Karboksilne kiseline i esteri

Karboksilne kiseline

Organske kiseline su organski spojevi koji imaju kisela svojstva. Najčešće među njima su karboksilne kiseline.

Karboksilne kiseline sadrže jednu ili više karboksilnih skupina (–COOH) vezanih za ugljikovodični dio molekule (–R).

Atom ugljika karboksilne skupine s jednim je atomom kisika povezan dvostrukom vezom, dok je s atomom kisika hidroksilne skupine i atomom ugljika ugljikovodičnog lanca ili prstena, odnosno atomom vodika kod metanske kiseline, povezan dvjema jednostrukim vezama.

Karbiksilne kiseline dijele se prema prema broju hidroksilnih skupina na monoprotonske i poliprotonske, pri čemu se monoprotonske dijele još kao što je prikazano na slici.

Alifatske acikličke karboksilne kiseline sustavno se imenuju tako da se imenu osnovnog ugljikovodika na koji je vezana karboksilna skupina doda nastavak –ska kiselina.

Karboksilna skupina uvijek je na početku ugljikovodičnog lanca i numeriranje najduljeg lanca počinje od nje.

Homologni niz monokarboksilnih alifatskih kiselina prikazan je u tablici.

Karboksilne kiseline s većim brojem atoma ugljika u lancu (uglavnom od 12 do 22) nazivaju se masnim kiselinama i sastavne su komponente triglicerida, estera u sastavu masti i ulja. U uporabi su najčešće njihova trivijalna imena.

Monokarboksilne kiseline u čijim je molekulama karboksilna skupina neposredno vezana na ciklički ugljikovodik, alifatski ili aromatski, imenuju se tako da se imenu cikličkog ugljikovodika doda nastavak –karboksilna kiselina.

Dikarboksilne kiseline sadržavaju samo dvije karboksilne skupine.

Karboksilne kiseline dijele se i prema supstituentima glavnog ugljikovodičnog lanca. Pa tako, ukoliko je hidroksilna skupina supstituent glavnog ugljikovodičnog lanca, ona se naziva hidroksikarboksilne kiseline. Njezin položaj na lancu označava brojem ispred odgovarajućeg prefiksa.

Međumolekulske interakcije

Glavne međumolekulske interakcije između molekula karboksilnih kiselina jesu vodikove veze. Karboksilne kiseline, s drugom karboksilnom kiselinom, mogu na više načina tvoriti vodikove veze, a zanimljiv je primjer kada se povezuju dvjema vodikovim vezama.

Također, karboksilne kiseline tvore vodikove veze s molekulama vode.

Fizikalna svojstva karboksilnih kiselina

Karboksilne kiseline imaju više vrelište (zbog dvije vodikove veze) od alkohola slične molekulske mase. Karboksilne kiseline s manjim brojem C-atoma, tekućine su oštra mirisa, često neugodna, dok su kiseline s više od 10 C-atoma krutine, mirisa slabijeg intenziteta.

Kiseline s kraćim lancem dobro su topljive u vodi, vežu se vodikovim vezama. Kiseline s duljim lancem netopljive su u vodi jer se smanjuje utjecaj polarnog karaktera karboksilne skupine.

Kemijska svojstva karboksilnih kiselina

Vodikov atom, sastavni je dio karboksilne skupine, odgovoran je za kisela svojstva ove skupine spojeva. Karboksilne kiseline najjače su organske kiseline. U usporedbi s jakim anorganskim kiselinama karboksilne su kiseline relativno slabe. Konjugirana baza karboksilne kiseline, RCOO–, naziva se karboksilat.

Karboksilne se kiseline u reakciji s metalima i bazama (bazični oksidi ili hidroksidi) daju soli – karboksilate.

U reakciji karboksilne kiseline i metala nastaju sol i vodik.

2CH₃COOH(aq) + 2K(s) → H₂(g) + 2CH₃COOK(aq) (sol se zove kalijev etanoat ili kalijev acetat)

U reakciji karboksilne kiseline i oksida metala nastaju sol i voda.

2HCOOH(aq) + MgO(s) → H₂O(l) + (HCOO)₂Mg(aq) (sol se zove magnezijev metanoat ili magnezijev formijat)

U reakciji karboksilne kiseline i lužine nastaju sol i voda.

2HCOOH(aq) + Ca(OH)₂(s) → 2H₂O(l) + (HCOO)₂Ca(aq) (sol se zove kalcijev metanoat ili kalcijev formijat)

Monokarboksilne kiseline moguće je pripraviti oksidacijom odgovarajućih primarnih alkohola ili aldehida uz uobičajene oksidanse poput kromova(VI) oksida (CrO₃), kalijeva dikromata (K₂Cr₂O₇) ili kalijeva permanganata (KMnO₄).

Octena kiselina u prirodi nastaje procesom oksidacije etanola, ali uz sudjelovanje odgovarajućih enzima. Tim se postupkom, stajanjem vina na zraku u prisutnosti bakterija Acetobacter aceti, dobije vinski ocat.

Derivati karboksilnih kiselina

Ukoliko se hidroksilna skupina karboksilne skupine zamijeni nekom drugom skupinom, tada više nemamo karboksilnu kiselinu, već derivat karboksilne kiseline. Postoji nekoliko takvih derivata.

Esteri

Esteri su derivati karboksilnih kiselina kod kojih je alkoksilna skupina vezana na acilnu skupinu.

Uz estere, i one prirodne, i one pripravljene u laboratoriju, uglavnom se vezuju mirisna svojstva. Mirisi nekih vrsta voća i cvijeća određeni su pristutnošću estera koji, u smjesi s ostalim sastojcima, daju miris prirodnom materijalu. Brojni sintetski esteri uporabljuju se kao arome u prehrambenoj industriji i kozmetici. Ipak, najveću skupinu prirodnih estera čine trigliceridi, esteri koje nalazimo u sastavu različitih masti i ulja.

Ime estera sastoji se od dva dijela.

Prvo se imenuje dio koji je pripadao alkoholu, tj. alkilna skupina (metil-, etil-, butil-, propil- itd.), a zatim se dodjeljuje ime koje pripada karboksilnoj kiselini tj. karboksilatu (metanoat, etanoat, propanoat...). Oba dijela imena odvajaju se crticom.

Fizikalna svojstva estera

Esteri nemaju polarnih skupina. Pošto nemaju polarnih skupina, to su hlapljivi spojevi ugodnog mirisa u voću i cvijeću.

Esteri su neutralne tekućine, slabo topljive u vodi te se ne miješaju s vodom. Dobro su topljivi u organskim otapalima (etanol, eter, CHCl₃ – kloroform).

Imaju znatno niža vrelišta od odgovarajućih karboksilnih kiselina, jer ne mogu tvoriti vodikove veze.

Kemijska svojstva estera

Esteri se mogu dobiti reakcijom alkohola i karboksilne kiseline, u prisutnosti kiselog katalizatora, najčešće sumporne kiseline. Ta se kemijska reakcija zove esterifikacija.

Priprava estera iz karboksilnih kiselina i alkohola je supstitucijska reakcija u kojoj se hidroksilna skupina molekule karboksilne kiseline zamjenjuje alkoksidnom (–OR).

Pr. Što se dogodi u reakciji octene kiseline i metanola u kiselom mediju?

Reakcija suprotna esterifikaciji zove se hidroliza estera.

Hidroliza estera može teći i u kiselim i u baznim uvjetima.

Kiselom hidrolizom estera nastaju karboksilna kiselina i alkohol.

Kod hidrolize estera u baznim uvjetima baza služi kao reaktant.

Kao uobičajene baze koriste se natrijeva i kalijeva lužina. Hidroliza u baznim uvjetima nepovratan je proces. Bazna hidroliza estera naziva se i saponifikacija jer se takvim postupkom iz masti dobivaju sapuni.

Postupak proizvodnje sapuna poznat je od davnina jer su još stari narodi zagrijavanjem životinjskih masti pomiješanih s pepelom dobivali sapune.

Baznom hidrolizom masti i ulja nastaju soli masnih kiselina – sapuni.