Przeczytaj

bg‑magenta

Aromatyczne kwasy karboksylowe

Aromatyczne kwasy karboksylowe to związki organiczne, w cząsteczkach których karboksylowa grupa funkcyjna $— COOH$ związana jest z atomem węgla z pierścienia aromatycznego. Schematyczne wzory ogólne aromatycznych kwasów karboksylowych przedstawiono poniżej:

RjYx1D0h1jAod1

Ilustracja przedstawia wzory grupy karboksylowej. Pierwszy półstrukturalny zbudowany z podstawnika R połączonego za pomocą wiązania pojedynczego z grupą karboksylową COOH. Drugi wzór strukturalny składa się z podstawnika R połączonego za pomocą wiązania pojedynczego z atomem węgla połączonego za pomocą wiązania podwójnego z atomem tlenu oraz za pomocą wiązania pojedynczego z drugim atomem tlenu podstawionym atomem wodoru. Podstawnik R w tym przypadku odpowiada ugrupowaniu aromatycznemu, czyli arenowi, na przykład grupie fenylowej C6H5. — Wzory ogólne aromatycznych kwasów karboksylowych
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Kwas benzoesowykwas benzoesowyKwas benzoesowy to najprostszy aromatyczny kwas karboksylowy. Występuje naturalnie w wielu roślinach – np. w korze czereśni oraz malinach. Został odkryty już w $XVI$ wieku przez Nostradamusa w wyniku suchej destylacji gumy benzoinowej ( $1556$ r.).

R15ma1IttXeG81

Ilustracja przedstawiająca wzór kwasu benzoesowego który stanowi sześcioczłonowy pierścień aromatyczny, w którym do jednego z atomów węgla przyłączona jest grupa karboksylowa COOH. — Wzór półstrukturalny kwasu benzoesowego
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

bg‑magenta

Otrzymywanie kwasu benzoesowego

Związek ten można otrzymać na wiele sposobów.

R13sKwhyzEHru1

Sposób pierwszy Najbardziej znanym i wykorzystywanym na skalę przemysłową sposobem jest synteza w wyniku utleniania toluenu. Proces ten zachodzi przy użyciu tlenu i katalizatorów, tj. tlenku chromu(trzy), naftenianów kobaltu(dwa) lub manganu(dwa).Ilustracja przedstawiająca reakcję otrzymywania kwasu benzoesowego z toluenu. Cząsteczka toluenu, który stanowi sześcioczłonowy pierścień aromatyczny, w którym to do jednego z atomów węgla przyłączona jest grupa C H indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego. Strzałka w prawo, nad strzałką O indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, pod strzałką minus H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O. Po prawej stronie strzałki cząsteczka kwasu benzoesowego składającego się z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego, w którym jeden z atomów węgla podstawiony jest grupą karboksylową C O O H.^{Schemat reakcji utleniania toluenu.}, Sposób drugi Drugim sposobem jest synteza oparta o reakcję Cannizzaro. Benzaldehyd w środowisku zasadowym tworzy – w wyniku reakcji utlenienia‑redukcji – alkohol benzylowy oraz sól kwasu benzoesowego. Alkohol można oddzielić w wyniku destylacji, a kwas benzoesowy można uzyskać stosunkowo łatwo, traktując otrzymaną sól mocnym kwasem.Ilustracja przedstawiająca mechanizm reakcji Cannizzaro, w którym z benzaldehydu otrzymywany jest kwas benzoesowy. Cząsteczka benzaldehydu zbudowanego z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego, podstawionego grupą aldehydową, to jest atomem węgla połączonym za pomocą wiązania podwójnego z atomem tlenu oraz za pomocą wiązania pojedynczego z atomem wodoru. Dodać anion hydroksylowy O H indeks górny, minus, koniec indeksu górnego, od którego poprowadzona jest łukowata strzałka do węgla grupy aldehydowej w cząsteczce benzaldehydu. Strzałka w prawo, za strzałką cząsteczka zbudowana z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego, podstawionego atomem węgla połączonym za pomocą wiązań pojedynczych z atomem wodoru, grupą hydroksylową oraz atomem tlenu obdarzonym ładunkiem ujemnym. W kolejnym etapie struktura ta breaguje z cząsteczką benzaldehydu, co reprezentuje łukowata strzałka poprowadzona od wiązania łączącego atom wodoru z atomem węgla w owej strukturze do atomu węgla grupy aldehydowej w cząsteczce benzaldehydu. Strzałka w prawo, za strzałką jon benzoesanowy zbudowany z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego, podstawionego atomem węgla połączonym za pomocą wiązania podwójnego z atomem tlenu oraz za pomocą wiązania pojedynczego z atomem tlenu obdarzonym ładunkiem ujemnym. Dodać cząsteczkę alkoholu zbudowanego z grupy hydroksylowej połączonej z grupą metylenową C H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego podstawioną pierścieniem fenylowym, to jest sześcioczłonowym pierścieniem aromatycznym. Poniżej ostatni etap, w którym cząsteczka soli kwasu benzoesowego zbudowana z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego, podstawionego atomem węgla połączonym za pomocą wiązania podwójnego z atomem tlenu oraz za pomocą wiązania pojedynczego z grupą O M e ulega reakcji z cząsteczką kwasu HA. Za strzałką cząsteczka kwasu benzoesowego zbudowanego z pierścienia fenylowego podstawionego grupą składającą się z atomu węgla połączonego za pomocą wiązania podwójnego z atomem tlenu oraz za pomocą wiązania pojedynczego z grupą hydroksylową. Dodać cząsteczkę soli M e A.^{Schemat syntezy kwasu benzoesowego w oparciu o reakcję Cannizzaro.}, Sposób trzeci Trzeci sposób otrzymywania kwasu benzoesowego oparty jest na reakcji utleniania chlorku benzylu przy użyciu manganianu(siedem) potasu (K M n O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego). Stosując K M n O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, można również otrzymać kwas benzoesowy z butylobenzenu, toluenu i wielu innych związków.Ilustracja przedstawiająca mechanizm reakcji otrzymywania kwasu benzoesowego z chlorku benzylu z udziałem manganianu(siedem) potasu. Etap pierwszy. Trzy cząsteczki chlorku benzyzlu zbudowanego z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego podstawionego grupą metylenową C H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego połączoną z atomem chloru. Dodać cztery cząsteczki manganianu(siedem) potasu K M n O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego. Dodać trzy cząsteczki węglanu sodu N a indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, C O indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego. Strzałka w prawo, za strzałką trzy cząsteczki benzoesanu sodu zbudowanego z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego podstawionego atomem węgla połączonym za pomocą wiązania podwójnego z atomem tlenu oraz za pomocą wiązania pojedynczego z grupą O N a. Dodać cztery cząsteczki tlenku manganu(cztery) M n O indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, ↓. Dodać cząsteczkę tlenku węgla(cztery) M n O indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, strzałka do góry. Doda trzy cząsteczki chlorku sodu N a C l. Dodać dwie cząsteczki węglanu potasu K indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, C O indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego. Dodać trzy cząsteczki wody H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O. Drugi etap. Cząsteczka benzoesanu sodu zbudowanego z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego podstawionego atomem węgla połączonym za pomocą wiązania podwójnego z atomem tlenu oraz za pomocą wiązania pojedynczego z grupą O N a ulega reakcji z cząsteczką kwasu HA. Strzałka w prawo. Za strzałką w postaci osadu cząsteczka kwasu benzoesowego zbudowanego z pierścienia fenylowego podstawionego grupą składającą się z atomu węgla połączonego za pomocą wiązania podwójnego z atomem tlenu oraz za pomocą wiązania pojedynczego z grupą hydroksylową. Dodać cząsteczkę soli NaA.^{Schemat syntezy kwasu benzoesowego w oparciu o reakcję utleniania chlorku benzylu.}

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

bg‑magenta

Właściwości fizyczne i chemiczne kwasu benzoesowego

Wygląd
stan fizyczny	ciało stałe
kolor	biały
zapach	bezwonny
Inne parametry fizyczne i chemiczne
wartość stałej dysocjacji $K_{a}$ dla $25 ° C$	$6,25 \cdot 10^{- 5}$
temperatura topnienia/krzepnięcia	$122,4 ° C$
początkowa temperatura wrzenia	$249 ° C$ przy $1013 hPa$
temperatura zapłonu	$121 ° C$
gęstość	$1,32 \frac{g}{{cm}^{3}}$ przy $20 ° C$
rozpuszczalność w wodzie	$3,5 \frac{g}{{dm}^{3}}$ $25 ° C$
temperatura samozapłonu	$570 ° C$
właściwości wybuchowe	nie klasyfikuje się jako materiał wybuchowy
właściwości utleniające	żadne

Indeks górny Opracowano na podstawie: www.carlroth.com Indeks górny koniec

bg‑magenta

Zastosowanie kwasu benzoesowego

Kwas benzoesowy jest stosowany w syntezie organicznej, np. do otrzymywania fenolu.

R16pGS8qXo5SO1

Ilustracja przedstawiająca schemat reakcji z udziałem kwasu benzoesowego. W górnej części schematu znajduje się wzór kwasu benzoesowego składającego się z sześcioczłonowego pierscienia aromatycznego, w którym jeden z atomów węgla podstawiony jest grupą karboksylową, to jest atomem węgla połączonym za pomocą wiązaniapodwójnego z atomem tlenu i za pomocą wiązania pojedynczego z grupą hydroksylową. W dół poprowadzone są strzałki prowadzące do produktów czterech reakcji. W pierwszej reakcji z alkoholem ROH powstaje ester kwasu benzoesowego, który to stanowi sześcioczłonowy pierścień aromatyczny podstawiony grupą COOR. Dalej w reakcji z aminą RNH2 powstaje amid kwasu benzoesowego, który stanowi sześcioczłonowy pierścień aromatyczny, w którym do jednego z atomów węgla przyłączona jest grupa amidowa skałdająca sie z atomu węgla połączonego za pomocą wiązania podójnego z atomem tlenu, a za pomocą wiązania pojedynczego z atomem azotu grupy NH, która to łączy się z podstawnikiem R. W trzeciej reakcji z PCl5 powstaje chlorek kwasu benzoesowego zbudowany z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego, w który jeden z atomów węgla podstawiony jest atomem węgla połączonym za pomocą wiązania podwójnego z atomem tlenu oraz za pomocą wiązania pojedynczego z atomem chloru. W ostatniej reakcji kwas benzoesowy reaguje z P4O10, co prowadzi do powstania bezwodnika kwasu benzoesowego zbudowanego z atomu tlenu związanego z dwoma atomami węgla, z których każdy połączony jest za pomocą wiązania podwójnego z atomem tlenu oraz za pomocą wiązania pojedynczego z pierścieniem fenylowym, to jest sześcioczłonowym pierścieniem aromatycznym. — Schemat przykładowych reakcji, którym ulega kwas benzoesowy.
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Kwas benzoesowy (E210) i jego sole (najczęściej benzoesan sodu – E211, benzoesan potasu – E212 i benzoesan wapnia – E213) to popularne konserwanty, stosowane w postaci dodatków do żywności, w celu jej utrwalenia i zapobiegania rozwojowi drożdży, grzybów i bakterii. Używane także do utrwalania: marynat, sosów, napojów gazowanych, soków owocowych, dżemów, marmolad, gum do żucia, margaryn i lodów.

R1ZTuO3G2G3bG1

Ilustracja przedstawiająca wzór cząsteczki benzoesanu sodu zbudowanego z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego, w którym do jednego z atomów węgla przyłączona jest grupa COO-Na+. — Wzór półstrukturalny benzoesanu sodu
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

bg‑magenta

Kwas salicylowy

Kwas salicylowy to związek organiczny, który stanowi pochodną kwasu benzoesowego. W swojej strukturze zawiera grupę karboksylową, przyłączoną do pierścienia benzenowego, oraz grupę hydroksylową w pozycji orto (względem grupy karboksylowej). Kwas ten naturalnie występuje w korze wierzby (łac. Salix). Po raz pierwszy został wyodrębniony właśnie z tej rośliny. Natomiast chemiczną metodę syntezy odkrył Hermann Kolbe w $1859$ roku. Oparta jest ona na dwóch etapach otrzymywania tego kwasu z fenolanu sodu.

Rbpw8PmhRMMWr1

Ilustracja przedstawiająca wzór cząsteczki kwasu salicylowego zbudowanego z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego, w którym do jednego z atomów węgla przyłączona jest grupa karboksylowa COOH, a do sąsiedniego atomu węgla grupa hydroksylowa OH. — Wzór półstrukturalny kwasu salicylowego
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

bg‑magenta

Otrzymywanie kwasu salicylowego

Kwas salicylowykwas salicylowyKwas salicylowy otrzymuje się w wyniku reakcji Kolbego‑Schmitta. Jest to dwuetapowa metoda syntezy, która przebiega pod wysokim ciśnieniem i w wysokiej temperaturze. W pierwszym etapie, tlenek węgla( $IV$ ) działa na fenolan sodu. Na skutek tego elektrofilowego ataku powstaje salicylan sodu. W drugim etapie salicylan sodu jest zakwaszany i w efekcie otrzymywany jest m.in. kwas salicylowy.

RfVXCms1PBzCK1

Ilustracja przedstawiająca reakcję otrzymywania kwasu salicylowego z fenolanu sodu. Po lewej stronie równania, cząsteczka fenolanu sodu, który stanowi sześcioczłonowy pierścień aromatyczny, w którym do jednego z atomów węgla przyłączona jest grupa O-Na+. Dodać cząsteczkę tlenku węgla(<math aria‑label="cztery">IV) CO2. Strzałka w prawo, za strzałką cząsteczka salicylanu sodu, który stanowi sześcioczłonowy pierścień aromatyczny, do jednego z atomów węgla w pierścieniu przyłączona jest grupa COO-Na+, a do sąsiedniego atomu węgla grupa hydroksylowa OH. Strzałka w prawo, nad strzałką H+. Za strzałką cząsteczka kwasu salicylowego zbudowanego z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego, w którym do jednego z atomów węgla przyłączona jest grupa karboksylowa COOH, a do sąsiedniego atomu węgla grupa OH. — Schemat reakcji Kolbego‑Schmitta
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

bg‑magenta

Właściwości fizyczne i chemiczne kwasu salicylowego

Wygląd
stan fizyczny	ciało stałe
kolor	biały
zapach	bezwonny
Inne parametry fizyczne i chemiczne
wartość stałej dysocjacji $K_{a}$ dla $25 ° C$	$1,3 \cdot 10^{- 3}$ ( $K_{a_{1}}$ ) $1,5 \cdot 10^{- 14}$ ( $K_{a_{2}}$ )
temperatura topnienia/krzepnięcia	$158$ – $160 ° C$
początkowa temperatura wrzenia	$256 ° C$
temperatura zapłonu	$157 ° C$
gęstość	$1,44 \frac{g}{{cm}^{3}}$ przy $20 ° C$
rozpuszczalność w wodzie	$2 \frac{g}{{dm}^{3}}$ przy $20 ° C$
temperatura samozapłonu	$549 ° C$
właściwości wybuchowe	nie klasyfikuje się jako materiał wybuchowy
właściwości utleniające	żadne

Indeks górny Opracowano na podstawie: www.carlroth.com Indeks górny koniec

bg‑magenta

Zastosowanie kwasu salicylowego

Kwas salicylowy, podobnie jak kwas benzoesowy, jest odczynnikiem szeroko rozpowszechnionym w syntezie organicznej. Jednym z najważniejszych jego zastosowań jest wykorzystanie go do produkcji kwasu acetylosalicylowego, czyli aspiryny. Powstaje ona w wyniku reakcji kwasu salicylowego z bezwodnikiem octowym, w obecności katalizatora (np. kwasu siarkowego( $VI$ )).

RiiVRY30JY2jl1

Ilustracja przedstawia reakcję otrzymywania aspiryny z kwasu salicylowego i bezwodnika octowego. Po lewej stronie równania, cząsteczka kwasu salicylowego, którą stanowi sześcioczłonowy pierścień aromatyczny z podstawionymi sąsiadującymi atomami węgla, odpowiednio grupą karboksylową COOH oraz grupą hydroksylową OH. Dodać cząsteczkę bezwodnika octowego zbudowanego z atomu tlenu połączonego z dwoma atomami węgla, z których każdy połączony jest za pomocą wiązania podwójnego z atomem tlenu oraz za pomocą wiązania pojedynczego z podstawnikiem metylowym CH3. Strzałka w prawo, nad strzałką kwas siarkowy(<math aria‑label="sześć">VI) H2SO4. Za strzałką cząsteczka aspiryny, którą stanowi sześcioczłonowy pierścień aromatyczny, w którym jeden z atomów węgla podstawiony jest grupą karboksylową COOH, a drugi sąsiadujący z nim łączy się z atomem tlenu związanym z atomem węgla połączonym za pomocą wiązania podwójnego z atomem tlenu oraz za pomocą wiązania pojedynczego z podstawnikiem metylowym CH3. Dodać cząsteczkę kwasu octowego zbudowanego z grupy metylowej CH3 związanej z atomem węgla połączonym za pomocą wiązania podwójnego z atomem tlenu oraz za pomocą wiązania pojedynczego z grupą hydroksylową OH. — Otrzymywanie aspiryny w reakcji kwasu salicylowego z bezwodnikiem octowym
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Kwas salicylowy stosowany jest również do otrzymywania kwasu $4$ -aminosalicylowego, będącego lekiem przeciwgruźliczym. Kwas salicylowy stosuje się jako środek dezynfekujący (np. do produkcji spirytusu salicylowego) oraz w lekach na trądzik. Dawniej, podobnie jak kwas benzoesowy, stosowany był jako konserwant żywności, jednak został wycofany z uwagi na znaczącą toksyczność przy stosowaniu go w żywności w wyższych stężeniach.

Ciekawostka

RWJoGcFPlMRkL1

Zdjęcie przedstawia drzewo, wierzbę, na łące. W tle wzdłuż horyzontu rozciąga się las, a nad nim błękitne niebo. — W korze wierzby naturalnie występuje kwas salicylowy.
Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna.

Już od czasów Hipokratesa ( $460$ – $377$ r. p.n.e.) znane były przeciwbólowe właściwości soku z kory wierzby (z łac. Salix). Obecnie wiadomo, że w korze wierzby naturalnie występuje kwas salicylowy. A jak to się stało, że odkryto inną drogę pozyskiwania tego lekarstwa? Otóż, kiedy za czasów Napoleona w $1806$ roku wprowadzono blokadę kontynentu, najpowszechniejszy ówcześnie środek przeciwgorączkowy – chinina – nie mógł być importowany z Peru do Europy. Naukowcy pilnie poszukiwali alternatywnej substancji. Dzięki Johann’owi Andreas’owi Buchner’owi w $1820$ roku zaczęto produkować żółtą masę z kory wierzby. Rok później Leroux otrzymał formę krystaliczną kwasu salicylowego. Blisko cztery dekady później, Hermann Kolbe otrzymał po raz pierwszy syntetycznie kwas salicylowy, choć wcale nie miał tego w planach – jego celem było otrzymanie indygo (ciemnobłękitnego barwnika).

Słownik

aromatyczne kwasy karboksylowe

związki organiczne, w których cząsteczkach karboksylowa grupa funkcyjna $— COOH$ związana jest z pierścieniem aromatycznym

kwas salicylowy

(łac. acidum salicylicum „kwas salicylowy”) organiczny związek chemiczny, który należy do grupy aromatycznych hydroksykwasów karboksylowych; w swojej strukturze zawiera jedną grupę karboksylową i jedną grupę hydroksylową, która znajduje się w pozycji $2$

kwas benzoesowy

(łac. acidum benzoicum „kwas benzoesowy”) (E210) organiczny związek chemiczny, będący najprostszym karboksylowym kwasem aromatycznym; w swojej strukturze zawiera jedną grupę karboksylową przyłączoną do pierścienia benzenowego

Bibliografia

Dudek‑Różycki K., Płotek M., Wichur T., Węglowodory. Repetytorium i zadania, Kraków 2020.

Dudek‑Różycki K., Płotek M., Wichur T., Związki organiczne zawierające azot oraz wielofunkcyjne pochodne węglowodorów. Repetytorium i zadania, Kraków 2021.

Dudek‑Różycki K., Płotek M., Wichur T., Kompendium terminologii oraz nazewnictwa związków organicznych. Poradnik dla nauczycieli i uczniów, Kraków 2020.

Wprowadzenie

Wirtualne laboratorium – S

Aromatyczne kwasy karboksylowe

Otrzymywanie kwasu benzoesowego

Właściwości fizyczne i chemiczne kwasu benzoesowego

Zastosowanie kwasu benzoesowego

Kwas salicylowy

Otrzymywanie kwasu salicylowego

Właściwości fizyczne i chemiczne kwasu salicylowego

Zastosowanie kwasu salicylowego

Słownik

Bibliografia