اسیدهای کربوکسیلیک؛ تشخیص، نام‌گذاری، خواص و واکنش‌های مهم

گروه کربوکسیل را از روی اتصال اتم‌ها تشخیص بده

نمایش عمومی یک اسید کربوکسیلیک R–COOH است. کربن گروه کربوکسیل هم‌زمان با یک اکسیژن پیوند دوگانه C=O و با اکسیژن گروه OH پیوند یگانه دارد. حرف R می‌تواند هیدروژن یا یک بخش هیدروکربنی باشد؛ بنابراین HCOOH نیز با وجود نداشتن گروه آلکیل، یک اسید کربوکسیلیک است.

وجود C=O یا OH به‌تنهایی برای تشخیص کافی نیست. در الکل، OH معمولاً به کربن اشباع متصل است؛ در آلدهید الگوی –CHO و در استر الگوی –COO–R دیده می‌شود. برای نمونه CH₃CH₂OH الکل، CH₃CHO آلدهید، CH₃COOCH₃ استر و CH₃COOH اسید کربوکسیلیک است. در فرمول فشرده، COOH را یک گروه کامل ببین و دو اکسیژن آن را جداگانه بررسی کن.

• الگوی گروه کربوکسیل: –C(=O)OH
• کربن کربوکسیل به دو اتم اکسیژن متصل است
• در اسید، اکسیژن تک‌پیوندی به H وصل است؛ در استر به یک گروه کربنی
• OH موجود در COOH را گروه عاملی الکل به شمار نیاور

زنجیر اصلی و نام اسید را درست تعیین کن

برای نام‌گذاری اسید کربوکسیلیک زنجیر باز، بلندترین زنجیری را انتخاب می‌کنیم که کربن COOH را در بر داشته باشد. کربن گروه کربوکسیل همیشه کربن شماره یک زنجیر اصلی است و در شمار کل کربن‌ها حساب می‌شود. نام آلکان متناظر با عبارت «اسید ...ـوئیک» ساخته می‌شود.

HCOOH یک کربن دارد و متانوئیک اسید نامیده می‌شود؛ CH₃COOH دو کربن دارد و اتانوئیک اسید است؛ CH₃CH₂COOH نیز پروپانوئیک اسید نام دارد. در CH₃CH(CH₃)CH₂COOH، شماره‌گذاری از کربن COOH آغاز می‌شود و شاخه متیل روی کربن ۳ قرار می‌گیرد؛ پس نام آن ۳-متیل‌بوتانوئیک اسید است. نام‌های رایجی مانند فرمیک اسید و استیک اسید نیز دیده می‌شوند، اما در مسئله ساختاری نام نظام‌مند از شمارش زنجیر به دست می‌آید.

• کربن COOH همیشه شماره ۱ است
• کربن کربوکسیل در طول زنجیر اصلی شمرده می‌شود
• HCOOH: متانوئیک اسید
• CH₃COOH: اتانوئیک اسید
• برای شاخه‌ها از سمت گروه کربوکسیل شماره‌گذاری کن

علت خاصیت اسیدی را با پایداری یون کربوکسیلات بفهم

اسید کربوکسیلیک می‌تواند پروتون گروه O–H را به آب بدهد و یون کربوکسیلات بسازد: R–COOH + H₂O ⇌ R–COO⁻ + H₃O⁺. این واکنش تعادلی است؛ بیشتر اسیدهای کربوکسیلیک ساده در آب اسید ضعیف‌اند و فقط بخشی از مولکول‌هایشان یونش پیدا می‌کند. بنابراین واژه «اسید» الزاماً به معنی یونش کامل یا خطر یکسان برای همه اعضای این خانواده نیست.

بار منفی یون کربوکسیلات فقط روی یک اکسیژن محبوس نیست و می‌توان آن را با دو ساختار رزونانسی هم‌ارز نمایش داد. پخش‌شدن بار میان دو اکسیژن، باز مزدوج را پایدارتر می‌کند و جداشدن H⁺ را نسبت به یک الکل آسان‌تر می‌سازد. در الکوکسید حاصل از الکل، چنین توزیع هم‌ارزی میان دو اکسیژن وجود ندارد؛ ازاین‌رو اسیدهای کربوکسیلیک معمولاً از الکل‌های مشابه اسیدی‌ترند.

• پروتون اسیدی به اکسیژن گروه OH متصل است
• فرآورده ازدست‌دادن H⁺، یون R–COO⁻ است
• رزونانس، بار منفی کربوکسیلات را میان دو اکسیژن پخش می‌کند
• اسید کربوکسیلیک ضعیف را با اسید کاملاً یونیده اشتباه نگیر

پیوند هیدروژنی را به نقطه جوش و انحلال‌پذیری ربط بده

اسیدهای کربوکسیلیک هم پیوندهای قطبی C=O و O–H دارند و هم می‌توانند پیوند هیدروژنی بدهند و بپذیرند. برهم‌کنش میان مولکول‌های آن‌ها قوی است و حتی ممکن است دو مولکول با دو پیوند هیدروژنی به صورت یک جفت یا دایمر کنار هم قرار گیرند. به همین دلیل نقطه جوش اسیدهای کربوکسیلیک معمولاً از آلدهیدها و کتون‌های هم‌اندازه بیشتر است.

اعضای کوچک این خانواده به کمک گروه COOH با آب برهم‌کنش خوبی دارند و انحلال‌پذیرند. با بلندشدن زنجیر هیدروکربنی ناقطبی، سهم آب‌گریز مولکول بیشتر و انحلال‌پذیری در آب کمتر می‌شود. پس برای مقایسه دو اسید، هم توانایی پیوند هیدروژنی گروه کربوکسیل و هم اندازه بخش R را در نظر بگیر؛ وجود یک گروه قطبی به‌تنهایی تضمین نمی‌کند مولکولی با زنجیر بسیار بلند در آب فراوان حل شود.

• گروه COOH دهنده و پذیرنده پیوند هیدروژنی است
• برهم‌کنش قوی‌تر معمولاً نقطه جوش را افزایش می‌دهد
• اسیدهای کم‌کربن در آب انحلال‌پذیری بیشتری دارند
• افزایش طول زنجیر هیدروکربنی معمولاً انحلال‌پذیری در آب را کم می‌کند

واکنش با باز، فلز و کربنات را از انتقال پروتون پیش‌بینی کن

در واکنش خنثی‌شدن، اسید کربوکسیلیک با یک باز قوی نمک کربوکسیلات و آب می‌سازد: R–COOH + NaOH → R–COO⁻Na⁺ + H₂O. با فلز فعالی مانند سدیم نیز پروتون اسیدی جای خود را به یون فلز می‌دهد و گاز هیدروژن آزاد می‌شود: 2R–COOH + 2Na → 2R–COO⁻Na⁺ + H₂. ضرایب ۲ لازم‌اند تا دو اتم هیدروژن یک مولکول H₂ بسازند.

واکنش با کربنات‌ها نشانه قابل‌مشاهده مهمی دارد. برای نمونه 2CH₃COOH + Na₂CO₃ → 2CH₃COONa + H₂O + CO₂ است و خروج کربن‌دی‌اکسید به صورت حباب دیده می‌شود. هیدروژن‌کربنات نیز با نسبت یک‌به‌یک واکنش می‌دهد: R–COOH + NaHCO₃ → R–COONa + H₂O + CO₂. تفاوت ضرایب از ظرفیت پذیرش پروتون CO₃²⁻ و HCO₃⁻ ناشی می‌شود.

• اسید + باز → نمک کربوکسیلات + آب
• اسید + فلز فعال → نمک + H₂
• اسید + کربنات یا هیدروژن‌کربنات → نمک + آب + CO₂
• معادله را با توجه به بار یون کربوکسیلات موازنه کن

تشکیل اسید از اکسایش و تبدیل آن به استر را دنبال کن

اکسایش یک الکل نوع اول می‌تواند ابتدا آلدهید و سپس اسید کربوکسیلیک هم‌کربن بسازد. برای نمونه CH₃CH₂OH با اکسایش کنترل‌شده به CH₃CHO و با اکسایش بیشتر به CH₃COOH تبدیل می‌شود. در این دنباله تعداد اتم‌های کربن ثابت می‌ماند؛ بنابراین نام اتانول، اتانال و اتانوئیک اسید همگی ریشه دوکربنی مشترک دارند.

اسید کربوکسیلیک با الکل در حضور کاتالیزگر اسیدی می‌تواند استر و آب بسازد: R–COOH + R′–OH ⇌ R–COO–R′ + H₂O. واکنش برگشت‌پذیر است و بخش R–COO استر از اسید می‌آید. برای نمونه اتانوئیک اسید و اتانول، اتیل اتانوات و آب می‌سازند. هنگام نوشتن فرآورده، کربن کربوکسیل حذف نمی‌شود و همچنان کربن کربونیل استر باقی می‌ماند.

• الکل نوع اول → آلدهید → اسید کربوکسیلیک
• در اکسایش معمول، اسکلت کربنی حفظ می‌شود
• اسید + الکل ⇌ استر + آب
• بخش R–COO استر از اسید کربوکسیلیک می‌آید

مثال حل‌شده: یک اسید شاخه‌دار را تحلیل کن

ساختار CH₃CH(CH₃)CH₂COOH را در نظر بگیر. الگوی انتهایی COOH خانواده اسید کربوکسیلیک را نشان می‌دهد. بلندترین زنجیر شامل کربن کربوکسیل چهار کربن دارد. از COOH شماره‌گذاری می‌کنیم: کربن کربوکسیل ۱، CH₂ کربن ۲ و CH دارای شاخه متیل کربن ۳ است؛ پس نام ترکیب ۳-متیل‌بوتانوئیک اسید خواهد بود.

اگر یک مول از این اسید با مقدار کافی NaOH واکنش دهد، یک مول سدیم ۳-متیل‌بوتانوات و یک مول آب تشکیل می‌شود، زیرا مولکول یک گروه COOH دارد. در واکنش یک مول از همین اسید با NaHCO₃ نیز یک مول CO₂ تولید می‌شود. اما برای واکنش دو مول اسید با سدیم فلزی، یک مول H₂ به دست می‌آید. توجه به نوع واکنش‌دهنده و ضرایب، مانع یکی‌گرفتن مقدار H₂ و CO₂ می‌شود.

تمرین روشن و نکات کلیدی

تمرین: سه ماده CH₃CH₂COOH، CH₃CH₂OH و CH₃COOCH₃ داده شده‌اند. کدام‌یک با NaHCO₃ گاز CO₂ می‌دهد و نام نظام‌مند آن چیست؟ فقط ماده اول گروه COOH دارد؛ بنابراین پروپانوئیک اسید است و واکنش CH₃CH₂COOH + NaHCO₃ → CH₃CH₂COONa + H₂O + CO₂ را انجام می‌دهد. ماده دوم الکل و ماده سوم استر است و در این مقایسه رفتار اسید کربوکسیلیک را ندارند.

برای حل سؤال‌های این خانواده، یک مسیر ثابت داشته باش: نخست C=O را پیدا کن، اتصال OH به همان کربن را بررسی کن، کربن COOH را شماره ۱ بگیر و زنجیر را نام‌گذاری کن. سپس برای واکنش‌ها پروتون O–H را دنبال کن؛ باز نمک و آب، فلز فعال نمک و هیدروژن، و کربنات نمک و آب و کربن‌دی‌اکسید می‌سازد. در پایان تعداد گروه‌های COOH و ضرایب معادله را کنترل کن.

• تشخیص: وجود الگوی یکپارچه COOH
• نام‌گذاری: شمارش زنجیر از کربن کربوکسیل
• علت اسیدی‌بودن: پایداری رزونانسی یون کربوکسیلات
• واکنش با NaHCO₃: تولید CO₂
• هر گروه COOH می‌تواند یک پروتون اسیدی واگذار کند
• پیش از محاسبه مولی، معادله را موازنه کن