U sadržaju ove nastavne teme naučit ćete više o skupini organskih kiselina, tzv. karboksilnim kiselinama.

ISHODI UČENJA

Usvajanjem sadržaja ove Teme moći ćete odgovoriti na sljedeća pitanja:

• Koja funkcionalna skupina karakterizira karboksilne kiseline? Prikaži strukturno tu funkcionalnu skupinu!
• Koji su prirodni izvori karboksilnih kiselina?
• Koje je osnovno svojstvo karboksilnih kiselina?
• Objasni princip imenovanja alifatskih i aromatskih karboksilnih kiselina?
• Navedi fizikalna svojstva karboksilnih kiselina?
• Koje su kemijske reakcije karakteristične za karboksilne kiseline? Napiši te kemijske reakcije!
• Kako dobivamo karboksilne kiseline? Napiši kemijske reakcije!
• Koje su najznačajnije monokarboksilne kiseline? Ukratko pojasni važnost svake od njih!
• Koje su najznačajnije dikarboksilne kiseline?
• Pojasni važnost oksalne kiseline!

UVOD

Karboksilne kiseline su prvi organski spojevi dobiveni iz prirodnih izvora (ocat-octena kiselina, limun-limunska kiselina, mlijeko-mliječna kiselina). Karboksilne kiseline u svojoj strukturi kao funkcionalnu skupinu imaju karboksilnu skupinu -COOH koja ima kisela svojstva.

Opća formula karboksilnih kiselina je R-COOH pri čemu R skupina može biti alkilna ili arilna (aromatska) skupina.

Karboksilne kiseline mogu sadržavati jednu karboksilnu skupinu-MONOKARBOKSILNE KISELINE, dvije-DIKARBOKSILNE KISELINE, itd.

U reakciji sa bazama, karboksilne kiseline lako gube proton pri čemu nastaje karboksilat-anion.

Karboksilne kiseline su znatno slabije kiseline od anorganskih kiselina.

Imenovanje karboksilnih kiselina

Određivanje naziva karboksilnih kiselina objasnit ćemo na primjeru:

Imenovanje karboksilnih kiselina sa aromatskom skupinom pogledajte na sljedećem primjeru:

Trivijalni naziv za benzenkarboksilnu kiselinu je benzojeva kiselina.

Svojstva karboksilnih kiselina

Fizikalna svojstva

Karboksilna funkcionalna skupina je izrazito polarna skupina te se ovi spojevi međusobno povezuju vodikovim vezama tvoreći dimere koji se mogu nalaziti u čvrstom, tekućem, ali i u plinovitom stanju. Karboksilne kiseline imaju viša tališta i vrelišta od odgovarajućih alkohola. Karboksilne kiseline sa manjim brojem C-atoma su dobro topljive u vodi.

Karboksilne kiseline sa manjim brojem C-atoma su tekućine oštra mirisa topljive u vodi, dok su više karboksilne kiseline (10 C-atoma i više) čvrste tvari slabijeg mirisa, netopljive u vodi.

Kemijska svojstva

Osnovno svojstvo karboksilne skupine (-COOH) je njezina kiselost i lako otcjepljenje protona (H⁺). U reakcijama sa metalima (alkalijski i zemnoalkalijski metali) i njihovim hidroksidima dolazi do otcjepljenja protona na čije mjesto dolazi kation metala i nastaje kemijski spoj koji nazivamo sol.

2HCOOH + 2Na → 2HCOONa + H₂

HCOOH + NaOH → HCOONa + H₂O

Soli karboksilnih kiselina imenujemo tako da od naziva karboksilne kiseline odbijemo nastavak -SKA + KISELINA i dodamo nastavak -OAT. Soli metanske ili mravlje kiseline su METANOATI ili FORMIJATI (trivijalni naziv), etanske ili octene kiseline ETANOATI ili ACETATI (trivijalni naziv), benzenkarboksilne kiseline BENZENKARBOKSILATI. Zajednički naziv za soli karboksilnih kiselina je KARBOKSILATI.

ZADATAK:

Imenuj nastalu sol iz prethodnih reakcija!

Otcjepljenjem cijele hidroksilne skupine na čije mjesto dolazi halogeni element, alkoksilna skupina ili amino skupina nastaju derivati karboksilnih kiselina o kojima će biti riječi u zasebnoj temi.

Većina karboksilnih kiselina ima pKa vrijednost 4-5 stoga je riječ o slabim kiselinama.

Za karboksilne kiseline karakteristične su i reakcije supstitucije sa halogenim elementima pri kojima se α vodik (vodik koji je vezan za prvi ugljik do karboksilnog ugljika) zamjenjuje halogenom uz prisutnost male količine fosfora. Nastale kiseline nazivaju se supstituiranim HALOGENKISELINAMA.

Dobivanje karboksilnih kiselina

Karboksilne kiseline dobivaju se oksidacijom odgovarajućih aldehida i ketona. Aldehidi se mogu vrlo lako oksidirati u karboksilne kiseline i uz blaža oksidacijska sredstva kao što je Fehlingova otopina (alkalna otobina bakar (II) tartarata). Ketoni teže oksidiraju i za njih je potrebno upotrijebiti snažne oksidanse kao što su CrO₃ , KMnO₄ ili vruća dušična kiselina (HNO₃). Pri tome se cijepa veza između karboksilnog ugljika i susjednog ugljika te nastaju karboksilne kiseline sa manjim brojem C-atoma.

Upotreba karboksilnih kiselina

Najznačajnije monokarboksilne kiseline su: metanska ili mravlja kiselina, etanska ili octena kiselina, propanska ili propionska kiselina, 2-hidroksipropanska kiselina ili mliječna kiselina, butanska ili maslačna kiselina i benzenkarboksilna ili benzojeva kiselina. Od dikarboksilnih kiselina najznačajnije su navedene u Tablici 2.

Metanska (mravlja) kiselina, HCOOH

Metanska kiselina najjednostavnija je alifatska karboksilna kiselina. Bezbojna je tekućina oštra mirisa. Prirodno se nalazi u biljci koprivi ili žari i u mravima, pčelama, gusjenicama, meduzama, stoga kontakt sa navedenima stvara crvenilo i plikove na koži, te svrbež.

Pare metanske kiseline su zapaljive, a njezina smjesa sa zrakom (φ (HCOOH) = 14-33 %) je eksplozivna.

S vodom se miješa u svim omjerima. Najjača je karboksilna kiselina i snažan reducens pa reducira Tollensov i Fehlingov reagens, istodobno se oksidirajući u ugljikov dioksid i vodu.

Jednažba kemijske reakcije metanske kiseline sa Tollensovim reagensom je sljedeća:

HCOOH + 2 [Ag(NH₃)₂]OH → CO₂ + 2 H₂O + 2 Ag + 4 NH₃

Njezine soli nazivaju se formijati.

Dobiva se oksidacijom metanala ili formaldehida.

ZADATAK:

Napiši kemijsku reakciju dobivanja metanske kiseline!

Metanska kiselina se upotrebljava kao konzervans, u kožarskoj industriji, za bojanje vune, u proizvodnji kaučuka.

Etanska (octena) kiselina, CH₃COOH

Octena kiselina je najpoznatija i najčešće korištena karboksilna kiselina. Bistra je i bezbojna tekućina oštra mirisa. Već na temperaturi od 16,6 °C tvori ledu slične kristale te se naziva ledena octena kiselina. Miješa se s vodom u svim omjerima.

Octena kiselina se dobiva oksidacijom etanola.

ZADATAK:

Napiši kemijsku reakciju dobivanja octene kiseline!

Razrijeđena otopina octene kiseline, tzv. ocat (6 ili 9 %-tni) upotrebljava se u kućanstvima kao začin ili konzervans. Najveće količine octene kiseline koriste se za sintezu estera i anhidrida (derivata karboksilnih kiselina). Također se upotrebljava i za proizvodnju octene esencije (80 %-tna otopina octene kiseline) i soli (acetati) koje se upotrebljavaju u tekstilnoj industriji. Važna je i njezina primjena kao otapalo, u proizvodnji lijekova primjerice aspirina i u proizvodnji različitih insekticida.

2-hidroksipropanska kiselina (mliječna kiselina), CH₃CH(OH)COOH

Mliječna kiselina ili α-hidroksipropanska kiselina u svojoj strukturi sadrži jedan asimetrični ugljikov atom te se može javiti u obliku dva enantiomera i u obliku racemata. (Više o enantiomerima saznaj u Temi IZOMERIJA ORGANSKIH SPOJEVA!) Tvori bezbojne kristale koji već na 18 °C prelaze u bezbojnu, sirupastu i higroskopnu tekućinu. Topljiva je u vodi.

Prirodno se mliječna kiselina nalazi u mlijeku sisavaca (slika 1.). L-oblik mliječne kiseline nastaje razgradnjom glikogena u mišićima uslijed povećanog fizičkog napora dok D-oblik nastaje procesom anaerobnog vrenja šećera tzv. mliječno-kiselim vrenjem. Soli mliječne kiseline nazivaju se laktati.

Mliječna kiselina, kao i njezine soli i esteri važni su u medicini gdje se koriste kao laksativi (magnezijev laktat) i sedativi (etil-laktat) te u tehnici gdje služe kao otapalo u proizvodnji lakova i plastike. Mliječna kiselina može zamjeniti limunsku i octenu kiselinu u proizvodnji bezalkoholnih pića, u prehrambenoj industriji te u tekstilnoj i kožarskoj industriji.

Butanska (maslačna) kiselina, CH₃(CH₂)₂COOH

Butanska, buterna ili maslačna kiselina, prirodno se nalazi u maslacu (otud i naziv), mlijeku, ali se nalazi i u sastavu ljudskog znoja, zapravo otud i neugodan miris znoja. Njezine soli zovu se butanoati ili butirati.

Bezbojna je i uljasta tekućina oštra i neugodna mirisa. Topljiva je u vodi.

Maslačna kiselina je prisutna u obliku estera u životinjskim mastima, a hidrolizom estera dolazi do tzv. užeglosti maslaca i njezinog oslobađanja što se osjeti po neugodnom mirisu koji sisavci kao psi mogu osjetiti čak pri koncentraciji od 10^-17 mol dm^-3 , čime oni zapravo i detektiraju ljudski trag.

Butanska kiselina najviše se upotrebljava za sintezu estera, npr: metil-butirata koji ima ugodnu aromu te se koristi kao hrana i dodatak parfemima.

Benzenkarboksilna kiselina (benzojeva kiselina), C₆H₅COOH

Benzojeva kiselina je najjednostavnija aromatska karboksilna kiselina. Ime duguje benzoinskoj smoli iz koje se dobivala procesom suhe destilacije. Danas se industrijski najviše dobiva oksidacijom toluena.

Benzojeva kiselina je bijela krutina koja je topljivija u vrućoj vodi nego u hladnoj. Bolje se otapa u organskim otapalima (etanolu, kloroformu). Njezine soli nazivaju se BENZOATI i topljivi su u vodi.

Benzojeva kiselina i njezine soli najviše se upotrebljavaju kao konzervansi u prehrambenoj industriji. E-210 je oznaka za benzojevu kiselinu.

Najjednostavnija i najvažnija dikarboksilna kiselina je etanska dikiselina ili oksalna kiselina, kemijske formule H₂C₂O₄. Kristalizira u obliku dihidrata (HCOOHCOOH × 2H₂O) i u takvom stanju je u obliku prozirnih kristala koji se tale na 102 °C. Soli oksalne kiseline nazivaju se OKSALATI. Natrijev i kalijev oksalat su topljivi u vodi dok su magnezijev i kalcijev oksalat slabo topljivi u vodi.

Oksalna kiselina i njezine soli nalaze se u špinatu, rabarbari, kikirikiju, čokoladi, narančama.

U većim količinama oksalna kiselina i njezine soli mogu biti otrovni (>100 mg dnevno).

Oksalna kiselina se upotrebljava kao reagens u kemijskim analizama, u tekstilnoj industriji, za bijeljenje kože, u metalurgiji za čišćenje metala, u pčelarstvu za kontrolu varoe, grinje nametnika na pčelinjim zajednicama.

Što čujem zaboravim, što vidim pamtim, što uradim znam!

KARBOKSILNE KISELINE

e-učenje kemije