Kwasy karboksylowe - budowa i otrzymywanie - Kwasy, estry, tłuszcze, aminy i amidy

bg‑gold

Budowa kwasów karboksylowych

Kwasy karboksylowe to związki organiczne, w których atom wodoru związku został zastąpiony grupą karboksylową $(— COOH)$ , na którą składa się grupa karbonylowa $(— C = O)$ oraz hydroksylowa $(— OH)$ .

RJqHRWgX6qiFB1

Ilustracja przedstawia wzór ogólny kwasów karboksylowych. Do atomu węgla są przyłączone za pomocą wiązania podwójnego atom tlenu oraz za pomocą wiązań pojedynczych atom tlenu z grupy hydroksylowej <math aria‑label="O H">OH, a także podstawnik R. — Wzór ogólny kwasów karboksylowych
R – atom wodoru, grupa alkilowa bądź arylowa
Źródło: GroMar Sp.z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ze względu na swoją budowę, możemy podzielić kwasy karboksylowe na kilka grup.

bg‑gold

Alifatyczne kwasy karboksylowe

Alifatyczne kwasy karboksylowe, inaczej nazwane są kwasami łańcuchowymi bądź acyklicznymi. W cząsteczkach tego kwasu grupa karbonylowa jest połączona z łańcuchem węglowodorowym.

RgLwhpI8NuSWu1

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

bg‑gold

Aromatyczne kwasy karboksylowe

Aromatyczne kwasy karboksylowe to kwasy, w których grupa karboksylowa jest bezpośrednio połączona z pierścieniem aromatycznym grupą arylową.

RIfk3MT0bGUkI1

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

bg‑gold

Polikarbonylowe i polihydroksylowe kwasy karboksylowe

Wielokarboksylowe (polikarboksylowe) kwasy karboksylowe to związki, w których występują co najmniej dwie grupy karboksylowe. W kwasach polihydroksylowych występuje więcej niż jedna grupa hydroksylowa.

RkghNRAoFqIr31

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

bg‑gold

Nomenklatura kwasów karboksylowych

Wspomniany we wstępie kwas etanowy (kwas octowy) zawiera w swojej strukturze dwa atomy węgla. Poniżej przedstawiony jest jego wzór półstrukturalny.

R1b7CzSZ9bEbh

Ilustracja przedstawiająca wzór półstrukturalny kwasu etanowego zbudowanego z grupy karboksylowej COOH połączonej z grupa metylową CH3. — Wzór półstrukturalny kwasu etanowego
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

IUPAC wskazuje cztery nazwy zachowane, zalecane do stosowania przy nazewnictwie czterech kwasów i ich pochodnych.

R1BnRNpik1v5N1

Ilustracja przedstawiająca wzory strukturalne czterech różnych kwasów wraz z nazwami zachowanymi prze IUPAC, które są zalecane do stosowania. Kwas mrówkowy zamiast kwas metanowy. Cząsteczka ta zbudowana jest z atomu węgla połączonego za pomocą wiązania podwójnego z atomem tlenu oraz za pomocą wiązań pojedynczych z grupą hydroksylową OH oraz z atomem wodoru. Drugi wzór przedstawia kwas octowy (nazwa stosowana zamiast kwasu etanowego). Cząsteczka zbudowana jest z atomu węgla połączonego za pomocą wiązania podwójnego z atomem tlenu oraz za pomocą wiązań pojedynczych z grupą hydroksylową OH oraz z grupą metylową CH3. Kolejna cząsteczka to kwas benzoesowy zamiast kwas benzenokarboksylowy, który to zbudowany jest z atomu węgla połączonego za pomocą wiązania podwójnego z atomem tlenu oraz za pomocą wiązań pojedynczych z grupą hydroksylową OH oraz z podstawnikiem fenylowym, to jest sześcioczłonowym pierścieniem aromatycznym. Ostatnia struktura odpowiada cząsteczce kwasu szczawiowego (nazwa zachowana), to znaczy kwasu etanodiowego zbudowanego z dwóch połączonych ze sobą grup karboksylowych wiązaniem pojedynczym węgiel węgiel. Każda z grup składa się jak już zostało to opisane z atomu węgla połączonego za pomocą wiązania podwójnego z atomem tlenu oraz za pomocą wiązania pojedynczego z grupą hydroksylową OH. — Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ważne!

Nazwy kwasów karboksylowych tworzymy w następujący sposób:

podajemy wyraz „kwas”;
podajemy nazwę (w mianowniku) węglowodoru, który zawiera w cząsteczce tyle samo atomów węgla, co kwas (wg zasad obowiązujących dla węglowodorów);
jeśli w cząsteczce znajdują się podstawniki, to wymieniamy je na początku nazwy wraz z lokantamilokantlokantami w kolejności alfabetycznej;
numerację łańcucha węglowego rozpoczynamy od atomu węgla grupy karboksylowej;
podajemy końcówkę „owy”, którą poprzedzamy przedrostkiem „di-”, jeżeli w cząsteczce występują dwie grupy karboksylowe (wtedy do nazwy węglowodoru dodajemy końcówkę „o”).

Nazwy kwasów karboksylowych o budowie cyklicznej tworzymy w następujący sposób:

podajemy wyraz „kwas”;

podajemy nazwę węglowodoru, poprzedzoną nazwą podstawników wraz z ich lokantami (przy czym atomu węgla grupy $— COOH$ nie uwzględnia się w numeracji, dlatego jest traktowany jako podstawnik, a atom węgla, do którego jest przyłączona grupa $— COOH$ , ma nr $1$ );
dodajemy łącznik „o”;
podajemy wyraz „karboksylowy” (w przypadku dwóch, trzech grup $— COOH$ podajemy przed końcówką „karboksylowy” lokant każdej grupy $— COOH$ i przedrostek „di-”, „tri-”, …).

W przypadku pojawienia się większej liczby grup karboksylowych w kwasach łańcuchowych, stosujemy podobną zasadę nazewnictwa, jak w przypadku kwasów o budowie cyklicznej. Zatem grupy karboksylowe niejako „wypadają” z łańcucha głównego, a ich obecność wskazuje się przyrostkiem „karboksylowy”, jak na poniższym przykładzie.

R7nOUCFVYbQtR

Ilustracja przedstawiająca wzór półstrukturalny kwasu pentano-1,2,3,5-tetrakarboksylowego. Cząsteczka składa się z atomu węgla grupy karboksylowej COOH połączonego z grupą metylenową CH2, której atom węgla stanowi pierwszy lokant w łańcuchu głównym. Wspomniana grupa metylenowa łączy się z grupą CH również podstawioną grupa karboksylową COOH i związaną z kolejną grupą CH, której węgiel o lokancie trzecim również podstawiony jest grupą karboksylową COOH i dalej łączy się w łańcuchu głównym z grupą metylenową związaną z ostatnia w łańcuchu głównym grupą metylenową, której atom węgla o lokancie piątym podstawiony jest czwartą w cząsteczce grupą karboksylową COOH. Wszystkie grupy karboksylowe COOH zbudowane z atomu węgla połączonego za pomocą wiązania podwójnego z atomem tlenu oraz za pomocą wiązania pojedynczego z grupą OH zostały zakreślone i podpisane jako podstawniki. — Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Znając nazwę kwasu karboksylowego, z łatwością możemy podać jego wzór półstrukturalny i strukturalny. Zaczynamy zawsze od narysowania łańcucha węglowego.

Przykład 1

Narysuj wzór szkieletowy kwasu cykloheks- $3$ -eno- $1$ -karboksylowego.

Po nazwie możemy wywnioskować, że szkielet węglowy tego kwasu składa się z cykloheksanu.

RV5gCA1RI79Lc

Ilustracja przedstawia wzór cykloheksanu, który reprezentuje sześciokąt. Cząsteczka ta to sześcioczłonowy pierścień nasycony. — Wzór cykloheksanu
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Następnym krokiem jest dodanie grupy $— COOH$ do pierścienia.

RTzMUokMbl5HD

Ilustracja przedstawia wzór kwasu cykloheksanokarboksylowego, reprezentowany przez sześciokąt. Od jednego z naroży poprowadzono kreskę do grupy karboksylowej COOH. Zatem jest to sześcioczłonowy pierścień nasycony podstawiony w pozycji pierwszej grupą karboksylową. — Wzór kwasu cykloheksanokarboksylowego
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Licząc kolejno od atomu węgla, do którego przyłączona została grupa $— COOH$ , wiązanie podwójne dodajemy do trzeciego atomu węgla.

RHhm9ksFMIO8y

Ilustracja przedstawia wzór szkieletowy kwasu cykloheks‑3-eno‑1-karboksylowego, reprezentowanego przez sześciokąt od jednego z naroży poprowadzono kreskę do grupy karboksylowej COOH. Naroża odpowiadające atomom węgla w pierścieniu są ponumerowane, licząc od atomu podstawionego grupą karboksylową o lokancie pierwszym. Dalej przy kolejnym węglu zapisano dwójką, następnie trójkę. Pomiędzy węglami o trzecim i czwartym lokancie zaznaczono wiązanie podwójne, stąd dwie kreski występujące pomiędzy tymi atomami. Pozostałe wiązania są wiązaniami pojedynczymi. — Wzór szkieletowy kwasu cykloheks‑ $3$ -eno‑ $1$ -karboksylowego
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ćwiczenie 1

Na podstawie poniższych wzorów półstrukturalnych, podaj nazwy systematyczne bądź zalecane przedstawionych poniżej kwasów karboksylowych.

RPKzR9ObqKL8n

Ilustracja przedstawiająca sześć wzorów kwasów karboksylowych. Wzór kwasu karboksylowego A zbudowanego z grupy metylowej CH3 związanej z grupą CH podstawioną atomem bromu Br oraz drugą grupą CH związaną z atomem chloru Cl oraz grupą karboksylową COOH. Wzór kwasu karboksylowego B zbudowanego z grupy karboksylowej COOH związanej z grupą CH podstawioną atomem bromu Br oraz drugą grupą CH związaną z atomem fluoru F oraz grupą karboksylową COOH. Wzór kwasu karboksylowego C składającego się z grupy karboksylowej COOH związanej z pięciowęglowego łańcucha zbudowanego z czterech kolejno połączonych ze sobą grup metylenowych CH2, z których ostatnia podstawiona jest grupą metylową <mathCH3. Wzór kwasu karboksylowego D składa się z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego podstawionego grupą karboksylową COOH. Wzór kwasu karboksylowego E zbudowanego z pięcioczłonowego pierścienia nasyconego, w którym jeden z atomów węgla podstawiony jest grupą karboksylową COOH, a węgiel sąsiadujący z nim grupą metylową CH3. Wzór kwasu karboksylowego F zbudowanego z pięcioczłonowego pierścienia nasyconego, w którym jeden z atomów węgla podstawiony jest grupą karboksylową COOH, a węgiel sąsiadujący z nim grupą metylową CH3. Cztery wiązania pomiędzy atomami węgla tworzącymi pierścień są wiązaniami pojedynczymi, a jedno znajdujące się pomiędzy węglem podstawionym grupą metylową i grupą CH w pierścieniu jest wiązaniem podwójnym. — Wzory kwasów karboksylowych
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Przykład

RlHW7YoqyIBbI

Ilustracja przedstawiająca wzór kwasu karboksylowego zbudowanego z grupy metylowej CH3 związanej z grupą CH podstawioną atomem bromu Br oraz drugą grupą CH związaną z atomem chloru Cl oraz grupą karboksylową COOH. — Wzór kwasu karboksylowego
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Wybieramy najdłuższy łańcuch węglowy i numerujemy atomy węgla, zaczynając od grupy $— COOH$ .

R1JhaMueYCfMS

W cząsteczce tego kwasu znajdują się cztery atomy węgla, połączone wiązaniami pojedynczymi, więc podstawą nazwy będzie nazwa węglowodoru nazywanego butanem (węglowodór nasycony).

Zauważ, że przy trzecim atomie węgla znajduje się atom bromu, a przy drugim jest atom chloru. Kolejny krok to „poskładanie” nazwy poprzez podawanie nazw podstawników w kolejności alfabetycznej.

Nazwa kwasu: kwas $3$ -bromo- $2$ -chlorobutanowy.

Zapisz poniżej nazwy pozostałych kwasów.

RurOHqNm4f7nL

B. kwas $2$ -bromo- $3$ -fluorobutanodiowy

C. kwas heksanowy

D. kwas benzoesowy (kwas benzenokarboksylowy)

E. kwas $2$ -metylocyklopentanokarboksylowy

F. kwas $2$ -metylocyklopent- $2$ -eno- $1$ -karboksylowy

Polecenie 1

Zapoznaj się z filmem, a dowiesz się, jak nazywać kwasy karboksylowe oraz jak – na podstawie nazwy – narysować ich wzór półstrukturalny.

R1MME3NOMKK441

Film samouczek pt. „Jak tworzy się i interpretuje nazwy i wzory kwasów karboksylowych?”
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

R1Ks2dqXB2vD51

Ćwiczenie 2

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

R1QmUvup597t4

Ćwiczenie 2

RGS1P4L3TQV79

Ćwiczenie 3

bg‑gold

Otrzymywanie kwasów karboksylowych

Otrzymywanie alifatycznych kwasów karboksylowych

Część metod otrzymywania kwasów karboksylowych została już poznana we wcześniejszych tematach. Do takich metod można zaliczyć utlenianie aldehydów, które zachodzi m.in. w próbie Tollensa oraz próbie Trommera – w ich wyniku aldehydy ulegają przemianie do odpowiednich kwasów karboksylowych. Innym sposobem otrzymywania kwasów karboksylowych jest utlenianie alkoholi, jednak reakcja ta wymaga zastosowania mocnych środków utleniających, takich jak dichromiany czy nadmanganiany, i prowadzi do powstania kwasów z alkoholi pierwszorzędowych.

Sprawdź w poniższym laboratorium jak ważna jest rzędowość alkoholu użytego do reakcji utleniania.

Laboratorium 1

Przeprowadź doświadczenie w laboratorium chemicznym. Rozwiąż problem badawczy i zweryfikuj hipotezę. W formularzu zapisz swoje obserwacje i wyniki, a następnie sformułuj wnioski.

BHPviolet#fff

Zachowanie alkoholi pierwszo-, drugo- i trzeciorzędowych wobec takich utleniaczy jak dichromian(VI) potasu w środowisku kwasowym

Reakcja etanolu z dichromianem(VI) potasu w środowisku kwasowym

RMwLyCAGc83bf1

Wirtualne laboratorium pt. Zachowanie alkoholi pierwszo-, drugo- i trzeciorzędowych wobec takich utleniaczy jak dichromian(VI) potasu w środowisku kwasowym

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

Reakcja propan‑2‑olu z dichromianem(VI) potasu w środowisku kwasowym

RxTOfaKq0nHQW1

Wirtualne laboratorium pt. Zachowanie alkoholi pierwszo-, drugo- i trzeciorzędowych wobec takich utleniaczy jak dichromian(VI) potasu w środowisku kwasowym

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

Reakcja 2‑metylopropan‑2‑olu z dichromianem(VI) potasu w środowisku kwasowym

R1LzLGxSEH2QQ1

Wirtualne laboratorium pt. Zachowanie alkoholi pierwszo-, drugo- i trzeciorzędowych wobec takich utleniaczy jak dichromian(VI) potasu w środowisku kwasowym

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

RfaiUucl79D5r

Szczegóły reakcji

1

azure#fff

Równanie reakcji przed dobraniem współczynników:

RzZp6ywADew2A

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

Równanie procesu utleniania:

$\overset{- I}{C} \to \overset{I}{C} + 2 e^{-}$

Równanie procesu redukcji:

$2 \overset{VI}{Cr} + 6 e^{-} \to 2 \overset{III}{Cr}$

Bilans jonowo‑elektronowy:

$\overset{- I}{C} \to \overset{I}{C} + 2 e^{-} | \cdot 3$

$2 \overset{VI}{Cr} + 6 e^{-} \to 2 \overset{III}{Cr} | \cdot 1$

Równanie reakcji po dobraniu współczynników:

ReXq3CjQJSnPU

Szczegóły reakcji

2

green#fff

Równanie reakcji przed dobraniem współczynników:

R1Yc0Qdn74X3R

Równanie procesu utleniania:

$\overset{0}{C} \to \overset{II}{C} + 2 e^{-}$

Równanie procesu redukcji:

$2 \overset{VI}{Cr} + 6 e^{-} \to 2 \overset{III}{Cr}$

Bilans jonowo‑elektronowy:

$\overset{0}{C} \to \overset{II}{C} + 2 e^{-} | \cdot 3$

$2 \overset{VI}{Cr} + 6 e^{-} \to 2 \overset{III}{Cr} | \cdot 1$

Równanie reakcji po dobraniu współczynników:

RX6OR5nW1mCQt

Szczegóły reakcji

3

olive#fff

Szafa laboratoryjna

R1Mi0cAE9r3RH

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

Sprawdź, czy Twoje obserwacje, wyniki i wnioski są podobne do poniższych.

Obserwacje:

W probówce z etanolem i propan- $2$ -olem po ogrzaniu zmienia się zabarwienie roztworu z pomarańczowego na zielony. W probówce z $2$ -metylopropan- $2$ -olem roztwór nie zmienia koloru.

Wyniki:

Alkohole pierwszo- i drugorzędowe ulegają przeprowadzonej reakcji.

Wnioski:

Alkohole $I$ -rzędowe utleniają się do kwasów karboksylowych.
Alkohole $II$ -rzędowe utleniają się do ketonów.
Alkohole $III$ -rzędowe nie ulegają reakcji utlenienia.

Przeprowadzono doświadczenie w laboratorium chemicznym. Zapoznaj się z opisem doświadczenia, a następnie wykonaj polecenia. Analiza doświadczenia: Zachowanie alkoholi pierwszo-, drugo- i trzeciorzędowych wobec takich utleniaczy, jak dichromian( $VI$ ) potasu w środowisku kwasowym.

Problem badawczy: Czy produkt powstały w wyniku reakcji alkoholi z utleniaczem, takim jak $K_{2} {Cr}_{2} O_{7}$ w środowisku kwasu siarkowego( $VI$ ), zależy od rzędowości alkoholi?

Hipoteza: W wyniku reakcji alkoholi pierwszo-, drugo- i trzeciorzędowych z utleniaczami w środowisku $H_{2} {SO}_{4}$ powstają różne produkty.

Odczynniki: etanol, propan- $2$ -ol, $2$ -metylopropan- $2$ -ol, roztwór dichromianu( $VI$ ) potasu roztwór kwasu siarkowego( $VI$ ).

Szkło laboratoryjne

probówka – podłużne naczynie szklane do przeprowadzania prostych reakcji chemicznych;
zlewka – naczynie szklane o kształcie cylindrycznym, stosowane do przeprowadzania prostych reakcji chemicznych;
kolba kulista płaskodenna – szklane naczynie laboratoryjne o kształcie ściętej kuli od dołu; długa szyjka z nacięciem określa dokładnie określoną objętość kolby; pomimo kulistego kształtu można je stawiać na stole lub szafce;
kolba stożkowa – szklane naczynie laboratoryjne o kształcie stożka z płaskim dnem i wąską szeroką szyjką;
szalki Petriego – szklane spodki do przeprowadzania prostych reakcji chemicznych;
cylinder miarowy – podłużne szklane naczynie laboratoryjne w kształcie walca z umieszczoną na ściance podziałką objętości. Służy do odmierzania cieczy;
lejek szklany – podstawowy sprzęt laboratoryjny, zazwyczaj w kształcie stożka zakończonego rurką lub szlifem, który służy do przelewania płynów, przesypywania proszków oraz do sączenia;
bagietka szklana – pręcik szklany, służący do mieszania cieczy
łyżka metalowa – długi trzonek wykonany ze szkła, porcelany lub metalu zakończony z jednej strony łyżeczką. Służy do nabierania sypkich substancji chemicznych;
łyżka do spalań – sprzęt laboratoryjny stosowany głównie w analizie jakościowej, ściślej płomieniowej wykonywany ze spieków ceramicznych lub wysokoodpornych termicznie stopów metali;
szczypce laboratoryjne – sprzęt przeznaczony do podtrzymywania drobnego sprzętu laboratoryjnego;
pipety Pasteura – wąskie rurki do pobierania i przenoszenia niewielkiej ilości cieczy przy pomocy ssawki;
łapa drewniana – rodzaj trzymaka służący do uchwycenia probówki lub małej kolby stożkowej;
trójnóg z siatką – urządzenie w kształcie pierścienia, zaopatrzone w trzy wkręcane nogi, mocowane prostopadle do jego powierzchni, służące do ustawiania nad palnikiem naczyń laboratoryjnych, przeznaczonych do podgrzania;
palnik laboratoryjny – rodzaj sprzętu z regulacją płomienia, umożliwiający podgrzewanie substancji chemicznych.

Przebieg doświadczenia:

Przygotowano trzy probówki i do każdej z nich wlano po dwa centymetry sześcienne roztworu dichromianu( $VI$ ) potasu oraz dwa centymetry sześcienne roztworu kwasu siarkowego( $VI$ ).
Następnie do każdej probówki dodano po dwa centymetry sześcienne innego alkoholu: etanolu, propan- $2$ -olu, $2$ -metylopropan- $2$ -olu.
Wstrząśnięto probówkami w celu wymieszania reagentów, a następnie ogrzano je w łaźni wodnej.

Obserwacje:

W probówce z etanolem i propan- $2$ -olem po ogrzaniu zmienia się zabarwienie roztworu z pomarańczowego na zielony. W probówce z $2$ -metylopropan- $2$ -olem roztwór nie zmienia koloru.

Wyniki:

Alkohole pierwszo- i drugorzędowe ulegają przeprowadzonej reakcji.

Wnioski:

Alkohole $I$ -rzędowe utleniają się do kwasów karboksylowych.
Alkohole $II$ -rzędowe utleniają się do ketonów.
Alkohole $III$ -rzędowe nie ulegają reakcji utlenienia.

Ćwiczenie 4

RC40MPZFQYVcl

R11p2hsmDGh4l3

Równanie procesu utleniania:

$\overset{- I}{C} \to \overset{I}{C} + 2 e^{-}$

Równanie procesu redukcji:

$2 \overset{VI}{Cr} + 6 e^{-} \to 2 \overset{III}{Cr}$

Bilans jonowo‑elektronowy:

$\overset{- I}{C} \to \overset{I}{C} + 2 e^{-} | \cdot 3$

$2 \overset{VI}{Cr} + 6 e^{-} \to 2 \overset{III}{Cr} | \cdot 1$

bg‑blue

Notatnik

R17TY7A3VUjRk

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

Kwasy karboksylowe - właściwości i zastosowanie

Kwasy karboksylowe - budowa i otrzymywanie

Budowa kwasów karboksylowych

Alifatyczne kwasy karboksylowe

Aromatyczne kwasy karboksylowe

Polikarbonylowe i polihydroksylowe kwasy karboksylowe

Nomenklatura kwasów karboksylowych

Otrzymywanie kwasów karboksylowych

Otrzymywanie alifatycznych kwasów karboksylowych

Notatnik