Jednofunkcyjne pochodne węglowodorów PDF

Preview

Summary

Szczegółowe notatki z działu jednofunkcyjne pochodne węglowodorów z chemii. Definicje, wytłumaczenia, schematy. Zadania realizowane na zajęciach i zadania domowe....

Description

Jednofunkcyjne pochodne węglowodorów

Pochodne

węglowodorów

są

produktami,

które

uzyskuje

się

na

skutek

przeprowadzanej reakcji węglowodorów. Jednofunkcyjnymi pochodnymi są pochodne węglowodorów zawierające jeden rodzaj grup funkcyjnych w cząsteczce, ale nie wyklucza to, sytuacji, że w danym związku ta sama grupa będzie powtarzać się dwa lub więcej razy 1. Oto najprostsza definicja dla tej grupy związków, lecz by móc swobodnie poruszać się w jej obrębie, trzeba jeszcze sprecyzować czym jest owa tajemnicza grupa funkcyjna? Otóż jest to atom lub grupa atomów nadająca cząsteczce związku organicznego specyficzne właściwości chemiczne2. Poniższa tabela przedstawia wybrane spośród grup funkcyjnych, ich nazwy oraz nazwy i wzory ogólne najważniejszych związków, w których te grupy występują

Grupa funkcyjna

Nazwa

grupy Przykład związku Nazwa związków

funkcyjnej halogen X (F, Cl, Br, I)

(ogólny wzór)

(fluorowiec)

halogenowęglowodor

R-X

y grupa hydroksylowa - OH

(wodorotlenowa)

R - OH O

alkohole

grupa aldehydowa

R–C

aldehydy

O -C

H

H R grupa karbonylowa

C=O

C=O

(aldehydy)

R O

O grupa karboksylowa

-C

kwasy

R–C

OH - NH2

ketony

OH grupa aminowa

R – NH2

karboksylowe aminy

1 Poźniczek M. M., Kluz Z., Chemia. Podręcznik dla liceum ogólnokształcącego, liceum profilowanego i technikum, Warszawa 2002, s. 199 2 Idem, s. 199

I. KWASY KARBOKSYLOWE Kwasy

karboksylowe

(inaczej:

kwasy

organiczne)

to

grupa

pochodnych

węglowodorów, które w cząsteczkach zawierają grupę funkcyjną –COOH, czyli grupę karboksylową. Związki te wykazują wszystkie ogólne własności chemiczne kwasów nieorganicznych. Zmieniają barwę lakmusu z niebieskiej na czerwoną. Z zasadami, tlenkami metali i metalami tworzą sole, przy czym zamianie na metal podlega tylko wodór grup karboksylowych. Roztwory kwasów organicznych ulegają dysocjacji na jony i przewodzą prąd elektryczny. Jednak w odróżnieniu od kwasów nieorganicznych, dysocjują w mniejszym stopniu, czyli są kwasami słabymi. Budowę tych kwasów można wyrazić wzorem ogólnym: O R – COOH

lub

R-C OH

Kwasami karboksylowymi są np. kwas mrówkowy lub kwas octowy. Jeżeli jednak w cząsteczce kwasu ów rodnik R będzie resztą węglowodoru łańcuchowego nasyconego lub nienasyconego, to kwas otrzymany będzie kwasem z grupy tzw. kwasów tłuszczowych. Reszty kwasowe tych związków są bowiem głównym składnikiem tłuszczów zwierzęcych i roślinnych. Do grupy kwasów tłuszczowych kwalifikują się np. kwasy: palmitynowy, stearynowy, oleinowy, itp. Kwasy tłuszczowe są szeroko rozpowszechnione w przyrodzie i łatwo nam zetknąć się z nimi w życiu codziennym. Występują one bowiem w świecie roślin: i w liściach, i w łodygach, a także w owocach i korzeniach. Natkniemy się na nie też w produktach pochodzenia zwierzęcego: w mleku, zjełczałym maśle czy w mięsie. Na przykład cząsteczka tłuszczu zwierzęcego, czy roślinnego jest produktem reakcji między gliceryną a kwasem tłuszczowym. Kwasy tłuszczowe powstają jako produkt daleko posuniętego utlenienia alkoholi pierwszorzędowych. Alkohole te pod wpływem środków utleniających dają aldehydy, które dalej można utleniać i tu jako produkt otrzymamy kwasy. Poniżej przedstawiono przykłady utleniania alkoholu metylowego i etylowego do kwasów karboksylowych. O2 O H – CH2 – OH → H – C

O2 O → H–C

alkohol metylowy

H aldehyd mrówkowy

OH kwas mrówkowy O2 O O2 O CH2 – CH2 – OH → CH3 – C → CH3 – C H OH alkohol etylowy

aldehyd octowy

kwas octowy

W zależności od ilości grup karboksylowych w cząsteczce kwasy dzielimy na: monokarboksylowe, np. kwas mrówkowy HCOOH; dikarboksylowe, np. kwas szczawiowy HOOC-COOH; trikarboksylowe, itd. Kwasy karboksylowe reagują z alkoholami, reakcję tą nazywa się estryfikacją, a produkty końcowe – estrami. A oto ona: CH3COOH + C2H5OH = CH3COOC2H5 + H2O Z estrami i reakcjami ich otrzymywania zetkniemy się jeszcze w dalszej części pracy, dlatego w tym miejscu nie poświęcam im więcej uwagi.

Wzór kwasu

Nazwa

Nazwa

HCOOH CH3COOH CH3CH2COOH CH3 (CH2)2COOH C15H31COOH C17H35COOH

systematyczna Kwas metanowy Kwas etanowy Kwas propanowy Kwas butanowy Kwas heksadekanowy Kwas oktadekanowy

zwyczajowa Kwas mrówkowy Kwas octowy Kwas propionowy Kwas masłowy Kwas palmitynowy Kwas stearynowy

I. 1. Kwasy monokarboksylowe I. 1. A. Kwas mrówkowy HCOOH (kwas metanowy)

Jest on

pierwszym członem szeregu

homologicznego nasyconych kwasów

monokarboksylowych, ma najprostszą budowę, spośród wszystkich. Został wyodrębniony z jadu mrówek, i stąd pochodzi jego nazwa. Występuje również we włoskach znajdujących się na liściach i łodygach pokrzywy, w niedojrzałych owocach, moczu i pocie. Jest to trująca, bezbarwna ciecz o duszącym, ostrym zapachu i palącym smaku. Jest dobrze rozpuszczalny w wodzie, bo miesza się z nią w każdym stosunku. Jak już wspomniałem ma odczyn kwaśny, lakmus w jego środowisku barwi się na kolor różowy. Ma

właściwości parzące, wywołuje na skórze pęcherze. Jest substancją łatwopalną. Oto jak przebiega reakcja jego spalania: 2HCOOH + O2 = 2CO2 + 2H2O Na skalę przemysłową kwas ten otrzymuje się w wyniku reakcji tlenku węgla (II) z ok. 30% wodnym roztworem wodorotlenku sodu.. w temp. 120oC, pod ciśnieniem 8 atm. Powstaje mrówczan sodowy, który pod działaniem kwasu siarkowego przechodzi w kwas mrówkowy. Oto zapis tej przemiany: CO + NaOH = HCOONa + HCOOH Zastosowanie kwasu mrówkowego jest dość rozległe: 

W przemyśle farbiarskim- do produkcji barwników,



W garbarstwie- do garbowania skór,



W przemyśle włókienniczym do barwienia tkanin,



W medycynie do celów dezynfekcyjnych, ma bowiem też działanie bakteriobójcze,



W medycynie, jako wodny roztwór, bo działa przeciwreumatycznie,



W przemyśle chemicznym, jest półproduktem w syntezie organicznej,



W przemyśle gumowym, jest środkiem koagulującym, podczas otrzymywania kauczuku naturalnego,



W przemyśle spożywczym, do zakwaszania kiszonek i do konserwacji,



W laboratoriach, do otrzymywania tlenku węgla (CO) w procesie rozkładu kwasu mrówkowego pod wpływem działania stężonego kwasu siarkowego (VI).

I. 1. B. Kwas octowy CH3COOH (kwas etanokarboksylowy)

Drugi w szeregu homologicznym nasyconych kwasów monokarboksylowych. Najdawniej znany kwas organiczny, używany już przez starożytnych, nazwany wówczas mianem octu winnego. Kwas ten w stanie bezwodnym jest substancją krystaliczną, podobną do lodu i nosi nazwę lodowatego kwasu octowego. Lodowaty kwas octowy topi się w temp. +16,5oC. W wodzie rozpuszcza się bez ograniczeń.

Dobrze rozpuszcza się też w

innych

rozpuszczalnikach, jak np. alkohol, chloroform, czy eter. 6 lub 10 % wodny roztwór tego kwasu jest nam znany jako popularny ocet. Kwas octowy to bezbarwna ciecz o intensywnej, charakterystycznej woni, działająca drażniąco, głównie na oczy ale nie tylko, bowiem jego opary drażnią i niszczą błony śluzowe. Wykazuje odporność na działanie środków

utleniających. Różowo zabarwiony w próbce lakmus świadczy o jego kwasowych własnościach. CH3COOH = CH3COO- + H+ Jako słaby kwas z metalami tworzy sole, z alkoholami estry, oba rodzaje pochodnych zwane są octanami. Kwas octowy spala się niebieskim płomieniem. CH3COOH + O2 = 2CO2 + H2O Najstarszą metodą jego otrzymywania, znaną już przez starożytnych, jest fermentacja octowa cieczy zawierających alkohol: CH3CH2OH + O2 = CH3COOH + H2O Następuje utlenienie alkoholu pod wpływem powietrza i katalitycznego działania bakterii Acetobacter, tzw. octowych (proces kwaśnienia napojów alkoholowych wystawionych na działanie powietrza). Od połowy XIX w. był on otrzymywany w procesie suchej (rozkładowej) destylacji drewna. Podczas takiego procesu wydziela się ciecz mieniona octem drzewnym. Zawiera ona ok. 10% kwasu octowego. Po odpowiedniej obróbce otrzymamy z nieczysty kwas octowy. Obecnie otrzymuje się go głównie z acetylenu, poprzez aldehyd octowy, który utlenia się katalitycznie tlenem w obecności octanu magnezu: 2CH3CHO + O2 = 2CH3COOH Zastosowanie: 

W gospodarstwie domowym - do celów spożywczych jako ocet o 6 lub 10% stężeniu jest przyprawą lub środkiem konserwującym (składnik marynat),



W przemyśle chemicznym – do wyrobu mas plastycznych, sztucznego włókna, taśmy filmowej, barwników, lakierów, perfum, jest też dla tego przemysłu surowcem,



W przemyśle tekstylnym – do produkcji jedwabiu octanowego oraz jako środki pomocnicze,



W lecznictwie, gdzie jest produktem syntezy,



W rolnictwie i ogrodnictwie, jako środek ochrony roślin



Stężony do 70% nosi miano esencji octowej.

I. 1. C. Wyższe kwasy tłuszczowe

Wielką rolę biologiczną odgrywają kwasy organiczne o dużych rodnikach, czyli wyższe kwasy tłuszczowe. Zawierają one, co najmniej, po kilkanaście atomów węgla w

cząsteczce. Są bardzo rozpowszechnione w przyrodzie, i to zarówno w stanie wolnym, jak i w postaci związanej. Wszystkie tłuszcze roślinne są związkami wyższych kwasów tłuszczowych z gliceryną. Ich sole sodowe i potasowe to znane wszystkim mydła. Wyższe kwasy tłuszczowe znajdziemy też w popularnym wosku. Oto wzory niektórych z wyższych kwasów tłuszczowych:

NASYCONE: Oleinowy CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH

NIENASYCONE: Stearynowy CH3(CH2)16COOH

Linolowy CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH

Palmitynowy CH3(CH2)14COOH

Linolenowy CH3CH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH

Największe znaczenie, spośród nich, mają kwasy: palmitynowy C15H31COOH i stearynowy C17H35COOH. Ich cząsteczki tworzą łańcuch prosty nasycony, zakończony grupą karboksylową. Ich związki z gliceryną to główna część składowa tłuszczów roślinnych i zwierzęcych. W drodze przeróbki chemicznej z tłuszczów możemy otrzymać te kwasy w stanie czystym. Mieszanina obu tych kwasów tworzy, nie mającą stałego punktu topienia masę, którą nazywa się stearyną. Jak wspomniałem istnieje wiele kwasów organicznych, zawierających w swych cząsteczkach dwie, a nawet więcej, grup karboksylowych. Należą one do tzw. kwasów wielokarboksylowych.

I. 1. C. a. Kwas masłowy CH3CH2CH2COOH, C4H8O2, (kwas butanowy) Należy on do nasyconych kwasów karboksylowych. Jest bezbarwną cieczą o temp. wrzenia 163oC i nieprzyjemnym zapachu zjełczałego tłuszczu. Faktycznie występuje on w zjełczałym maśle. Należy do związków łatwo rozpuszczalnych w wodzie i większości organicznych rozpuszczalników polarnych (etanol, aceton, eter dimetylowy, itp.). Mocno stężony ostro i intensywnie wydziela trudny do zniesienia zapach. W mleku i maśle występuje jako gliceryd. Otrzymuje się go w procesie fermentacji z cukrów lub skrobi pod działaniem bakterii. W laboratorium uzyskuje się go poprzez

przepuszczenie tlenku węgla (CO) przez mieszaninę octanu sodu (CH3COONa) i etanolu sodu (CH3CH2Ona) w 205oC. Zastosowanie: 

Do produkcji estrów, wykorzystywanych jako środki zapachowe, dla przemysłu spożywczego



W przemyśle chemicznym – do produkcji barwników,



W farmacji – do produkcji leków,



Izomer tego kwasu- kwas izomasłowy (CH3)2-CH-COOH, znajduje się w chlebie świętojańskim.

I. 1. C. b. Kwas palmitynowy C15H31COOH (kwas heksadekanowy, kwas cetylowy) Jest przedstawicielem nasyconych kwasów tłuszczowych. Stanowi ważny składnik tłuszczów roślinnych i zwierzęcych, w których występuje w postaci glicerydu. Ma postać białego ciała stałego o temp. topnienia 63oC. Nie rozpuszcza się w wodzie, natomiast czyni to w innych rozpuszczalnikach organicznych, jak np. etanol czy eter. Temperatura jego wrzenia to 332,6oC. Można go otrzymać na skutek hydrolizy tłuszczów lub też syntetycznie. Jego sole stanowią główny składnik mydeł. Oto jak przebiega proces uzyskania palmitynianu sodu: C15H35COOK + NaOH = C15H35COOHNa + H2O Zastosowanie: 

W przemyśle chemicznym – jako surowiec przy produkcji mydeł, świec, kremów kosmetycznych, szminek, pudrów, itp.

I. 1. C. c. Kwas stearynowy C17H35COOH (kwas oktadekanowy, kwas cetylooctowy) To nasycony kwas tłuszczowy, który, obok kwasu palmitynowego, stanowi najważniejszy składnik tłuszczów stałych. Występuje pod postacią krystaliczną lub jako bezpostaciowe ciało stałe, o barwie białej. Nie uda nam się rozpuścić go w wodzie, uczynimy to jednak w innych rozpuszczalnikach organicznych. Nie ma zapachu, by go stopić wystarczy zaledwie temp. 70oC, a wrze dopiero w 360oC. Spala się żółtym płomieniem. By go otrzymać trzeba przeprowadzić hydrolizę tłuszczu, można też uzyskać go na drodze syntezy.

Handlowy kwas stearynowy składa się z 45% kwasu palmitynowego oraz 5% kwasu oleinowego. Zastosowanie: 

W przemyśle gumowym – jako zmiękczacz,



W przemyśle chemicznym – do mas modelarskich,



W przemyśle kosmetycznym – do produkcji mydeł, kremów, świec i różnego rodzaju past,



W farmaceutyce – do produkcji leków,



Stearynian glinu znajduje zastosowanie jako środek impregnujący.

I. 1. C. d. Kwas oleinowy C17H33COOH (kwas olejowy, kwas cis-9-oktadecenowy, kwas cisoktadec-9-enowy)

Jest jednonienasyconym, naturalnym kwasem tłuszczowym, zawierającym 18 atomów węgla w cząsteczce. Występuje on często w postaci glicerydów, jako główny składnik różnych olejów, przede wszystkim oliwy i tranu. Jest bezbarwną, czasem jasnożółtą, oleistą cieczą. Utlenia się w powietrzu, a na skutek tego procesu, ciemnieje. Nie rozpuszcza się w wodzie, miesza się natomiast z rozpuszczalnikami organicznymi. Jego temp. topnienia jest równa 13,5oC, a wrzenia 228oC. Kwas oleinowy otrzymuje się poprzez hydrolizę miękkich tłuszczów i olejów. Z jego nienasyconym charakterem chemicznym związane jest zjawisko odbarwiania KMnO 4 oraz wody bromowej: CH3(CH2)7CH = CH(CH2)7COOH + Br2 = CH3(CH2)7CHBrCHBr(CH2)7COOH Reaguje też z wodorotlenkami, tworząc oleiniany. Podczas uwodornienia w obecności katalizatora niklowego ulega przekształceniu w kwas stearynowy. C17H33COOH + H2 = C17H35COOH Reakcja ta stanowi istotę procesu utwardzania olejów roślinnych. Zastosowanie: 

W przemyśle spożywczym, jako surowiec do produkcji tłuszczów roślinnych zestalonych, jak: margaryna, ceres, itp.



przez przemysł chemiczny jest używany do produkcji smarów i środków piorących,



W przemyśle kosmetycznym służy do produkcji mydeł i kosmetyków,



Jest też używany do syntezy organicznej.

I. 2. Kwasy wielokarboksylowe

I. 2. A. Kwas szczawiowy (HOOC)2

To najprostszy spośród kwasów wielokarboksylowych, jego cząsteczka składa się z z dwóch połączonych ze sobą grup karboksylowych. O C OH

COOH

O C

COOH OH

W cząsteczce kwasu szczawiowego znajdują się dwa atomy wodoru, które mogą zostać zastąpione przez atomy metali. Kwas ten jest więc dwuzasadowy. Jak wszystkie kwasy zasadowe daje sole obojętne oraz sole kwaśne zwane szczawianami. W solach obojętnych mogą występować atomy dwóch różnych metali, np.: COONa

COOH

COONa

COONa

COONa

COOK

obojętny

kwaśny

szczawian

szczawian

szczawian

sodowy

sodowy

sodowopotasowy

Kwas ten jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych kwasów roślinnych i znany był już w okresie średniowiecza. Jest to substancja krystaliczna, często spotykana w świecie roślinnym i zwierzęcym zarówno w stanie wolnym jak i w postaci soli wapniowych lub potasowych. Dobrze rozpuszcza się w wodzie, jego temp. topnienia to 189 oC. Obficie występuje w: szczawiu, rabarbarze, i szpinaku. Kwas ten jest szkodliwy, bo usuwa wapń w postaci trudno rozpuszczalnej soli wapniowej. Szczawian wapniowy stale tworzy się w organizmie ludzkim i jest wydalany na zewnątrz jako produkt przemiany materii, znajduje się w moczu (jako sól wapniowa). Większe stężenia w drogach moczowych dają objawy kamicy moczowej. Szczawian wapnia, to główny składnik kamieni nerkowych. Odkładanie się szczawianu wapniowego w stawach kostnych świadczy o ciężkich schorzeniach gośćcowych.

Ogrzewanie kwasu szczawiowego powoduje jego dekarboksylację i przekształcenie w kwas mrówkowy: (COOH)2→ CO2 + HCOOH Natomiast pod działaniem czynników utleniających rozkłada się do dwutlenku węgla i wody. Kwas szczawiowy otrzymywany jest technicznie z mrówczanu sodowego HCOONa, w temp. 400oC. Inną metodą otrzymywania kwasu szczawiowego jest utlenianie glikolu etylenowego. Zastosowanie: 

W laboratorium – do nastawiania miana KMnO4



W farbiarstwie – jako zaprawa i do wyrobu niektórych barwników,



Jako reduktor w analizie chemicznej.

I. 3. Hydroksykwasy jedno- i wielokarboksylowe Wśród kwasów spotykanych w przyrodzie ożywionej popularne są też kwasy, zawierające w cząsteczce jednocześnie i grupę karboksylową COOH, i grupę hydroksylową OH (wodorotlenową). Związki te wykazują jednocześnie własności kwasów i własności alkoholi, nazywa się je hydroksykwasami. Jednym z najczęściej spotykanych hydroksykwasów jest kwas mlekowy, ale obok niego należą do tej grupy: kwas jabłkowy, kwas winny i kwas cytrynowy.

I. 3. A. Kwas mlekowy CH3CH(OH)COOH (C3H6O3) Jest kwasem stosunkowo mocnym. Ma właściwości bakteriostatyczne (hamuje rozwój drobnoustrojów). Powstaje na drodze mikrobiologicznej, dzięki drobnoustrojom, które mają zdolność rozkładania cukrów do kwasu mlekowego. Znajduje się on w zsiadłym mleku, kiszonej kapuście i ogórkach oraz w innych kiszonkach. Na skalę przemysłową otrzymuje się go drogą fermentacji, niewielkie ilości uzyskuje się też syntetycznie. Zastosowanie: 

W przemyśle włókienniczym i skórzanym,



W przemyśle spożywczym – do produkcji lemoniad (czysty), jako środek konserwujący, dla branży owocowo-warzywnej,



W przemyśle cukierniczym, Nie jest szkodliwy dla zdrowia, a przetwory mleczne z jego znaczną zawartością, jak

np. kefir, kwaśne mleko, mleko aleydofilne, są produktami dietetycznymi, a nawet leczniczymi w przypadku niektórych dolegliwości przewodu pokarmowego.

I.

3. B.

Kwas

jabłkowy

C2H3OH(COOH)2 (kwas

hydroksybursztynowy,

kwas

hudroksybutanoidowy)

Należy on do hydroksykwasów wielokarboksylowych. W większych ilościach występuje w niedojrzałych owocach, a szczególnie w jabłkach i jarzębinie. Znaczne jego ilości, w postaci soli z nikotyną znajdują się w tytoniu. Stosowany jest on do celów spożywczych, jako przyprawa w wielu wyrobach cukierniczych, w napojach, a także przez przemysł farmaceutyczny. I. 3. C. Kwas winowy C4H6O6

To hydroksykwas wielokarboksylowy, najpospolitszy kwas świata roślinnego. Występuje w dużych ilościach w większości owoców o smaku kwaśnym. Ma postać jednoskośnych bezwodnych kryształków. Dobrze rozpuszcza się w wodzie i alkoholu. W trakcie produkcji win część kwasu win...