K ARBOXYLOVÉ KYSELINY RNDr. Marta Najbertová

Gymnázium a Jazyková škola s právem státní jazykové zkoušky Svitavy Název školy Gymnázium a Jazyková škola s právem státní jazykové zkoušky Svitavy Adresa školy Sokolovská 1638 IČO Operační program Operační program Vzdělávání pro konkurenceschopnost Registrační číslo CZ.1.07/1.1.28/ Označení vzdělávacího materiálu K_INOVACE_1.CH.22 Vzdělávací oblast Člověk a příroda Vzdělávací obor Chemie Tematický okruh Deriváty uhlovodíků – karboxylové kyseliny Zhotoveno Ročník Vyšší stupeň osmiletého gymnázia a čtyřleté gymnázium (RVP – G) Anotace Materiál je určen jako studijní materiál v předmětu chemie. Je zaměřen na obecnou charakteristiku, rozdělení, vlastnosti a popis zástupců karboxylových kyselin. Předpokládá zvládnutí teorie chemické vazby a obecné chemie. Materiál je určen pro seminář chemie, lze jej využít i v hodinách chemie.

Obecná charakteristika Karboxylové kyseliny jsou organické sloučeniny, ve kterých je v původní molekule uhlovodíku jeden nebo více atomů vodíku nahrazen – COOH skupinou. Obecný vzorec je R-COOH. karboxylová kyselinadikarboxylová kyselina aromatická karboxylová kyselina

Názvosloví 1. Nesystematické (triviální) – bude uvedeno u jednotlivých zástupců. 2. Systematické (substituční) a) koncovka -ová – přednostně využívána Název se skládá z podstatného jména kyselina a přídavného jména, jehož základ je tvořen českým názvem původního uhlovodíku s příponou -ová. Uhlík karboxylové skupiny je započítán do základního řetězce. kyselina methanovákyselina propanová kyselina pentan-1,5-diová

Názvosloví Základní řetězec číslujeme vždy tak, aby atom uhlíku, který je součástí karboxylové skupiny, měl co nejnižší číslo. Je-li v molekule přítomna pouze jedna karboxylová skupina na koncovém atomu uhlíku, není nutné vyjadřovat její polohu číslem. kyselina pent-4-en-1-ová kyselina hex-2-en-1,6-diová Řetězec číslujeme tak, aby atom uhlíku, ze kterého vystupuje násobná vazba, měl co nejnižší číslo.

Názvosloví b) koncovka karboxylová Je-li struktura složitější nebo je těžké vyjádřit všechny karboxylové skupiny v příponě, použije se pro jejich vyjádření slovo -karboxylová. Uhlík karboxylové skupiny není započítán do základního řetězce. Název je tvořen základem názvu uhlovodíku s připojením koncovky karboxylová a podstatného jména kyselina. Počet skupin vyjádřen obvyklou předponou. propan -1,2,3-trikarboxylová kyselina 2-hydroxy- propan -1,2,3-trikarboxylová kyselina

Názvosloví Obdobná je situace u cyklických karboxylových kyselin. cyklohexankarboxylová kyselina benzen – 1,2-dikarboxylová kyselina

Rozdělení a) podle počtu karboxylových skupin monokarboxylové – jedna skupina dikarboxylové – dvě skupiny trikarboxylové – tři skupiny CH 3 COOH HOOC-COOH HOOC-CH 2 -CH(COOH)-CH 2 -COOH jednosytné vícesytné

Rozdělení b) podle typu vazby v základním řetězci. nasycené – nemají v řetězci násobnou vazbu nenasycené – mají v řetězci násobnou vazbu aromatické – mají v molekule aromatický cyklus cyklické – mají v molekule cyklus

Fyzikální vlastnosti Přítomnost karboxylové skupiny umožňuje tvorbu vodíkových můstků=> zvýšení bodu varu. methan-161,6°Ckyselina methanová100,8°C ethan -88,7°C kyselina ethanová117,9°C Vytvářejí se dimerní až polymerní struktury.

Fyzikální vlastnosti Se vzrůstajícím počtem atomů C v řetězci vzrůstá bod varu=> nižší jsou zapáchající kapaliny, vyšší pevné látky bez zápachu. Nižší jsou dobře rozpustné ve vodě v důsledku tvorby vodíkových můstků mezi molekulou kyseliny a vody. Se vzrůstajícím počtem atomů C v řetězci klesá rozpustnost – alkyly brání tvorbě vodíkových můstků.

Acidobazické vlastnosti. Karboxylové kyseliny jsou řazeny mezi slabé kyseliny. Působením slabých bází (H 2 O) je ionizace velmi malá. Působením silných bází (hydroxidy, uhličitany a hydrogenuhličitany alkalických kovů) probíhá téměř úplně podle rovnice (neutralizace): Vznikají tak soli karboxylových kyselin. Schopnost odštěpit proton klesá se vzrůstajícím počtem atomů uhlíku v řetězci. Na sníženou kyselost vodíku hydroxylu má vliv přítomnost alkylového zbytku na uhlíku karboxylu (+I). Nejsilnější kyselinou je tak kyselina methanová.

kyselina methanovákyselina ethanová kyselina propanová pK A = 4,88 pK A = 4,76 pK A = 3,75 Acidobazické vlastnosti. Aromatické karboxylové kyseliny jsou silnějšími kyselinami než jejich nearomatické analogy. Odštěpením vodíku vzniká aniont, jehož záporný náboj je stabilizován delokalizací v celé sloučenině. kyselina benzenkarboxylovápK A = 4,21

Chemické vlastnosti - neutralizace Vzhledem k elektronegativitě kyslíku je rozdělení nábojů v molekule karboxylové kyseliny následující: Reakčním centrem tak může být kyslík s částečným záporným nábojem => elektrofilní substituce vodíku – vznikají tak soli karboxylových kyselin s iontovou strukturou. Neutralizace

Reakčním centrem může být i uhlík s částečným kladným nábojem=> Chemické vlastnosti – nukleofilní adice nukleofilní adice. Nukleofilní činidla vzhledem ke své bazicitě přednostně vytrhávají proton z karboxylu za vzniku stabilního aniontu karboxylu (teorie rezonance). Adice tak probíhá pouze po předchozí protonizaci minerální kyselinou (viz esterifikace).

Esterifikace Reakce COOH skupiny karboxylové kyseliny a OH skupiny alkoholu. Vznikají průmyslově a biochemicky významné skupiny látek - estery (léčiva, výbušniny, lipidy, nukleové kyseliny…). methanol + kyselina ethanovámethylester kyseliny ethanové Reakce je reversibilní, zpětná reakce se označuje jako kyselá hydrolýza. Rovnováha je biochemicky důležitá při vzniku, případně odbourávání výše uvedených látek.

Esterifikace Ve skutečnosti probíhá reakce následujícím mechanismem: prvním krokem je protonizace silnou minerální kyselinou, na vzniklý kation se nukleofilní adicí připojí alkohol následnou eliminací vody a protonu vznikne ester

Alkalická hydrolýza Zmýdelnění - produktem jsou původní alkoholy a soli karboxylových kyselin, které se označují jako mýdla. Toto označení má ale logiku pouze pro řetězce s dostatečným počtem atomů uhlíku v karboxylové kyselině. Ve skutečnosti probíhá reakce následujícím mechanismem:

Oxidačně redukční reakce Oxidace a redukce téměř neprobíhají, reagují pouze kyseliny methanová a šťavelová. Zvýšení teploty může vést k produktům: + H 2 O + CO 2 + H 2 O kyselina šťavelovákyselina metanová + oxid uhličitý kyselina maleinová maleinanhydrid + voda kyselina adipová cyklopentanon + oxid uhličitý + voda

Nasycené monokarboxylové kyseliny Kyselina methanová, H-COOH (mravenčí) – nejsilnější kyselina. Součást ochranných tekutin – mravenci, včely, kopřivy, pot. Jako formyl koenzym A se účastní metabolismu látek s lichým počtem atomů uhlíku. Kyselina ethanová, CH 3 -COOH (octová) – nejrozšířenější. Pro průmyslové účely výroba oxidací alkanů nebo ethanalu, pro potravinářské účely mikrobiální oxidací ethanolu. Čistá tuhne při 17°C – ledová kyselina octová. Používá se k výrobě acetátů celulózy (vlákna, plasty), vinylacetátu (lepidla), jako 8% roztok v potravinářství, výroba léčiv (Acylpirin). Jako acetyl - koenzym A se účastní metabolismu látek se sudým počtem atomů uhlíku, vystupuje jako intermediální metabolická látka ve většině anabolických a katabolických metabolických dějů.

Nasycené monokarboxylové kyseliny Kyselina butanová, CH 3 -CH 2 -CH 2- COOH (máselná) – olejovitá kapalina nepříjemně páchnoucí (pot), jako ester přítomna v lipidech, při jejich rozkladu způsobuje charakteristický zápach (žluklé máslo). „Mastné“ kyseliny – kyseliny s vyšším počtem atomů uhlíku (C 12 -C 24 ) – přítomny v lipidech, způsobují jejich „tuhost“: kyselina laurová: CH 3 (CH 2 ) 10 COOH kyselina myristová: CH 3 (CH 2 ) 12 COOH kyselina palmitová: CH 3 (CH 2 ) 14 COOH kyselina stearová: CH 3 (CH 2 ) 16 COOH

Nasycené dikarboxylové kyseliny. Kyselina ethan-1,2-diová, HOOC-COOH (šťavelová) – v ovoci a zelenině – ve formě draselné nebo vápenaté soli. Je nejsilnější nesubstituovanou karboxylovou kyselinou – odštěpením vodíkových protonů vzniká stabilní aniont. Je toxická - iontovou vazbou s kationty tvoří nerozpustné soli (šťavelan vápenatý) => selhání ledvin, hypokalcemie = neurotoxické projevy až zástava srdce. Standardní látka v manganometrii – lze připravit roztok o přesné koncentraci a podle ní se zjišťuje přesná koncentrace titračních roztoků. Je meziproduktem Krebsova cyklu.

Kyselina butan-1,4-diová, HOOC- (CH 2 ) 2 -COOH (jantarová) – v jantaru, ovoci, víně. Meziprodukt Krebsova cyklu. Nasycené dikarboxylové kyseliny. Kyselina hexan-1,6-diová, HOOC- (CH 2 ) 4 -COOH (adipová) – k výrobě polyamidového vlákna Nylon 6,6 – kondenzační polymerací s hexamethylendiaminem. Používá se do tablet s řízeným uvolňováním léčiva pro slabě zásadité i slabě kyselé léčivé látky.

Nenasycené monokarboxylové kyseliny. Kyselina prop-2-enová, CH 2 =CH-COOH (akrylová) – k výrobě polyakrylátů – nátěry, lepidla. Polymerací jejího metyl derivátu vznikají organická skla a licí pryskyřice – plexisklo, dentacryl, duracryl. Přítomnost násobné vazby podmiňuje cis a trans prostorové uspořádání cis izomertrans izomer Cis, trans prostorové uspořádání výrazně mění strukturu sloučeniny, v případě přírodních látek i jejich biologické vlastnosti a funkci.

„Mastné“ kyseliny – kyseliny s vyšším počtem atomů uhlíku (C 12 -C 24 ) – přítomny v lipidech, způsobují jejich „tekutost“. Nenasycené monokarboxylové kyseliny. kyselina palmitoolejová CH 3 -(CH 2 ) 5 -CH=CH- (CH 2 ) 7 -COOH kyselina olejová CH 3 -(CH 2 ) 7 -CH=CH-(CH 2 ) 7 -COOH kyselina linolová CH 3 -(CH 2 ) 4 -CH=CH-CH 2 -CH=CH-(CH 2 ) 7 -COOH kyselina linoleová CH 3 -CH 2 -CH=CH-CH 2 -CH=CH-CH 2 -CH=CH-(CH 2 ) 7 -COOH kyselina arachidonová CH 3 -(CH 2 ) 4 -CH=CH-CH 2 -CH=CH-CH 2 -CH=CH-CH 2 -CH=CH-(CH 2 ) 3 -COOH kyselina eikosapentaenová kyselina dokosahexaenová

Nenasycené dikarboxylové kyseliny kyselina but-2-en-1,4-diová, HOOC-CH=CH-COOH cis = maleinová - polyestery s 1,2-propylenglykolem jako zalévací pryskyřice, laminovací hmoty, lepidla. trans = fumarová - meziprodukt metabolických dějů (Krebsův cyklus), regulátor kyselosti v potravinách (E297).

Aromatické karboxylové kyseliny Kyselina benzoová, C 6 H 5 COOH – vyrábí se katalytickou oxidací toluenu kyslíkem. Jedovatá. Výchozí látka pro organické syntézy (fenol). V potravinářství jako konzervant (čistá - E210, její soli E211 – E213); v kožním lékařství a kosmetických přípravcích (akné). derivát benzoylperoxid – bělící účinky => bělení zubů, výroba mouky, cukru ….

Aromatické karboxylové kyseliny Kyselina ftalová (1,2- benzendikarboxylová), C 6 H 4 (COOH) 2 – vyrábí se oxidací naftalenu nebo o-xylenu. Použití k výrobě ftalanhydridu, z něj indikátorová barviva (fenolftalein) a lamináty, k výrobě sacharinu a ftalátů. Ftaláty – změkčovadla plastů – umožňují posun makromolekul po sobě – estrogenní účinky, toxické pro ledviny a játra, alergeny – kontaminace ze zdravotnického materiálu, obalů od tekutin a potravin. kyselina ftalováftaláty

Aromatické karboxylové kyseliny Kyselina tereftalová (1,4-benzendikarboxylová, C 6 H 4 (COOH) 2, vyrábí se oxidací p-xylenu. K výrobě nemačkavých umělých vláken – zkratka PES – polyesterifikace ethandiolu kyselinou tereftalovou. K výrobě plastových lahví a obalových folií – PET – polyethylentereftalát. kyselina tereftalová polyethylentereftalát

Gymnázium a Jazyková škola s právem státní jazykové zkoušky Svitavy Materiál je určen pro bezplatné používání pro potřeby výuky a vzdělávání na všech typech škol a školských zařízeních. Jakékoliv další využití podléhá autorskému zákonu. Zdroje a použitá literatura 1. ČERVINKA, Otakar a kol. Mechanismy organických reakcí: učebnice pro vys. školy chemickotechnologické. 1. vyd. Praha: SNTL, , [1] s. Řada chemické literatury. 2. HALBYCH, Josef a KLÍMOVÁ, Helena. Didaktika organické chemie: příklady vyučovacích postupů. 1. vyd. Praha: Univerzita Karlova, s. 3. MCMURRY, John. Organická chemie. Vyd. 1. V Brně: VUTIUM, xxv, 1176, 61, 31 s. Překlady vysokoškolských učebnic; sv. 2. ISBN PACÁK, Josef. Stručné základy organické chemie. 1. vydání. Praha: SNTL Nakladatelství technické literatury, Řada chem. literatury. 5. Fotografie a vzorce z vlastní databáze autora. Vytvořeny programy ACD FREE 12, Snagit