Kwasy

Kwasy karboksylowe są końcowym produktem utlenienia alkoholi I-rzędowych i aldehydów. Charakteryzuje je obecność grupy karboksylowej –COOH. Duża różnica elektroujemności atomów tlenu z jednej strony a węgla i wodoru z drugiej, powoduje powstanie polaryzacji wiązania O–H, dzięki której nabiera ono w znacznym stopniu charakteru wiązania jonowego.

Silna polaryzacja wiązań w obrębie grupy karboksylowej powoduje, że kwasy organiczne w nawet silnie rozcieńczonych roztworach występują w postaci dimerów, powiązanych wiązaniami wodorowymi. Te silne oddziaływania międzycząsteczkowe są powodem, że większość kwasów organicznych jest krystalicznymi ciałami stałymi, mimo że formalna masa molowa wskazywałaby raczej na stan ciekły.

Rzeczywista masa cząsteczkowa kwasów karboksylowych jest dwukrotnie większa od nominalnej. (patrz też)

W kwasach aromatycznych grupa karboksylowa należy do podstawników II-rodzaju. Wpływ innych grup funkcyjnych w cząsteczce na kwasowość grupy karboksylowej zazwyczaj jest niezauważalny. Większe znaczenie mają jedynie podstawniki a, szczególnie w hyroksy- i aminokwasach.

Wiele kwasów karboksylowych nazywanych jest nazwami historycznymi, wywodzącymi się najczęściej od nazwy miejsca ich występowania (wykrycia) Oficjalne zasady nazewnictwa kwasu każą nazwę kwasu wywieść od nazwy szkieletowego węglowodoru z dodatkiem słowa kwas lub potraktować grupę karboksylową jako jeden z równoważnych podstawników i tak, jak w przypadku innych, podać miejsce jej podstawienia wraz z przedrostkiem karboksy (nie stosować do oznaczenia miejsca podstawienia greckich liter!).

 Kwasy o niskich masach molowych są dobrze rozpuszczalne w wodzie i należą do słabych elektrolitów o stałej dysocjacji 10-5 - 10-8. Wyższe kwasy są praktycznie w wodzie nierozpuszczalne, rozpuszczalne są natomiast ich sole sodowe i potasowe. Sole metali dwu- i trójwartościowych (Ca, Mg Al itp.) są w wodzie nierozpuszczalne.

 Kwasy karboksylowe można otrzymać przez utlenienie odpowiednich alkoholi lub aldehydów, hydrolizę nitryli, oraz przez utlenienie alkilowych pochodnych benzenu.

Można je też otrzymać przez hydrolizę estrów, chlorków kwasowych i bezwodników:

 Kwas octowy na skalę przemysłową otrzymuje się przez utlenianie alkoholu etylowego tlenem z powietrza, wykorzystując do katalizowania reakcji enzymy wytwarzane przez szczep bakterii Bacillus aceti. Przerabia się w ten sposób tanie wina na tzw. ocet winny. (Kwaśnienie wina to niepożądany efekt działania tychże bakterii).

Także hydroliza tłuszczy zwierzęcych i olejów roślinnych (estry glicerolu i tzw. kwasów tłuszczowych) to przemysłowe źródło kwasów. Sole kwasów tłuszczowych noszą nazwę mydeł.

Aromatyczne kwasy karboksylowe, także na skalę przemysłową) otrzymuje się przez utlenienie alkilowych pochodnych.

Kwasy karboksylowe w zależności od mocy tworzą sole w reakcji z metalami lub wodorotlenkami.

Grupa hydroksylowa karboksylu daje dość łatwo zastąpić chlorem, grupą aminową bądź resztą alkoholową dając chlorki kwasowe, amidy i estry.

UWAGA: Działaniem amoniaku na kwas otrzymujemy sól amonową R-COONH4 a nie amid!

Przykłady tworzenia soli :

Tworzenie chlorków kwasowych:

Tworzenie amidów i estrów:

Łagodna dehydratacja kwasów karboksylowych prowadzi do otrzymania bezwodników. Szczególnie łatwo ulegają tej reakcji kwasy dikarboksylowe.

Zarówno chlorki kwasowe jak i bezwodniki są bardzo reaktywne. W reakcji hydrolizy odtwarzają kwas, którego są pochodna. W reakcji z alkoholami tworzą estry a z amoniakiem dają amidy.

Podstawione kwasy karboksylowe można najczęściej zakwalifikować do jednej z trzech grup:

a) druga grupa funkcyjna nie ma żadnego praktycznego wpływu na zachowanie się grupy karboksylowej i nie wpływa na jej właściwości;

b) druga grupa funkcyjna zmienia siłę kwasowości grupy karboksylowej, chodzi tu przede wszystkim o podstawniki przy węglu a - np. a-hydroksykwasy lub a-chlorowcokwasy;

c) druga grupa funkcyjna może reagować z grupą karboksylową, powodując przejście kwasu w inne pochodne.

PRZYKŁADY:

Przykładem oddziaływania wzmacniającego siłę kwasu jest oddziaływanie grupy hydroksylowej w pozycji a. Tlen tej grupy hydroksylowej polaryzując wiązanie C–O utrudnia polaryzację C–C (węgiel a – grupa karboksylowa), powodując w ten sposób wzmocnienie polaryzacji wiązania O–H hydroksylu grupy karboksylowej, a więc siłę kwasu. Kwas mlekowy (a-hydroksypropionowy) jest znacznie silniejszy, niż jego protoplasta. Podobnie oddziałuje chlor w pozycji a. Kwas a - chlorooctowy jest około 100-krotnie silniejszy niż kwas octowy. Kwas trichlorooctowy jest bardzo silnym kwasem o sile kwasowości około 10 000 razy większej niż kwas octowy.

Szczególny sposób wpływania podstawnika na moc kwasu jest przypadek kwasów aromatycznych. 

W kwasach alifatycznych z podstawnikiem dodatkowym przy węglu g- lub d- mogą tworzyć się pochodne pierścieniowe. W przypadku hydroksykwasów są to laktony, a w przypadku aminokwasów laktamy. Kwas mlekowy ogrzewany dimeryzuje, tracąc dwie cząsteczki wody daje pierścieniową pochodną zwana laktydem – C6H8O4. 

Szczególnie ważnym przypadkiem kwasów z dodatkową grupa funkcyjną są a-aminokwasy - cegiełki z których zbudowany jest najważniejszy składnik materii ożywionej - białka. Grupa aminowa jednej cząsteczki aminokwasu może reagować z grupą karboksylową drugiej cząsteczki kwasu (tego samego lub innego) dając produkt zwany peptydem (dipeptyd). Długie łańcuchy polipeptydowe tworzą podstawowy budulec białek.

Dwukarboksylowe kwasy (patrz też)

Kwasy dikarboksylowe charakteryzują się w zasadzie tymi samymi właściwościami chemicznymi co kwasy monokarboksylowe. Pewne różnice wynikają tylko z wzajemnego układu przestrzennego grup i płynących stąd możliwości reakcji (np. łatwość tworzenia bezwodników) oraz zdolności do reagowania, albo tylko jednej grupy, albo obu grup jednocześnie.

Podana niżej "mapa chemiczna" zawiera podstawowe, najczęściej wykorzystywane sposoby i przejścia między poszczególnymi typami związków. Należy zawsze jednak mieć na uwadze, że prawie każda reakcja jest teoretycznie możliwa i podane niżej przejścia w żaden sposób nie wyczerpują wszystkich możliwości przejść między grupami związków. Istniej także reakcje wyjątkowe - dotyczące poszczególnych związków czy wąskich podgrup w wymienionych (i nie wymienionych) grupach. Jak zawsze u nas, wszelkie schematy i podziały mają na celu jedynie ułatwienie zapamiętania ogólnych zasad i nie należy ich brać zbyt dosłownie.

Kwas węglowy może być zaliczany zarówno do związków nieorganicznych (mineralnych - kreda, szpat) jak i organicznych - tworzy bowiem wiele pochodnych o charakterze związków organicznych. Sam kwas, jako substancja, z powodu nietrwałości nie istnieje, znamy natomiast jego pochodne. Bezwodnik kwasu węglowego CO2 po rozpuszczeniu w wodzie tylko częściowo przechodzi w kwas, natomiast większość cząsteczek tworzy jedynie produkt addycji cząsteczki wody. Z soli kwasu węglowego - węglanów i kwaśnych węglanów wyprowadzamy hipotetyczny wzór kwasu węglowego H2CO3, co zakłada obecność dwóch grup hydroksylowych przy tym samym, karbonylowym atomie węgla - taki układ podstawników przy węglu powinien powodować o wiele większa siłę kwasowości niż to w praktyce obserwujemy. "Słabość" kwasu węglowego bierze się właśnie z tej cechy nieznacznego przechodzenia w kwas i utrzymywania równowagi kwas węglowy - uwodniony ditlenek węgla. Pierwsza stała dysocjacji kwasu węglowego powinna wynosić około 10-2, w rzeczywistości z pomiarów uzyskujemy zaledwie 10-6. Szybkość ustalania się równowagi ditlenek-kwas jest stosunkowo niewielka, daje się. mierzyć, co pozwala na analityczne ustalanie proporcji między agresywnym kwasem węglowym a o wiele mniej reaktywnym uwodnionym ditlenkiem. Ta niewielka szybkość w przechodzeniu tych dwóch form ma też duże znaczenie biologiczne (a także przemysłowe).

Niektóre pochodne, które traktujemy jako wywodzące się z kwasu węglowego, można wywieść z innych związków. Tak więc, czy dany związek nazwiemy, sugerując że jest pochodna kwasu węglowego czy też inaczej - zależy to od naszej wygody i chęci wskazania na właściwości. Prowadzi to jednak do pewnej niejednoznaczności w nomenklaturze tych związków. Poniżej podano podstawowe związki związane z kwasem węglowym i ich nazwy.

 Pochodne kwasu węglowego są zazwyczaj dość nietrwałe i łatwo ulegają dekarboksylacji