موسوعة الكيمياء : الأحماض العضوية الكربوكسيلية



الأحماض العضوية الكربوكسيلية

الحمض العضوي هو أى مركب عضوي له خواص حمضية. أكثر الأحماض العضوية شيوعاً هي الأحماض الكربوكسيلية

حمض كربوكسيلي

بنية الحمض الكربوكسيلي

البنية ثلاثية الأبعاد للأحماض الكربوكسيلية

نموذج ممتليء للأحماض الكربوكسيلية

الأحماض الكربوكسيلية

نبذة عامة

• الأحماض الكربوكسيلية هي أحماض عضوية تصنف في ظل وجود مجموعة الكربوكسيل الفعالة COOH)).
• كما أنها تندرج تحت تصنيف العالمان (برونشتد ولاوري) للأحماض، حيث تقوم بمنح البروتون.
• صيغتها العامة هي R-COOH.
• حيث R من الممكن أن تكون إما جذر ألكيلي أوذرة هيدروجين.
• وهي منتشرة في الطبيعة بشكل كبيـر.

الصفات الفيزيائية

• الأحماض الكربوكسيلية هي مـركبات قطبية، بالتالي بإمكانها تكوين روابط هيدروجينية بين الجزيئات.
• في درجات الحرارة المرتفعة، تتواجد الأحماض الكربوكسيلة على شكل مركب مزدوج الصيغة الجـزيئـية.
• الأحمـاض الكربـوكسـيلية ذات الحجـم الصغيـر (1 - 4 ذرات كربون) ذات قـابـلية الـذوبان في المــاء.
• بينما ذوات الحجم الأكبر (5 ذرات فأكثر) تقل قابلية الذوبان لديها، وهذا يعود إلى ازدياد عدد ذرات الكربون في المركب.
• وكما هومعلوم أن ذرات الكربون كارهة للماء، لذلك هي ميالة أكثر لأن تذوب في المحاليل الأقل قطبية كالإيـثرات والكحول.
• فعليًا، تعتبر هذه المركبات أحماضا ً ضعيفة، أي أنها تتفكك وتتحلل جزئيا ً لتعطي H+ وRCOO− في المحاليل المائية.

استقرارية الحمض

• إذا تمعنا في التأثير الحثي))، نجد أن تفسير حمضية الأحماض الكربوكسيلية يعود إلى ذرة الأكسجين ذات السالبية الكهربائية.
• والتي بدورها تقوم بتدمير السحابة الإلكترونية المحيطة على الرابطة O-H وبالتالي إضعافها.
• هذي الرابطة الضعيفة تجعل الجزيء أقل استقرارًا، كما تجعل ذرة الهيدروجين أقل استقرارًا وثباتيةً.
• وبالتالي يسهل تفكها ليعطينا بروتونًا موجبًا H+. (تعريف برونشتد ولاوري للمركبات الحمضية).
• وبما أن الحمض غير مستقر، هذا سيؤدي إلى أن التوازن سيتجه لجهة اليمين أكثر.
• في حال إضافة ذرات أومجموعات ذات سالبية كهربائية عالية للمركب مثل الكلور وذرة الهيدروكسيل، تزيد من الحامضية بالتأثير الحثي.
• على سبيل المثال، ثلاثي كلوروحمض الخل (3 ذرات كلور) أقوى حامضية من حمض اللبن (ذرة هيدروكسيل واحدة)، والذي بدوره يعتبر أقوى حامضية من حمض الخل (لا يحتوي على إضافات).

استقرارية القاعدة المقترنة

• يمكن تفسير حمضية الأحماض الكربوكسيلية عن طريق التـأثـيـر الـرنيني.
• فبعد تفكك الحمض الكربوكسيلي ينتج مركب ذات تأثير رنيني ثابت.
• بحيث يتم التشارك بالإشارة السالبة بين ذرتي الأكسجيــن.
• ويتواجد في الرابطة بين الكربون والأكسجين ما يعرف بـ (خصائص الرابطة المزدوجة).
• فبما أن القاعدة المقترنة مستقرة، إذن فإن سهم التوازن الأعلى يميل إلى جهة اليمين من التفاعل.

طرق تحضير وتصنيع هذه المركبات

يمكن تحضير هذه المركبات بعدة طرق... منها:

• أكسدة الكحول الأولية مع الألدهيدات بمؤكسدات قوية. مثل (كاشف تولن، برمنغنات البوتاسيوم).
• الأكسدة الكلية لذرة ألكيل مرتبطة مع حلقة بنزين. وذلك بغض النظر عن طول سلسلة ذرة الألكيل.
• تميؤ الاسترات أوالأميدات أوالنيترات بإضافة قاعدة أوحمض.
• تفاعل كاشف جرينيارد مع ثاني أكسيد الكربون (على الرغم من عدم انتشار هذه الطريقة تجاريًا).

تفاعلاتها

هنا نذكر البعض من تفاعلات الأحماض الكربوكسيلية.

• تتفاعل الأحماض الكربوكسيلية مع القواعد لتكون أملاح الحمض. بحيث يتم استبدال ذرة الهيدروجين المتواجدة على الرابطة O-H بمعدن.

CH3COOH + NaHCO3 → CH3COONa + CO2 + H2O

• كما تتفاعل مع الكحول والأمينات لتنتج الاسترات والأميدات.
• تفاعلات آرندت إيستيرت، حيث يتم إدخال مجموعة α – ميثيلين للحمض الكاربوكسيلي.
• تفاعلات إعادة ترتيب كورتيس، تحول الحمض الكاربوكسيلي إلى أيزوسيانيت.
• تفاعلات شميديت، تحول الأحماض الكربوكسيلية إلى أمينات.
• في تفاعلات هندسديكر، يتم انتزاع ذرة كربوكسيل.
• تفاعلات ديكون ويست، تحول الأحماض الأمينية إلى كيتون أمين مماثــل.

تعتبر الاحماض الكربوكسيلية من أهم الاحماض العضوية من حيث وجودها واستخداماتها,

.(COOH وتتميز بوجود المجموعة الوظيفية المسماة كربوكسيل(

التسمية:

- للكثير منها أسماء شائعة.

- يرمز للحمض في نظام أيوباك بالنهاية "ويك" التي تلحق باسم الالكان مع اضافة كلمة حمض, ).CH3CH2COOH ) مثل: حمض بروبانوك

التحضير:

- من التحلل المائي للزيوت والدهون والنيتريلات.

- من أكسدة الكحولات الأولية, والالدهيدات, وبعض الالكينات, ومجموعات الالكيل المتصلة بحلقة البنزين.

للاحماض الكربوكسيلية القدرة على انشاء روابط هيدروجينية مع نفسها ومع الماء, مما يجعل درجات غليانها وذوبانها أكثر من الايثرات والكحولات والالدهيدات المتقاربة منها في أوزانها الجزيئية.

للاحماض الكربوكسيلية تفاعلات حمضية, حيث تكون أملاحا مع القلويات .

وتعزى زيادة الخاصية الحمضية لمجموعة الهيدروكسيل للأحماض عنها في الكحولات الى تأثير مجموعة الكربونيل التي ترتبط بها.

تتأين الأحماض الكربوكسيلية في أغلب الأحيان في المحلول في المحلول المائي بدرجة قليلة, وهي أحماض ضعيفة, تقل قوتها بدرجة كبيرة عن الأحماض المعدنية.

تتفاعل الأحماض الكربوكسيلية مع الكحولات في وجود مادة متنوعة للماء, لتعطي الاسترات المقابلة.

 

تسمية مع أمثلة للأحماض الكربوكسيلية ومشتقاتها

الأحماض الكربوكسيلية هي مركبات عضوية تتميز بالمجموعة الوظيفية المكونة من كربونيل وهيدروكسيل والمسماة كربوكسيل :

CO ) OH) -

ويمكن أن تتصل مجموعة الكربونيل بأي مجموعة أليفاتية أو أروماتية والتي منها يتحدد اسم الحمض .

للحمض الكربوكسيلي نظامي تسمية :

1) تسمية شائعة .

2) تسمية نظامية وفقا لقواعد أيوباك .

أولا : التسمية الشائعة :

تسمى العديد (وليس كل ) من الأحماض الكربوكسيلية بأسماء تجارية لا تخضع لقاعدة معينة و هي الاكثر استخداما, و سأعدد الأسماء التجارية للأحماض المحتوية على ذرة كربون واحدة إلى المحتوية على 10 ذرات كربون :

حمض فورميك HO(CO)-H

حمض أسيتيك HO(CO)-CH3

حمض بروبيونيك HO(CO)-CH2CH3

حمض بيوتريك HO(CO)-CHCH2CH3

حمض فاليريك HO(CO)-CH(CH2)2CH3

حمض كابرويك HO(CO)-CH(CH2)3CH3

حمض إينثانيك HO(CO)-CH(CH2)4CH3

حمض كابريليك HO(CO)-CH(CH2)5CH3

حمض بيلارجونيك HO(CO)-CH(CH2)6CH3

حمض كابريك HO(CO)-CH(CH2)7CH3

وهناك أحماض أخرى لها تسميات شائعة سنأتي على ذكرها فيما بعد .

ثانيا : التسمية النظامية :

وضعت أيوباك قواعد لتسمية الأحماض الكربوكسيلية ألخصها في النقاط التالية :

1) نختار أطول سلسلة محتوية على المجموعة الوظيفية وهي الكربوكسيل .

2) نبدأ الترقيم من ذرة الكربون في الكربونيل الموجودة في الكربوكسيل وذلك لأن الترقيم يبدأ من أفرب طرف في السلسلة المجموعة الوظيفية وباعتبار المجموعة الوظيفية هنا دائما طرفية ولا يمكن أن تكون وسطية .

3) تسمى الإستبدالات مسبوقة بأرقام مواضعها على السلسلة ثم تسمى السلسلة حسب كونها ألكان أو ألكين أو ألكاين مع مراعاة التالي :

يوضع بين الأرقام فواصل (, )وبين رقم وكلمة شرطات (-) وبين الكلمات لا شيء .

4) يضاف إلى الإسم المتكون المقطع (ويك ) في آخره وكلمة حمض في أوله وعندها نكون قد أنشأنا الإسم النظامي للحمض الكربوكسيلي .

ملاحظة : نلاحظ من القاعدة أن الخطوات رقم 1 و 2 و 3 مشتركة في قواعد تسمية جميع المركبات العضوية والإختلاف يكون في المجموعة الوظيفية واعتماد الترقيم بدءا منها .

وعلى ذلك يمكننا الآن تطبيق القاعدة على الأحماض العشرة .

(الإسم الشائع) (الصيغة البنائية) ( الإسم النظامي)

حمض فورميك HO(CO)-H حمض ميثانويك

حمض أسيتيك HO(CO)-CH3 حمض إيثانويك

حمض بروبيونيك HO(CO)-CH2CH3 حمض بروبانويك

حمض بيوتريك HO(CO)-CHCH2CH3 حمض بيوتانويك

حمض فاليريك HO(CO)-CH(CH2)2CH3 حمض بنتانويك

حمض كابرويك HO(CO)-CH(CH2)3CH3 حمض هكسانويك

حمض إينثانيك HO(CO)-CH(CH2)4CH3 حمض هبتانويك

حمض كابريليك HO(CO)-CH(CH2)5CH3 حمض أوكتانويك

حمض بيلارجونيك HO(CO)-CH(CH2)6CH3 حمض نونانويك

حمض كابريك HO(CO)-CH(CH2)7CH3 حمض ديكانويك

إليكم في هذا الدرس أمثلة على الأحماض الكربوكسيلية مصحوبة باسمها النظامي والشائع إن وجد ...

المثال الأول :

نلاحظ في الشكل أن الترقيم يبدأ من المجموعة الوظيفية وهي الكربوكسيل وتبعا لقواعد تسمية الحمض الكربوكسيلي فإننا نضع أولا رقم ذرة الكربون المحتوية على استبدال ثم نضع اسم الإستبدال على وزن ألكيل ثم اسم السلسلة وبعدها المقطع ويك .

إذن اسم الحمض ...حمض 2 - ميثيل بروبانويك .

المثال الثاني

حمض اللاكتيك ...وأما اسمه النظامي فكما نلاحظ في الصيغة البيانية فإن الترقيم يبدأ من مجموعة الكربوكسيل ..ويوجد استبدال في الذرة رقم 2 وهي ( هيدروكسي ) ...ومن ثم نسمي اسم السلسلة وهي بروبان ...

إذن ..الإسم النظامي لهذا الحمض هو حمض 2-هيدروكسي بروبانويك .

ومن خلال هذا المثال يمكننا طرح سؤال....

لماذا اعتبرنا المركب حمض كربوكسيلي ولم نعتبره كحول لوجود مجموعة الهيدروكسيل التي هي المجموعة الوظيفية المميزة للكحول؟!

الجواب في سلسلة النشاطية...

تعارف على أن المجموعة الوظيفية الأنشط تكون هي الغالبة في المركب...

وسلسلة النشاطية بين مركبات الكربونيل والمركبات المحتوية على أكسجين هي كالتالي :

حمض كربوكسيلي > ألدهيد > كيتون > كحول > إيثر > ألكاين > ألكين > ألكان .

حيث تدل علامة > على الأنشط .

وعليه فإن المجموعة الوظيفية الأقل نشاطا سوف تسمى كمجموعة مستبدلة كالآتي :

الكربونيل(CO) تسمى أوكسو

الهيدروكسيل(OH) تسمى هيدروكسي

الأمين(NH2) تسمى أمينو

الألكوكسيد(OR) تسمى ألكوكسي

الهالوجين(X) يسمى على وزن هالو مثل (كلورو) .

المثال الثالث :

في هذا المركب نرى استبدال يسمى أوكسو في الذرة رقم 2 ...لذلك يسمى المركب كالآتي :

حمض 2 - أوكسو بروبانويك...أما الإسم الشائع فهو حمض البيروفيك.

المثال الرابع :

وهذا أصغر حمض كربوكسيلي أروماتي ...حمض البنزويك.

المثال الخامس:

وهذا حمض أروماتي مستبدل بالميثيل .

ونلاحظ في التسمية النظامية أن مواضع الإستبدالات يستدل عليها بالأرقام أما في التسمية الشائعة فتوصف كالآتي :

المواقع 2 , 6 تسمى (أورثو ) .

والمواقع 3 , 5 تسمى (ميتا ) .

والموقع 4 يسمى (بارا) .

باعتبار الذرة رقم 1 من الحلقة هي المتصلة بالمجموعة الوظيفية .

وعليه فإن تسمية المركب الأخير تكون كالتالي :

حمض أورثو - ميثيل بنزويك .

والإسم الشائع لهذا المركب هو حمض أورثو - تولويك .

المثال السادس :

حمض أروماتي مستبدل بالهيدروكسيل .

ويسمى أورثو - هيدروكسي بنزويك .

واسمه الشائع حمض السلسليك.

المثال السابع :

حمض ميتا نيترو بنزويك