I.6. Compuși carboxilici.

Acizii carboxilici sunt acizi organici care conțin în molecula lor o grupă funcțională carboxil, -C(=O)OH, legată direct de atomul de carbon carbonilic.

Formula generală a unui acid carboxilic

Denumirea acizilor carboxilici:

Denumirea acizilor carboxilici se formează din cuvântul acid urmat de numele hidrocarburii cu același număr de atomi de carbon, la care se adaugă sufixul “-oic”.

Exemple:

- Acid metan_oic_ (denumire uzuală -acid formic): H-COOH

- Acid etan_oic_ (denumire uzuală -acid acetic): CH₃-COOH

- Acid propan_oic_ (denumire uzuală -acid propionic): CH₃-CH₂-COOH

În cazul acizilor care au în moleculă catene ramificate, trebuie să se precizeze poziția lor. Se numerotează atomii de carbon din catena de bază începând cu atomul de C din gruparea carboxil.

De exemplu:

• Acid 2-etilpropanoic :

Tabel cu acizi carboxilici cu catenă neramificată și saturată

Structura acizilor carboxilici:

Grupa carboxil conține doi atomi de oxigen legați de același atom de carbon:

• Un atom de O este legat printr-o legătură dublă de atomul de carbon : -C = O;

• Celălalt atom de O care face parte din gruparea hidroxil este legat printr-o legătură simplă de atomul de carbon : -C-O-H.

Formula generală a unui acid carboxilic

Cum atomul de O din gruparea carboxil este mult mai electronegativ decât atomii de C și H, acesta va avea o densitate de sarcină negativă care va determina polarizarea grupării.

Polarizarea grupei carboxil are ca efect slăbirea legăturii dintre atomii de O și H din grupa hidroxil, astfel încât atomul de H poate să fie cedat ca ion H⁺ (proton) în unele reacții chimice ale acizilor carboxilici.

Atomul de hidrogen din gruparea carboxil (−COOH) poate fi eliberat sub formă de proton (H⁺), în procesul de ionizare:

R-COOH + H₂O ⇄ R-COO⁻ + H3O⁺

Acizii carboxilici sunt acizi slabi, deoarece în soluții apoase și în condiții standard de temperatură și presiune. Acidul disociat coexistă în echilibru cu forma nedisociată, spre deosebire de acizii tari care sunt complet disociați.

Acizii carboxilici participă la toate reacțiile specifice acizilor: cu metale reactive (situate înaintea H₂ în seria activității metalelor), cu oxizi metalici, cu hidroxizi, cu săruri provenite de la acizi mai slabi decât ei (de exemplu, cu carbonați, deoarece acidul carbonic este un acid mai slab decît acizii carboxilici).

Acizii carboxilici participă și la reacții specifice lor, de exemplu reacția cu alcooli (reacția de esterificare).

👀 Experiment: Arderea acidului acetic
🔥 Atenție! Acidul acetic concentrat este coroziv și de aceea trebuie manipulat cu precauție sub nișă și cu mănuși rezistente din cauciuc nitril, deoarece poate provoca arsuri cutanate, leziuni oculare permanente și iritarea mucoaselor!
🔥 Atenție! Acidul acetic concentrat se aprinde la temperaturi ce depășesc 40 °C!

Materiale necesare:
Capsulă de porțelan, acid acetic, chibrit, spirtieră cu trepied și sită de azbest.

Descrierea experimentului:

• Pune într-o capsulă 2-3 ml de acid acetic și încearcă să îl aprinzi.
• Ce observi ?

  Acidul acetic la temperatura camerei nu poate fi aprins.

• Încălzește acidul acetic pe sita de azbest și încearcă să îl aprinzi.
• Ce observi ?

  Când acidul acetic este încălzit, vaporii săi ard.

Concluzia experimentului:
Vaporii acidului acetic concentrat se aprind la temperaturi ce depășesc 40 °C.

CH₃-COOH + 2O₂ → 2CO₂ ↑ + 2H₂O

În general, prin reacțiile acizilor cu compuși organici sau anorganici se formează derivați funcționali ai acizilor carboxilici cu formula generală:

Derivații funcționali ai acizilor carboxilici formează prin hidroliză acizii carboxilici de la care provin.

Tabel cu cei mai importanți derivați funcționali ai acizilor carboxilici

Utilizările derivațiilor funcționali ai acizilor carboxilici:

1. Esterii sunt cei mai importanți derivați funcționali ai acizilor carboxilici. Ei sunt folosiți în principal ca solvenți organici, în industria alimentară, drept esențe aromate și în cosmetică (parfumuri, creme, șampoane etc.).

- Esența de rom: formiat de etil (HCOO-C₂H₅) sau butirat de etil (C₃H₇-COO-C₂H₅)

- Esența de ananas: propionat de etil (C₂H₅-COO-C₂H₅) sau butirat de etil (C₃H₇-COO-C₂H₅)

- Esența de banane: acetat de amil (CH₃-COO-C₅H₁₁)

- Esența de mere: butanoat de metil / butirat de metil (C₃H₇-COO-CH₃)

- Esența de caise: butanoat de pentil / butirat de pentil (C₃H₇-COO-C₅H₁₁)

- Esența de pere: butiratul de izoamil (C₃H₇-COO-C₅H₁₁) sau acetat de amil (CH₃-COO-C₅H₁₁)

- Esența de portocale, lămâi, grapefruit: acetat de octil (CH₃-COO-C₈H₁₇)

- Parfumuri cu aromă de iasomie: acetatul de benzil (CH₃-COO-CH₂C₆H₅) și propionatul de benzil (C₂H₅-COO-CH₂C₆H₅).

- Solvent pentru lacuri și vopsele: acetat de etil (CH₃-COO-C₂H₅)

- Poliacetatul de vinil: se întrebuințează pe scară largă la fabricarea lacurilor, a vopselelor, a adezivilor, fibrelor textile artificiale : acetat de vinil (CH₃-COO-CH = CH₂).

2. Nitrilii sunt utilizați la obținerea unor medicamente (de la vildagliptin, un medicament antidiabetic, la anastrozol, care este cel mai bun tratament pentru tratarea cancerului de sân). Nitrilii sunt intermediari importanţi în sintezele organice.

- Cauciucul nitrilic, este un copolimer format din acrilonitril și butadienă (acrilonitril-butadienă) folosit în producerea mănușilor medicinale.

- Cianoacrilatul de metil este folosit în producerea lipiciului instant (Super Glue).

- Acrilonitrilul (CH₂=CH-CN) este folosit pentru obținerea poliacrilonitrilului (prin procesul de polimerizare), compus macromolecular ce se utilizează pentru obținerea fibrelor sintetice (melană), a cauciucului sintetic (pentru roțile autoturismelor) etc.

3. Halogenurile acide (halogenurile de acil) sunt utilizate ca și intermediari în sinteza altor compuși organici.

- Clorura de acetil este folosită ca agent de acetilare pentru obținerea esterilor și amidelor.

Iodura de acetil este produsă pe scară largă pentru obținerea de acid acetic.

4. Amidele alcătuiesc aminoacizii, ADN-ul, ARN-ul, hormonii și vitaminele. În industrie, acestea se găsesc în mod obișnuit sub formă de uree (un produs rezidual al animalelor), în industria farmaceutică (de exemplu, ca componentă principală a paracetamolului, penicilinei și LSD) și ca poliamidă în cazul nailonului și kevlarului.

- Nailonul (fibră textilă poliamidică obţinută pe cale sintetică) este un material termoplastic mătăsos, folosit pentru fabricarea periuțelor de dinți, ciorapilor de damă, hainelor, costumelor de sport (patinaj viteză, schi, snowboard, scrimă), costumelor de baie, frânghiilor, periilor, a corzilor de instrumente muzicale, parașutelor, corturi, copertine, airbag-uri , proteze stomatologice, folii alimentare, saci etc.

5. Anhidridele acide sunt utilizate pentru a modifica structurile polimerice, creând noi polimeri (copolimeri, rășini, acoperiri etc.).

- Anhidrida acetică -CH₃C(O)OC(O)CH₃- se folosește ca agent de acetilare în industria medicamentelor (de exemplu, la obținerea aspirinei) și a parfumurilor.

- Anhidrida maleică, C₂H₂(CO)₂O, este utilizată pentru producția de rășine de poliester nesaturate, rășini alchidice, pesticide etc. Anhidrida maleică se dimerizează în timpul unei reacții fotochimice la "dianhidrura ciclobutanetetracarboxilică", CBTA, utilizat în producția de poliimide și ca film de aliniere pentru afișajele cu cristale lichide.

- Anhidridă benzoică, (C₆H₅CO)₂O,este utilizată pentru obținerea esterilor benzoici (folosiți drept conservanți în produsele cosmetice și în parfumuri), ca agent benzoilant în sinteze organice, în special în produse farmaceutice (expectorant, analgezic, antiseptic) și coloranți, pentru sinteza esterilor acidului carboxilic și a lactonelor.

- Anhidridă ftalică, C₆H₄(CO)₂O, este folosită în industrie ca plastifiant pentru producerea materialelor plastice, la obținerea coloranților și rășinilor sintetice.