymi (nieprawidłowo). Zawierają one, takie ugrupowania jak N-hydroksysukcynoimidyl czy Nhydroksybenzotiazyl. Estry aktywne: F O R
C
O
R
fenylowy
C
R
O
O
NN N
hydroksysyksynoimidylowy
C
F
F
F
O F
p-nitrofenylowy
O R
C
O
NO2
O
pentafluorofenylowy
O R
C
O O
N
O hydroksybenztriazylowy
Estry aktywne wykorzystywane są często do otrzymywania amidów, szczególnie w syntezie peptydów.
17