Karboksilne kiseline Jedinjenja koja sadrže karboksilnu grupu u molekulu

Karboksilne kiseline

• Jedinjenja koja sadrže karboksilnu grupu u molekulu

• opšta formula za homologi niz monokarboksilnih kiselina:

Nomenklatura

• Trivijalna imena

• Nazivaju se još i masne kiseline, jer su prvi put izolovane iz prirodnih izvora, naročito hidrolizom masti i voskova
• Davana su im imena koja su označavala mesto njihovog nalaženja (mravlja, sirćetna, buterna, itd.)
• IUPAC imena za kiseline iznad C10 sa neparnim brojem C-atoma daju se radije nego uobičajena imena. Razlog: samo su kiseline sa parnim brojem C-atoma nađene u mastima, a sa neparnim brojem su dobivane sintezom.
• Ime margarinska kiselina (C27) izgleda predstavlja jedini izuzetak.
• Kao i kod ostalih homologih serija, ona jedinjenja koja imaju izopropil grupu na kraju normalnog ugljovodoničnog niza mogu dobiti prefiks izo na uobičajeno ime; na pr. (CH3)2CHCOOH - izobuterna kiselina

Nomenklatura (nastavak)

• Kao derivati normalnih kiselina

• Kao osnovna supstanca se uzima CH3COOH, a jedinjenja se nazivaju kao derivati kod kojih su H-atomi CH3-grupe u CH3COOH zamenjeni drugim grupama

Nomenklatura (nastavak)

• IUPAC sistem

• Uzima se ime zasićenog ugljovodonika koji ima isti broj C-atoma kao i najduži niz koji sadrži karboksilnu grupu, pa se njemu doda nastavak -ska kiselina.
• Primer:

IUPAC nomenklatura (nastavak)

• Zasićene ciklične kiseline imenuju se kao cikloalkankarboksilne kiseline

• Odgovarajuće aromatične kiseline su benzoeve kiseline

Opšte metode za dobijanje

• Iz Grinjarovog reagensa

Ostale metode

• Oksidacijom aldehida

• Dekarboksilacijom malonskih kiselina

• Hidrolizom:

• anhidrida
• acil-halogenida
• estara
• amida
• masti i ulja, itd.

Fizičke osobine

• Tačke ključanja karboksilnih kiselina rastu prosečno oko 18C za svaku metilensku grupu, isto kao i kod alkohola

• T.k. su, međutim, abnormalnije od onih za alkohole: etanol ključa na 78C, a mravlja kiselina, HCOOH, koja ima istu molekulsku masu, na 101C

• Objašnjenje - asocijacija molekula pomoću vodoničnih veza - građenje dimera

Rastvorljivost

• Zbog delimične jonizacije u vodi, karboksilne kiseline su jače hidratisane od alkohola i stoga pokazuju veću rastvorljivost u vodi

• Monokarboksilne kiseline se obično rastvaraju u organskim rastvaračima

Reakcije karboksilnih kiselina

• Građenje soli

• Jače su kiseline od alkohola zbog:
• dopunskog kiseonikovog atoma
• rezonancijom stabilizovanog karboksilatnog jona

Reakcije karboksilnih kiselina

• sa karbonatima ili bikarbonatima, zato što CO2, zbog slabe rastvorljivosti u vodenom rastvoru kiseline, pomera ravnotežu udesno

• R-COOH + NaHCO3  RCOONa + CO2 + H2O
• 2R-COOH + Na2CO3  2RCOONa + CO2 + H2O

• Zamena hidroksilne grupe halogenom (ORA 909)

• Koriste se neorganski halogenidi, najčešće PX3, PX5 i SOCl2 i dobijaju se acil-halogenidi

Esterifikacija

• Direktna esterifikacija

• U prisustvu jakih kiselina karboksilne kiseline reaguju sa alkoholima dajući estre i vodu

Razlaganje u ketone

• Kada se karboksilne kiseline zagrevaju u prisustvu torijum(IV)- ili mangan(II)-oksida do tačke razlaganja, ili kada se pirolizuju soli polivalentnih metala, npr. kalcijuma, olova ili torijuma, dobijaju se ketoni

Funkcionalni derivati karboksilnih kiselina

• izvode se zamenom OH grupe iz karboksilne grupe kiselina X, RCOO, NH2 ili OR' grupom

Soli karboksilnih kiselina (reakcije)

• Elektroliza (Kolbe-ova sinteza ugljovodonika)

Piroliza amonijumovih soli

• Pri zagrevanju, amonijum-karboksilati disosuju u kiselinu i amonijak:

Reakcija srebro-karboksilata sa bromom

• U reakciji srebro-karboksilata sa bromom u ključalom CCl4, dobija se bromalkan kao konačan proizvod, i talog srebro-bromida.

• faze reakcije:

• građenje acil-hipobromita (RCOOBr)

Acil-halogenidi

• Dobijanje acil-halogenida

• reakcijom karboksilnih kiselina sa halogenidima neorganskih kiselina (zamena hidroksilne grupe halogenom)
• Reakcija je opisana kod karboksilnih kiselina

• Nomenklatura

• Po IUPAC nomenklaturi ova grupa jedinjenja se imenuje tako što se trivijalnom nazivu acil-grupe doda naziv odgovarajućeg halogenida.
• Trivijalno ime acil-grupe dobija se od korena trivijalnog naziva odgovarajuće kiseline (na engleskom)kome se doda nastavak –il ili –oil.

Nomenklatura (nastavak)

• Primeri

Fizičke osobine

• ne grade vodonične veze

• Imaju normalne tačke ključanja

• nerastvorni su u vodi

• Isparljivi acil-halogenidi imaju oštar miris i iritirajuće dejstvo na membranu sluzokože

Reakcije acil-halogenida

• Nukleofilna zamena halogena

• nukleofilna supstitucija halogena iz acil-halogenida vrši se mnogo lakše nego kod alkil-halogenida
• acil-halogenidi podležu hidrolizi, alkoholizi i amonolizi (ORA 949), dajući kiseline, estre i amide na sobnoj temperaturi

Halogenovanje

• Acil-halogenidi se hloruju i bromuju mnogo lakše od ugljovodonika ili karboksilnih kiselina

• samo -vodonikovi atomi se mogu lako zameniti

Redukcija

• U alkohole

• Hidridni jon je jak nukleofil, sposoban da supstituiše halogenidni jon iz acil-halogenida, kao i da redukuje karbonilnu grupu intermedijarnog aldehida

Friedel-Crafts-ovo acilovanje

• Reakcija acil-halogenida sa aromatičnim jedinjenjima, pri čemu se dobijaju ketoni, detaljno je obrađena kod aromatičnih jedinjenja

Anhidridi kiselina

• Dobijanje anhidrida karboksilnih kiselina nukleofilnom supstitucijom hloridnog jona iz acil-hlorida karboksilatnim jonom jasno definiše strukturu ovih jedinjenja

Dobijanje anhidrida kiselina

• Od svih anhidrida monokarboksilnih kiselina najvažniji je acetanhidrid

• Dobija se reakcijom sirćetne kiseline sa ketenom, CH2=C=O, koji se, opet, dobija dehidratacijom sirćetne kiseline na visokoj temperaturi:

Nomenklatura anhidrida

• Imena dobijaju dodatkom reči anhidrid na ime kiseline ili kiselina iz kojih se izvode

• Primer: (CH3COO)2O - acetanhidrid

• (CH3CO)O(COCH2CH2CH3) - acetobutilanhidrid

• Anhidridi koji imaju obe R grupe jednake su prosti anhidridi, dok su anhidridi sa različitim grupama mešoviti anhidridi

Fizičke osobine

• imaju više tačke ključanja od ugljovodonika, ali niže od alkohola sa istom polarnošću

• Uprkos velikoj količini prisutnog kiseonika, acetanhidrid i njegovi viši homolozi su nerastvorni u vodi

• velika rezonanciona energija (125,6 kJ) koja se javlja usled interakcija elektrona u p-orbitalama kiseonika i ugljenika sprečava lokalizaciju negativne šarže potrebne za vodonično vezivanje

Reakcije

• Anhidridi su dobri reagensi za acilovanje i obično podležu hidrolizi, alkoholizi i amonolizi, ali reakcije nisu tako burne kao kod acil-halogenida

Estri

• Estri se dobijaju:

• direktnom esterifikacijom kiseline s alkoholom,
• adicijom kiselina na olefine
• reakcijom acil-halogenida sa alkoholima
• reakcijom anhidrida kiselina sa alkoholima, itd.

• Estri dobijaju imena kao da su alkil-soli organskih kiselina

• Npr. CH3COOCH2CH3 etil-acetat

• Imaju normalne tačke ključanja

• njihova rastvorljivost u vodi je manja nego što se može očekivati na osnovu količine prisutnog kiseonika.

• Isparljivi estri imaju prijatan voćni miris

Reakcije estara

• Supstitucija alkoksidne grupe

• Hidroliza
• Potreban katalizator
• Može biti kisela ili bazna
• Bazna se zove još i saponifikacija (ORA 955)
• Alkoholiza
• Amonoliza

Zamena karboksilatnog jona

• Suvi HBr, koncentrovani vodeni rastvor HI i H2SO4 mogu da raskinu estre na isti način kao i etre

Reakcija sa Grignard-ovim reagensima

• Grignard-ovi reagensi reaguju sa estrima tako što najpre daju adicioni proizvod, iz koga se zatim eliminiše alkoksidni i halomagnezijumov jon, dajući keton:

Piroliza u alkene

• Kada se estri, koji imaju vodonik na C-atomu alkoksi-grupe, zagrevaju na 500C, dolazi do disocijacije molekula estra na molekul kiseline i alken. Estri primarnih alkohola daju terminalne alkene:

Voskovi, masti i ulja

• Voskovi su estri viših monohidroksilnih alkohola i viših masnih kiselina.

• Prirodni voskovi su smeša estara, a sadrže i ugljovodonike

• Masti i ulja su estri trohidroksilnog alkohola glicerola i viših masnih kiselina

Masti i ulja

• Kiseline

• zasićene
• laurinska, CH3(CH2)10COOH
• palmitinska CH3(CH2)14COOH
• stearinska CH3(CH2)16COOH
• nezasićene
• oleinska kiselina CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH
• linolna kiselina
• CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH
• linolenska
• CH3CH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH

Reakcije masti i ulja

• hidroliza u prisustvu kiselina, baza (MOH, gde je M neki metal) ili enzima u slobodne masne kiseline ili njihove soli i glicerol

Amidi

• Dobijanje

• reakcijom amonijaka ili njegovih alkil-derivata (primarnih i sekundarnih amina) sa kiselinama, acil-halogenidima ili anhidridima kiselina
• U slučaju reakcije sa kiselinama, s obzirom na to da su amonijak i njegovi derivati baze, dobija se najpre odgovarajuća amonijum-so

• Zagrevanjem dolazi do razlaganja soli, pri čemu azot deluje kao nukleofil. Reakcija je adiciono-eliminacionog tipa, a kao krajnji proizvod dobija se amid

Nomenklatura amida

• Imena primarnih amida, tj. onih u kojima –NH2 grupa nije supstituisana, izvode se na dva načina:

• kao alkanamidi, što znači da se nazivu ugljovodonika sa istim brojem C-atoma dodaje sufiks –amid.
• upotrebom opisnog oblika amid...kiseline. Ako se imena amida izvode iz internacionalnih trivijalnih imena, nastavak "-ic acid" ili "-oic acid" zamenjuje se nastavkom –amid.

• Kod cikličnih sistema završetak –karboksilna kiselina zamenjen je sufiksom –karboksamid.

• Supstituenti na azotu označavaju se prefiksima N- ili N,N- zavisno od broja supstituenata.

• Na osnovu toga za koliko je C-atoma vezan azot, amidi se dele na primarne, sekundarne i tercijarne.

Primeri

• acetamid N-etilacetamid

Nomenklatura amida (nastavak)

• Ciklični amidi zovu se laktami, odnosno aza-2-cikloalkanoni, kako glasi njihovo sistematsko ime

Reakcije amida

• Najvažnije reakcije amida su:

• hidroliza
• redukcija
• konverzija u imide i
• Hoffmann-ova degradacija

Hidroliza

• Kao najmanje reaktivni derivati karboksilnih kiselina, amidi hidrolizuju jedino pod oštrijim uslovima, što podrazumeva prisustvo neke jače kiseline ili baze i produženo zagrevanje

• Proizvodi hidrolize su amonijak (ili amin) i karboksilna kiselina, od kojih se jedno ili drugo jedinjenje nalaze u obliku soli, zavisno od upotrebljenog katalizatora

Hidroliza (nastavak)

• Hidroliza u kiseloj sredini:

Hidroliza (nastavak)

• Hidroliza u baznoj sredini:

Redukcija

• Amidi se mogu redukovati do aldehida ili do amina, što je njihova specifična reakcija

• Redukcija do aldehida vrši se u prisustvu diizobutil-aluminijum-hidrida kao redukcionog sredstva. Sa ovim reagensom i estri takođe daju aldehide

• Pri redukciji amida pomoću LiAlH4 dobija se amin sa istim brojem C-atoma

Konverzija u imide

• Ciklični anhidridi reaguju sa amonijakom i daju proizvod koji sadrži dve funkcionalne grupe: amidnu, -CONH2, i karboksilnu,

• -COOH

• Ako se takav kiseli amid zagreva, eliminiše se molekul vode i zatvara prsten, pri čemu se dobijaju jedinjenja poznata pod imenom imidi. Tako reaguje, npr., anhidrid ftalne kiseline, ftalanhidrid:

Hoffmann-ova degradacija

• Kada se na amid deluje alkalnim rastvorom NaOCl ili NaOBr, nastaje primarni amin, koji ima jedan C-atom manje od početnog amida

1. Halogenovanje amida

• N-halogenamid dobijen ovom reakcijom može se izolovati, ako nije prisutna baza. Ako se tretira bazom, dobija se amin

2. Napad hidroksidnog jona

3. Odlazak halogenidnog jona

• Pri heterolitičkoj disocijaciji N-Br veze azotov atom ostaje elektron-deficitaran

4. Premeštanje alkil-grupe

• Smatra se da se koraci 3 i 4 odvijaju simultano, odnosno da vezivanje alkil-grupe za azot potpomaže istiskivanje halogenidnog jona. To podseća na karakterističan mehanizam SN2 reakcija

5. Hidroliza izocijanata

• Izocijanat hidrolizuje u amin i karbonatni anjon. Ako bi se Hoffmann-ova degradacija vršila u odsustvu vode, izocijanat bi se mogao izolovati

• Da li je premeštanje intermolekulsko, ili intramolekulsko? Drugim rečima, da li se grupa koja se premešta pomera sa jednog atoma na drugi unutar istog molekula, ili se pomera sa jednog molekula na drugi?

• Dokaz je dobijen elegantnim eksperimentom T.J. Prosser-a i E.L. Eliel-a sa Univerziteta Notre Dame u Parizu, u kome su upotrebljeni "obeleženi" atomi

• U eksperimentima sa optički aktivnim jedinjenjima, utvrđeno je da pri ovoj reakciji dolazi do potpune retencije konfiguracije. Primer je Hoffmann-ova degradacija 2-fenilpropanamida:

• Proizvod reakcije ukazuje na dve bitne činjenice:

• azot zauzima isti relativni položaj na hiralnom ugljeniku, koji je na početku zauzimao karbonilni ugljenik;
• veza između hiralnog i karbonilnog ugljenika ne raskida se potpuno sve dok hiralni C-atom ne počne da se vezuje za azot

• Premeštanje grupe sa karbonilnog C-atoma na azot odvija se preko prelaznog stanja A:

Supstituisane karboksilne kiseline

• halogen-

• hidroksi-

• amino- i

• nezasićene karboksilne kiseline

Halogene karboksilne kiseline

• imaju jedan ili više halogenih atoma kao supstituente u ugljovodoničnom delu molekula

• -Hlor- i brom- kiseline dobijaju se direktnim halogenovanjem kiselina u prisustvu malih količina PX3:

• RCH2-COOH + X2 RCHXCOOH + HX

Osobine i reakcije

• Povećanjem broja atoma halogena na -ugljenikovom atomu raste kiselost karboksilnih kiselina. Tako je trihlorsirćetna kiselina gotovo isto tako jaka kao i H2SO4

• U zasićenim halogenkarboksilnim kiselinama atom halogena ima slična svojstva kao i halogen u halogenalkanima, što znači da se može zameniti drugim funkcionalnim grupama pomoću uobičajenih reagenasa

• -, -, - i -Halogenkiseline pokazuju karakteristične razlike u reakcijama sa vodenim ili alkoholnim rastvorima baza. Pri kuvanju sa vodom ili razblaženim bazama, -halogenkiseline lako hidrolizuju, dajući -hidroksikiseline.

• Pod istim uslovima -halogenkiseline gube halogenovodoničnu kiselinu dajući ,-nezasićenu kiselinu, dok -halogen- i -halogenkiseline daju petočlane ili šestočlane ciklične estre poznate pod imenom laktoni.

Hidroksikiseline

• imaju hidroksilnu grupu kao supstituent na ugljovodoničnom delu molekula

• dobijaju se hidrolizom -halogenkiselina ili hidrolizom cijanhidrina, koji nastaje pri adiciji HCN na aldehide ili ketone

Reakcije hidroksikiselina

• -Hidroksikiseline podležu bimolekulskoj esterifikaciji, uz stvaranje šestočlanog prstena. Takvi ciklični diestri nazivaju se laktidi

• -Hidroksikiseline lagano gube vodu, dajući ,-nezasićene kiseline, često u smeši sa ,-nezasićenim kiselinama

• - i -Hidroksikiseline su stabilne samo u obliku svojih soli, jer se spontano ciklizuju u laktone

Aminokiseline

• Aminokiseline su derivati karboksilnih kiselina koji imaju amino-grupu kao supstituent u ugljovodoničnom delu molekula

• Imaju veliki značaj za živi svet, jer izgrađuju peptide i proteine, koji spadaju u tzv. primarne biomakromolekule i koji, samostalno ili vezani za neke druge biomolekule, obavljaju niz životno važnih funkcija u svakoj živoj ćeliji.

Dobijanje aminokiselina

• Jedna od metoda za dobijanje -aminokiselina jeste reakcija -halogenkiselina sa amonijakom

• -Aminokiseline se mogu dobiti i hidrolizom proteina, u kojima su međusobno vezane peptidnim vezama

• Peptidna veza (–CONH) nastaje reakcijom kisele –COOH grupe iz molekula jedne, i bazne –NH2 grupe iz molekula druge aminokiseline, uz izdvajanje vode

• Kiseline kod kojih se NH2-grupa nalazi u drugim položajima, mogu se dobiti iz odgovarajućih halogenkiselina, ili redukcijom oksima ketokiselina

Reakcije aminokiselina

• Aminokiseline sadrže u svom molekulu i kiselu i baznu funkcionalnu grupu, pa stoga imaju amfoterna svojstva

• U čvrstom stanju aminokiseline postoje u obliku dipolarnog jona (zwitter-jon, unutrašnja so), koji je stabilniji od nejonizovanog oblika:

• Od pH sredine u znatnoj meri zavisi u kom jonskom obliku se aminokiseline nalaze

• -Aminokiseline prilikom zagrevanja u rastvoru glicerola gube vodu i stvaraju ciklične diamide - 2,5-diketopiperazine

Aromatične karboksilne kiseline

• jedinjenja u kojima je jedna ili više karboksilnih grupa vezano za aromatični prsten.

• hemijske i fizičke osobine uglavnom su iste kao i kod alifatičnih kiselina

• Ipak, prisustvo aromatičnog prstena i eventualnih supstituenata u prstenu utiče na hemijsko ponašanje ovih jedinjenja.

Dobijanje

• Opštim metodama:

• reakcijom odgovarajućeg Grignard-ovog reagensa sa CO2:

• oksidacija bočnog niza aromatičnih jedinjenja

Reakcije

• slične reakcijama alifatičnih

• uticaj aromatičnog prstena u pojedinim slučajevima čini razliku u hemijskom ponašanju između ove dve grupa jedinjenja značajnom

1. Kiselost

• Benzoeva kiselina je, zbog negativnog induktivnog efekta (-I) fenil-grupe, jača od cikloheksankarboksilne kiseline (benzoeva kiselina: Ka=6,2710-5, cikloheksan-karboksilna kiselina: Ka=1,3410-5)

• uticaj benzenovog prstena može se promeniti u sasvim suprotnom smislu, pod uticajem određenih supstituenata

• uvođenje alkil-grupa u meta- i para- položaj benzenovog prstena smanjuje jačinu kiseline u maloj meri zbog slabog +I i hiperkonjugacionog +R efekta alkil-grupa

• Alkil-grupa u p-položaju ima nešto izraženiji uticaj, tj. smanjuje kiselost u većoj meri, jer se zbog njenog hiperkonjugacionog efekta povećava rezonancija benzenovog prstena sa karboksilnom grupom.

• Supstituenti sa I ili –R (ili oba efekta zajedno, kao na primer kod –NO2 grupe), u znatnoj meri povećavaju kiselost benzoeve kiseline, naročito ako su u orto- ili para-položaju.

• Posebno je izraženo dejstvo nitro-grupe u orto-položaju, zbog malog rastojanja na kome ona deluje svojim jakim –I efektom na karboksilnu grupu, a verovatno i zbog sternih faktora

• Hidroksi- i metoksi- (odnosno u opštem slučaju alkoksi, -OR) grupe, kao i halogeni, pokazuju –I efekat (povećava aciditet kiseline) i +R efekat (smanjuje aciditet).

• Kod benzoevih kiselina koje u para-položaju imaju ove supstituente, dolazi upravo do izražaja +R efekat, koji može postati i preovlađujući.

• Rezonancija karboksilne grupe sa aromatičnim prstenom (rezonanciona struktura (5)) stabilizuje kiselinu u odnosu na njenu konjugovanu bazu, pa ona postaje slabija od odgovarajućih meta-supstituisanih kiselina, a u izvesnim slučajevima slabija i od same benzoeve kiseline

• Kod benzoevih kiselina koje imaju ove supstituente u meta-položaju, uglavnom dolazi do izražaja –I efekat, jer rezonancija sa karboksilnom grupom nije moguća. Stoga su meta-derivati jače kiseline od benzoeve

2. Esterifikacija

• Ako nema supstituenata u orto-položajima, esterifikacija karboksilne grupe odvija se kao i kod alifatičnih kiselina

• Ako je jedan orto- položaj supstituisan, brzina esterifikacije je znatno smanjena, dok ako su oba orto- položaja zauzeta, do esterifikacije ne dolazi (Viktor-Majerovo pravilo esterifikacije).

• Zapaženo je da pomenuti efekti ne zavise od prirode supstituenata, što upućuje na zaključak da se radi o sternom efektu.

3. Građenje acil-halogenida

• Ide teže nego kod alifatičnih kiselina, pa se umesto PCl3 koristi PCl5
• Acil-halogenidi su nerastvorni u vodi i vrlo sporo reaguju s njom

4. Dekarboksilacija

• Pri topljenju soli aromatičnih karboksilnih kiselina sa nekom jakom bazom, dolazi do dekarboksilacije, pri čemu baza vezuje ugljen-dioksid u obliku karbonata i izdvaja se benzen