K W A S Y K A R B O K S Y L O W E 2.pdf

K W A S Y K A R B O K S Y L O W E

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 sp 2 . 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

R: alkil , aryl lu b H

W najprostszym kwasie karboksylowym – w kwasie mrówkowym ( metanowym ) grupa

karboksylowa połączona jest z atomem wodoru.

Parametry grupy karboksylowej

1,23

125 o

106 o

0,97

124 o

1,10

wartości k ą tów wi ą za ń długo ś ci wi ą za ń

W kwasie mrówkowym kąty wiązań wychodzących od karboksylowego atomu węgla

przyjmują wartości zbliŜone do 120 o , 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.

111 o

1,32

1,25

122 o

106 o

119 o

0,97

1,52

H 3

1,31

119 o

Grupa karboksylowa , podobnie jak karbonylowa jest płaska i silnie spolaryzowana .

Obecność atomu wodoru związanego z atomem tlenu sprzyja powstawaniu wi ą za ń

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 3

CH 3

kwasu

octowego

O H

2,67

Wyst ę powanie

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 ( C 3 H 7 COOH ), następnie zaś kapronowy ( C 5 H 11 COOH ).

4 3

COOH

H 3

kwas masłowy kwas kapronowy

Najpopularniejszym naturalnym kwasem tłuszczowym jest kwas oleinowy ( C 17 H 33 COOH ), a

pośród nasyconych – palmitynowy ( C 15 H 31 COOH ).

H 3

COOH

kw. oleinowy

COOH

H 3

kw. palmitynowy

Do popularnych zaliczają się teŜ kwasy stearynowy ( C 17 H 35 COOH ) i linolowy

( C 17 H 31 COOH ).

COOH

H 3

kw. stearynowy

H 3

COOH

kw. linolowy

Nienasycone kwasy tłuszczowe w tłuszczach jadalnych powinny mieć wiązania podwójne

niesprzęŜone, typu cis -, tak jak w kwasie oleinowym , linolowym czy linolenowym

( C 17 H 29 COOH ). 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.

H 3

COOH

7 6

kw. linolenowy

COOH

H 3

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.

Od nienasyconego dwudziestowęglowego kwasu arachidonowego wywodzą się waŜne dla

prawidłowego funkcjonowania organizmu prostaglandyny .

COOH

CH 3

kwas arachidonowy prostaglandyna A 3

W skład Ŝ ółci wchodzą naleŜące do steroidów kwasy Ŝ ółciowe . 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.

COOH

H H

kw. benzoesowy

kwas salicylowy

kwas cholowy

Znany jest kwas migdałowy i cynamonowy , a ich nazwy wskazują pochodzenie.

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 )

CH 3 COOH – kwas etanowy ( octowy )

CH 3 CH 2 COOH – kwas propanowy ( propionowy )

CH 3 CH 2 CH 2 COOH – kwas butanowy ( masłowy )

CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 COOH – kwas pentanowy ( walerianowy )

CH 3 ( CH 2 ) 4 COOH – kwas heksanowy ( kapronowy )

CH 3 ( CH 2 ) 6 COOH – kwas oktanowy ( kaprylowy )

CH 3 ( CH 2 ) 4 COOH – kwas dekanowyy ( kaprynowy )

CH 3 ( CH 2 ) 4 COOH – kwas heksadekanowy ( palmitynowy )

CH 3 ( CH 2 ) 16 COOH – kwas oktadekanowy ( stearynowy )

Kwasy nienasycowne

CH 2 =CHCOOH – kwas prop-2-enowy ( akrylowy )

CH 3 CH=CHCOOH – kwas but-2-enowy ( krotonowy – trans -)

CH 3 ( CH 2 ) 7 C=C ( CH 2 ) 7 COOH – kwas oktadeka-9-enowy ( oleinowy – cis -)

COOH

kwas 2-metylo- kwas 3-fenylo- kwas 3-( p -chlorofenylo)-

butanowy propanowy 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 )

HOOCCH 2 COOH – kwas propanodiowy ( malonowy )

HOOC ( CH 2 ) 2 COOH – kwas butanodiowy ( bursztynowy )

HOOC ( CH 2 ) 3 COOH – kwas pentanodiowy ( glutarowy )

HOOC ( CH 2 ) 4 COOH – kwas heksanodiowy ( adypinowy )

HOOC ( CH 2 ) 5 COOH – 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 .

CH 3 - COOH – kwas metanokarboksylowy ( octowy )

HOOC - ( CH 2 ) 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.

CH 3 COOH

CH 2 CH 3

HOOCCHCH 2 CHCH 2 CH 2 CH 3

COOH

kwas 2-metylocykloheksano- kwas oktano-3,5-dikarboksylowy

karboksylowy

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 CH 2 COOH

CH 3 CH 2 CHCH 2 CHO HOOCCH 2 CH 2 CH 2 CHCH 2 COOH

3-karboksypentanal kwas 3-(karboksymetylo)heptanodiowy

Wła ś ciwo ś ci 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 w ę glowodorów o podobnej masie cząsteczkowej. Przyczyną tego jest

tendencja cz ą steczek kwasów do tworzenia dimerów stabilizowanych stosunkowo silnymi

wiązaniami wodorowymi. Kwas mrówkowy wrze w temp. 100,5 o C, a octowy , propionowy i

masłowy odpowiednio: 118, 141 i 163.

Kwas dekanowy topnieje w temperaturze 31 o C. Rozgałęzienia łańcuchów i wiązania

nienasycone znacząco obniŜają tt. kwasów. Kwas oleinowy topnieje w temp. w 16 o C., kwas

linolowy , w -12 o C, a dla porównania stearynowy – w 70 o C. 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 wy Ŝ szych 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 . Ź ródła 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

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: