الباب الخامس: الكيمياء العضوية
مشتقات الهيدروكربونات (الكحولات والفينولات والإسترات)
Alcohols/phenols/esters — OCR + functional-map + SVG.
اضغط أي أداة — لتوليد اختبارات وفلاش كارد وملخصات وتجارب من الدرس تفاعلياً
Alcohols/phenols/esters — OCR + functional-map + SVG.
- ✓يميز المجموعات الوظيفية للكحولات والفينولات والإسترات
- ✓يسمّي الكحولات IUPAC ويصنّفها 1°/2°/3°
- ✓يشرح تحضير الإيثانول وتفاعلاته واختبارات الكشف
| الاسم | الصيغة العامة | المجموعة الوظيفية | مثل |
|---|---|---|---|
| الكحولات | R-OH | الهيدروكسيل | CH_{3}OH كحول مثلي |
| الفينول | Ar-OH | الهيدروكسيل | OH الفينول |
| CHO_{3}-O-CH_{3} اثير ثنائي الميثيل | R-O-R | الاثيرية | CH_{3}-O-CH_{3} انتي كوني ثيني |
| CHO_{3}-CHO اسيتالدهيد | R-CHO | الفورميل -C=O | CH_{3}-C-CH_{3} اسيتون |
| CHO_{3}-C-CH_{3} أسيتون | R-C-R | الكربونيل | CH_{3}COOH حمض الاستيك |
| CHO_{3}COOH حمض الاستيك | COOH | الكربوكسيل | CH_{3}COOC_{2}H_{5} استر اسيتات الأيثيل |
| CHO_{3}COOC_{2}H_{5} استر اسيتات الأيثيل | COOR | الأستر | C_{2}H_{5}NH_{2} ايثيل أمين |
| درجة الغليان | الكحول |
|---|---|
| 78°C | C_{2}H_{5}(OH)_{إيثانول} |
| 197°C | C_{2}H_{4}(OH)_{2} إيثانيل جليكول |
| 290°C | C_{3}H_{5}(OH)_{3} الجلبسرول |
| R-OH | الكحول | |
|---|---|---|
| RONa + H₂ | أ- مع الصوديوم | |
| لا يتفاعل | ب- مع هيدروكسيد الصوديوم |
| (ب) | (أ) |
|---|---|
| ١ - بيروجالول | ١ - كحول ثلاثي الهيدروكسيل |
| ٢ - سوربيتول | ٢ - كحول ثالثي |
| ٣ - فينول. | ٣ - كحول ثنائي الهيدروكسيل |
| ٤ - حمض بكريك | ٤ - كحول ثانوي |
| ٥ - ١.٢.١ ثلاثي هيدروكسي بنزين | ٥ - ١.٢.١ ثلاثي هيدروكسي بنزين |
| ٦ - حمض الكربوليك | ٦ - حمض الكربوليك |
| ٧ - ثلاثي نيتروفينول | ٧ - ثلاثي نيتروفينول |
| ١- CH₃–CH₂–OH | ٢- CH₃–CH₂–CH₂–OH | ٣- CH₃–CH–OH CH₂ |
|---|---|---|
| ٤- CH₂–CH–OH CH₃–CH₂ | ٥- CH₃–CH–CH₂–OH CH₃ | ٦- CH₃ CH₃–C–OH CH₃ |
| الصيغة | اسم الحمض تبعاً لمصدره | الألكان المقابل الذي فيه نفس عدد ذرات الكربون | اسم الحمض تبعاً للأيوباك |
|---|---|---|---|
| HCOOH | حمض الفورميك (Formica) النمل | الميثان | حمض ميثانويك |
| CH₃COOH | حمض الأستيك (Acetum) الخل | الايثان | حمض ايثانويك |
| C₃H₇COOH | حمض البيوتيريك (Butter) الزبدة | البيوتان | حمض بيوتانويك |
| C₁₅H₃₁COOH | حمض البالمتيك (Palm Oil) زيت النخيل | هكسا ديكان | هكساد يكانويك |
| الحمض | الكتلة الجزيئية | درجة الغليان | الكحول | الكتلة الجزيئية | درجة الغليان |
|---|---|---|---|---|---|
| الفورميك | 46 | 100°C | 46 | 78°C | 78°C |
| الأستيك | 60 | 118°C | البروبانول | 98°C | 98°C |
| حمض إيثانويك | حمض هورميك |
|---|---|
| حمض بنزويك | حمض بيوتريك |
لماذا الإيثانول يذوب في الماء بينما الهكسان لا؟
R-CH₂-OH
R₂CH-OH
R₃C-OH
سكروز → C₂H₅OH + CO₂
zymase · مولاس مصر
CH₂=CH₂ + H₂O → C₂H₅OH
H₂SO₄ · بتروكيماويات
Converted alcohol / Red spirit: إيثانول + methanol/pyridine/صبغ — ضريبة على الإيثانول النقي 96%.
−OH قطبية → روابط H → ↑ غليان · ذوبان في H₂O.
حموضة أ stronger · FeCl₃ → بنفسجي
FeCl₃ لا لون · Na → H₂
كحol + حمض عضوي → إستer + ماء. رائحة فواكه مميزة — اختبار الكشف.
كل OH = فينol
Ar-OH فينol · R-OH كحol
الكحولات مركَّبات عضوية تحتوي على مجموعة وظيفية واحدة على الأقلِّ من الهيدروكسيل ( - O H ). أبسط الكحولات هو الميثانول، ويحتوي على ذرة كربون واحدة فقط، مرتبطة بثلاث ذرات هيدروجين ومجموعة هيدروكسيل واحدة. الإيثانول ثاني أبسط جزيء كحولي. يحتوي الإيثانول على جزء إيثيل مرتبط بمجموعة هيدروكسيل واحدة. جزيئات الميثانول والإيثانول موضَّحة في الشكل الآتي.
الميثانول والإيثانول هما جزيئان صغيران نسبيًّا، ولهما كتلة جزيئية منخفضة. الميثانول له الصيغة الكيميائية البسيطة إلى حدٍّ ما C H O H 3، وله كتلة جزيئية تساوي 32.04 g/mol فقط. أمَّا الإيثانول فله الصيغة الكيميائية الأكثر تعقيدًا بقليل C H C H O H 3 2، ولكن كتلته الجزيئية هي 46.07 g/mol فقط.
يُمكن تصنيف العديد من الكحولات إمَّا إلى كحولات أوَّلية ( 1 ∘ )، وإمَّا إلى كحولات ثانوية ( 2 ∘ )، وإمَّا إلى كحولات ثالثية ( 3 ∘ ). وتُصنَّف الكحولات إلى كحولات أوَّلية إذا كانت مجموعة الهيدروكسيل مرتبطة بذرة كربون، تكون بدورها مرتبطة بذرتي هيدروجين أُخرَيَيْن ومجموعة ألكيل. ويُمكن وصْف الكحول الأوَّلي بالصيغة العامَّة R C H O H 2؛ حيث R مجموعة ألكيل. لا يُمكن وصْف الميثانول بالصيغة العامَّة R C H O H 2، لكنه لا يزال يُصنَّف كحولًا أوَّليًّا من خلال جميع كُتب الكيمياء والموسوعات تقريبًا.
وتُصنَّف الكحولات إلى أنها ثانوية عندما تكون مجموعة الهيدروكسيل مرتبطة بذرة كربون، تكون بدورها مرتبطة ب ذرة هيدروجين واحدة ومجموعتَيْ ألكيل. ويُمكن وصْف الكحول الثانوي بالصيغة العامَّة R C H O H 2؛ حيث R مجموعة ألكيل.
يُستخدَم الإيثيلين جليكول في صُنْع سوائل المكابح الهيدروليكية، وإنتاج تركيبات مضادَّة للتجمُّد. يُمكن أيضًا استخدام جزيئات الإيثيلين جليكول لصناعة حبر الطباعة وتحضير بوليمر البولي إيثيلين جليكول الذي يُستخدَم في تصنيع أفلام التصوير الفوتوغرافي وأشرطة الكاسيت.
يُمكن تصنيف جزيئات الكحولات باعتبارها جزيئات ثلاثية الهيدروكسيل إذا كانت تحتوي على ثلاث مجموعات هيدروكسيل، ويُستخدَم مصطلح «عديد الهيدروكسيل» لوصْف أيِّ جزيء كحول يحتوي على مجموعات هيدروكسيل عديدة. تُشير بعض كُتب الكيمياء إلى أن الكحولات العديدة الهيدروكسيل تحتوي على أربع مجموعات هيدروكسيل على الأقلِّ، ويُشير بعضُها الآخَر إلى أن الكحولات العديدة الهيدروكسيل تحتوي على مجموعتين أو ثلاث مجموعات هيدروكسيل على الأقلِّ. يُوجَد العديد من التعريفات المختلفة لمصطلح عديدة الهيدروكسيل، ويجب أن يكون الطلاب على دراية تامَّة بهذه الحقيقة.
يُمكن تصنيف الجليسرول باعتباره جزيئًا ثلاثي الهيدروكسيل؛ لأنه يحتوي على ثلاث مجموعات هيدروكسيل. يُمكن تصنيف مُحلِّي السوربيتول وسُكَّر الجلوكوز والفركتوز جميعِها باعتبارها جزيئات عديدة الهيدروكسيل؛ لأنها تحتوي على خمس مجموعات هيدروكسيل على الأقلِّ.
تُضاف سُكَّريات الجلوكوز والفركتوز عادة إلى المواد الغذائية لجعلها أكثر حلاوةً وأسهل في تناوُلها. يُمكن أيضًا إضافة جزيئات السوربيتول إلى المواد الغذائية لجعلها أكثر حلاوةً واستساغة. يُستخدم الجليسرول في صُنْع الكريمات ومُستحضَرات التجميل. يُمكن أيضًا استخدام الجليسرول لصُنْع أنواع مختلفة من المنسوجات، وتحضير المواد المتفجِّرة مثل النيتروجلسرين. توضِّح المعادلة الآتية كيف يُمكن تفاعُل جزيئات الجليسرول مع حمض النيتريك لصنع مادة النيتروجلسرين:
تُضاف سُكَّريات الجلوكوز والفركتوز عادة إلى المواد الغذائية لجعلها أكثر حلاوةً وأسهل في تناوُلها. يُمكن أيضًا إضافة جزيئات السوربيتول إلى المواد الغذائية لجعلها أكثر حلاوةً واستساغة. يُستخدم الجليسرول في صُنْع الكريمات ومُستحضَرات التجميل. يُمكن أيضًا استخدام الجليسرول لصُنْع أنواع مختلفة من المنسوجات، وتحضير المواد المتفجِّرة مثل النيتروجلسرين. توضِّح المعادلة الآتية كيف يُمكن تفاعُل جزيئات الجليسرول مع حمض النيتريك لصنع مادة النيتروجلسرين:
وَضَع الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (الأيوباك) نظام تسمية منهجيًّا لتصنيف جميع أنواع جزيئات الكحولات المختلفة. دائمًا يشتمل اسم الكحول وفق الأيوباك على مقطع جذري، ويُمكن أن يتضمَّن أيضًا أرقامًا أوَّلية ومقاطع بادئة ولاحِقة. يوضِّح الشكل الآتي كيف يُمكن تكوين اسم الأيوباك لكحول واحد من مقطع جذري «بيوتان» وغيرها من الأرقام الأوَّلية ومقاطع البادئة واللاحِقة. يكون مقطع البادئة 2-«ميثيل» في الشكل الآتي باللون الأزرق، ومقطع الجذر «بيوتان» باللون الأسود. الأرقام الأوَّلية 2-، 3- خضراء واللاحِقة «ـديول» حمراء.
وَضَع الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (الأيوباك) نظام تسمية منهجيًّا لتصنيف جميع أنواع جزيئات الكحولات المختلفة. دائمًا يشتمل اسم الكحول وفق الأيوباك على مقطع جذري، ويُمكن أن يتضمَّن أيضًا أرقامًا أوَّلية ومقاطع بادئة ولاحِقة. يوضِّح الشكل الآتي كيف يُمكن تكوين اسم الأيوباك لكحول واحد من مقطع جذري «بيوتان» وغيرها من الأرقام الأوَّلية ومقاطع البادئة واللاحِقة. يكون مقطع البادئة 2-«ميثيل» في الشكل الآتي باللون الأزرق، ومقطع الجذر «بيوتان» باللون الأسود. الأرقام الأوَّلية 2-، 3- خضراء واللاحِقة «ـديول» حمراء.
يتحدَّد مقطع الجذر دائمًا من خلال حجم سلسلة ذرات الكربون الأطول ورابطتها الجزيئية. الجذر هو الاسم الكامل أو المختصر لجزيء ألكان مثل «البيوتان». تتحدَّد اللاحقة من عدد مجموعات الهيدروكسيل التي ترتبط ارتباطًا تساهُميًّا بأطول سلسلة من ذرات الكربون. تكون اللاحقة هي «ـول» إذا كان للجزيء مجموعة هيدروكسيل واحدة، وتكون «ـديول» أو «ـترايول» إذا كان للجزيء مجموعتان أو ثلاث مجموعات هيدروكسيل. تتحدَّد البادئة بناءً على نوع وعدد المُستبدَلات التي حلَّت محلَّ ذرات الهيدروجين في أطول سلسلة من ذرات الكربون. عادةً تكون البادئة مزيجًا بسيطًا من أرقام وأسماء مجموعة الألكيل مثل: 2-«ميثيل» أو 2-«إيثيل»-4-«ميثيل». تتحدَّد الأرقام الأوَّلية من خلال موضع مجموعات الهيدروكسيل في أطول سلسلة من ذرات الكربون. يُمكن أن تكون الأرقام الأوَّلية رقمًا واحدًا أو مزيجًا من أرقام مختلفة. سنحدِّد اسم الأيوباك للمركَّب العضوي الآتي.
يتحدَّد مقطع الجذر دائمًا من خلال حجم سلسلة ذرات الكربون الأطول ورابطتها الجزيئية. الجذر هو الاسم الكامل أو المختصر لجزيء ألكان مثل «البيوتان». تتحدَّد اللاحقة من عدد مجموعات الهيدروكسيل التي ترتبط ارتباطًا تساهُميًّا بأطول سلسلة من ذرات الكربون. تكون اللاحقة هي «ـول» إذا كان للجزيء مجموعة هيدروكسيل واحدة، وتكون «ـديول» أو «ـترايول» إذا كان للجزيء مجموعتان أو ثلاث مجموعات هيدروكسيل. تتحدَّد البادئة بناءً على نوع وعدد المُستبدَلات التي حلَّت محلَّ ذرات الهيدروجين في أطول سلسلة من ذرات الكربون. عادةً تكون البادئة مزيجًا بسيطًا من أرقام وأسماء مجموعة الألكيل مثل: 2-«ميثيل» أو 2-«إيثيل»-4-«ميثيل». تتحدَّد الأرقام الأوَّلية من خلال موضع مجموعات الهيدروكسيل في أطول سلسلة من ذرات الكربون. يُمكن أن تكون الأرقام الأوَّلية رقمًا واحدًا أو مزيجًا من أرقام مختلفة. سنحدِّد اسم الأيوباك للمركَّب العضوي الآتي.
تحتوي سلسلة ذرات الكربون الأطول والوحيدة على خمس ذرات كربون، ويُمكننا استخدام هذه المُعطيات لتحديد أن الجذر هو «بنتان». تُوجَد مجموعة هيدروكسيل واحدة؛ لذلك يجب أن تكون اللاحقة «ـول». ويُمكن تحديد الرقم الأوَّلي من خلال ترقيم ذرات الكربون من الطرفين الأيمن والأيسر للجزيء. توضِّح الأرقام الحمراء كيف يُمكن ترقيم ذرات الكربون من الطرف الأيسر للجزيء. توضِّح الأرقام الزرقاء كيف يُمكن ترقيم ذرات الكربون من الطرف الأيمن للجزيء. يوضِّح تسلسل الأعداد الحمراء والزرقاء أن مُستبدَل الهيدروكسيل يُوجَد إمَّا عند الذرة الثانية (2) وإمَّا الرابعة (4) لسلسلة ذرات الكربون الرئيسية؛ ومن ثَمَّ يكون الرقم الأوَّلي إمَّا 2- وإمَّا 4-. وسيكون علينا اختيار خيار واحد فقط من خيارَيْ هذين الرقمين الأوَّلين. تكون الأرقام الحمراء هي الخيار المفضَّل هنا؛ لأننا نريد دائمًا أن تكون الأرقام الأوَّلية أقلَّ ما يُمكن. لا نحتاج إلى تحديد بادئة لاسم هذا الجزيء؛ لأنه لا يحتوي على أيِّ مُستبدَلات ألكيل.
سنحاول الآن تحديد اسم الأيوباك لجزيء ثنائي الهيدروكسيل يحتوي على مجموعة ميثيل واحدة مرتبطة بإحدى ذرات سلسلة الكربون الرئيسية.
تحتوي السلسلة الأطول من ذرات الكربون على أربع ذرات كربون، وهذا يعني أن الجذر هو «بيوتان». المُستبدَلات لدينا عبارة عن مجموعتَيْ هيدروكسيل ومجموعة ميثيل واحدة؛ ومن ثَمَّ يجب أن تكون اللاحِقة «ـديول»، ويجب أن تضمَّ البادئة المقطع «ميثيل».
يوضِّح الشكل الآتي اسم الأيوباك لبعض الأنواع الأخرى لجزيئات الكحولات.
من خلال هذه الأمثلة التمثيلية، يجب أن نتمكَّن من إدراك أنه يجب إدراج مُستبدَلات الألكيل بترتيب أبجدي، وأنه يُمكن تسمية جزيئات الكحولات الحلقية وفقًا لنفس اصطلاحات جزيئات السلسلة المستقيمة.
وبالمثل يُمكن أن يتَّحِد الماء مع جزيئات ألكين طويلة السلسلة لتكوين جزيئات كحول كبيرة نسبيًّا. يُمكن استخدام قاعدة ماركوفنيكوف لفهْم كيف تتَّحِد جزيئات الماء ( H O H ) وجزيئات هاليد الهيدروجين الأخرى ( H X ) عبر رابطة الكربون-الكربون المزدوجة لجزيئات ألكين طويل السلسلة. تنصُّ قاعدة ماركوفنيكوف على أن ذرة الهيدروجين في H O H أو جزيئات H X تُضاف إلى ذرة الكربون في جزيء الألكين التي ترتبط تساهُميًّا بعدد أكبر من ذرات الهيدروجين. وهذا يعني أن جزيئات 2-ميثيل-2-بيوتين تُنتِج جزيئات 2-ميثيل-2-بيوتانول إذا تفاعَلت مع جزيئات الماء. يوضِّح الشكل الآتي تفاعُل 2-ميثيل-2-بيوتين مع جزيئات الماء:
مثال ٣: فهْم كيف يُمكن إنتاج الإيثانول عن طريق تخمُّر سُكَّريات الجلوكوز أو الإماهة الحفزية لجزيئات الإيثين
توضِّح المعادلة الآتية كيف يُمكن تفاعُل جزيئات 2-برومو بروبان مع محلول مائي من هيدروكسيد البوتاسيوم لإنتاج 2-بروبانول، ويُمكن تصنيف 2-بروبانول الناتج باعتباره كحولًا ثانويًّا؛ لأنه يُمكن وصْفه بالصيغة العامَّة R C H O H 2؛ حيث R مجموعة ألكيل:
توضِّح المعادلة الآتية، بالمثل، كيف يُمكن تفاعُل 2-برومو-2-ميثيل بروبان مع محلول مائي من هيدروكسيد البوتاسيوم لتكوين ناتج 2-ميثيل-2-بروبانول. يُمكن تصنيف ناتج 2-ميثيل-2-بروبانول باعتباره كحولًا ثالثيًّا؛ لأنه يُمكن وصْفه بالصيغة العامَّة R C O H 3؛ حيث R مجموعة ألكيل:
توضِّح المعادلة الآتية، بالمثل، كيف يُمكن تفاعُل 2-برومو-2-ميثيل بروبان مع محلول مائي من هيدروكسيد البوتاسيوم لتكوين ناتج 2-ميثيل-2-بروبانول. يُمكن تصنيف ناتج 2-ميثيل-2-بروبانول باعتباره كحولًا ثالثيًّا؛ لأنه يُمكن وصْفه بالصيغة العامَّة R C O H 3؛ حيث R مجموعة ألكيل:
يعتمد معدَّل تفاعُلات الاستبدال على كلٍّ من قطبية رابطة الكربون-هالوجين وقوَّتها. وينبغي أن تَحدُث تفاعُلات الاستبدال بأقصى سرعة إذا كانت رابطة الكربون-هالوجين عالية القطبية، وإذا كانت رابطة الكربون-هالوجين ضعيفة للغاية ويَسهُل كسرها. ومع ذلك، لا يُمكن أن تكون رابطة الكربون-هالوجين عالية القطبية وضعيفة جدًّا وسهلة الكسر. وتكون روابط الكربون-هالوجين أقوى عندما تكون أكثر قطبية. رابطة الكربون-فلور هي رابطة الكربون-هالوجين الأكثر قطبية، كما أنها أقوى رابطة كربون-هالوجين. رابطة الكربون-يود هي رابطة الكربون-هالوجين الأقلُّ قطبية، كما أنها أضعف رابطة كربون-هالوجين. يوضِّح الشكل الآتي لماذا لا يُمكن أن تكون رابطة الكربون-هالوجين قطبية للغاية وضعيفة جدًّا ويَسهُل كسرها.
يعتمد معدَّل تفاعُلات الاستبدال على كلٍّ من قطبية رابطة الكربون-هالوجين وقوَّتها. وينبغي أن تَحدُث تفاعُلات الاستبدال بأقصى سرعة إذا كانت رابطة الكربون-هالوجين عالية القطبية، وإذا كانت رابطة الكربون-هالوجين ضعيفة للغاية ويَسهُل كسرها. ومع ذلك، لا يُمكن أن تكون رابطة الكربون-هالوجين عالية القطبية وضعيفة جدًّا وسهلة الكسر. وتكون روابط الكربون-هالوجين أقوى عندما تكون أكثر قطبية. رابطة الكربون-فلور هي رابطة الكربون-هالوجين الأكثر قطبية، كما أنها أقوى رابطة كربون-هالوجين. رابطة الكربون-يود هي رابطة الكربون-هالوجين الأقلُّ قطبية، كما أنها أضعف رابطة كربون-هالوجين. يوضِّح الشكل الآتي لماذا لا يُمكن أن تكون رابطة الكربون-هالوجين قطبية للغاية وضعيفة جدًّا ويَسهُل كسرها.
استُخدِمت التجارب الكيميائية لتوضيح أن قوة رابطة الكربون-هالوجين مُهِمَّة للغاية لتحديد معدَّل تفاعُلات الاستبدال بالتحلُّل المائي القلوي. تميل جزيئات ألكان الهالوجين إلى التفاعُل مع أيونات الهيدروكسيد بسرعة أكبر إذا كانت رابطة الكربون-الهالوجين ضعيفة نسبيًّا. يقارن الجدول الآتي قِيَم قوَّة أربع روابط كربون-هالوجين مختلفة. تُوضَّح قِيَم قوة الرابطة باعتبارها متوسط قِيَم طاقة الرابطة. الروابط الأقوى يكون لها أعلى متوسط قِيَم لطاقة الرابطة. وأضعف الروابط يكون لها أقلُّ متوسط قِيَم لطاقة الرابطة.
الكحولات فئة من المركبات العضوية التي تحتوي على مجموعة الهيدروكسيل ( O H ):
ويمكن تصنيف الكحولات إلى كحولات أوَّلية ( 1 ) ∘ أو كحولات ثانوية ( 2 ) ∘ أو كحولات ثالثية ( 3 ) ∘، حسب موضع مجموعة الهيدروكسيل. ويؤثِّر موضع مجموعة الهيدروكسيل على نشاط الجزيء:
ويمكن تصنيف الكحولات إلى كحولات أوَّلية ( 1 ) ∘ أو كحولات ثانوية ( 2 ) ∘ أو كحولات ثالثية ( 3 ) ∘، حسب موضع مجموعة الهيدروكسيل. ويؤثِّر موضع مجموعة الهيدروكسيل على نشاط الجزيء:
تُعتبر الكحولات مركبات مهمة للغاية؛ لأنه يمكن تصنيعها وتحويلها بسهولة إلى العديد من المجموعات الوظيفية الأخرى. ولهذا السبب، غالبًا ما تكون الكحولات مواد وسيطة في التخليقات العضوية الكبيرة.
عندما يتفاعل ألكين مع ماء في وجود حمض الكبريتيك، يمكن أن يتكوَّن الكحول. يمكن إضافة ذرة هيدروجين من حمض الكبريتيك إلى ذرة الكربون التي تحتوي على أكبر عدد من ذرات الهيدروجين في الرابطة المزدوجة. بعد ذلك تُضاف مجموعة هيدروكسيل من الماء إلى ذرة الكربون الأخرى في الرابطة المزدوجة وفقًا لما تنص عليه قاعدة ماركوفنيكوف. هذا هو تفاعل الإماهة لألكين:
تفاعل الإماهة
يمكن التحكُّم في اتجاه الاتزان من خلال متابعة درجة الحرارة من كثب:
يؤدِّي التركيز المنخفض للحمض وكمية فائضة من الماء إلى إزاحة التفاعل إلى اليمين. وإذا كان نزع الماء مفضَّلًا، فيمكن تقطير الماء عند إنتاجه لإزاحة التفاعل إلى اليسار.
يمكن نزع الماء من الكحولات الأوَّلية بواسطة حمض الكبريتيك، ولكن لا يمكن إنتاج الكحولات الأوَّلية عن طريق إماهة ألكين، باستثناء الإيثانول. وهذا يعني أن نزع الماء من كحول أوَّلي لا يكون في حالة اتزان مع إماهة ألكين. وعلى الرغم من ذلك، يجب مراقبة درجة حرارة التفاعل من كثب. يحدث تفاعل نزع الماء كما هو متوقَّع عندما تكون درجة الحرارة 1 8 0 ∘ C تقريبًا:
ومع ذلك، عندما تكون درجة الحرارة 1 4 0 ∘ C تقريبًا، يتفاعل جزيئان من الكحول الأوَّلي معًا عن طريق الاستبدال لتكوين إيثر متماثل:
ومع ذلك، عندما تكون درجة الحرارة 1 4 0 ∘ C تقريبًا، يتفاعل جزيئان من الكحول الأوَّلي معًا عن طريق الاستبدال لتكوين إيثر متماثل:
تفاعل: نزع الماء المحفز بالحمض لتحويل كحول أوَّلي إلى إيثر
في هذا التفاعل، تُزال مجموعة الهيدروكسيل للكحول، ويحل محلها هالوجين الحمض الهالوجيني، ما يؤدِّي إلى إنتاج الهالو ألكان والماء:
ويُضاف كلوريد الزنك ( Z n C l 2 ) عادةً باعتباره عاملًا حفَّازًا عندما يُستخدم حمض الهيدروكلوريك لهذا التفاعل.
خلال الأكسدة، تَفقد مجموعةُ الهيدروكسيل وذرة الكربون المرتبطة بمجموعة الهيدروكسيل ذرةَ هيدروجين. ولتعويض فقد الروابط، تكوِّن ذرة الأكسجين في مجموعة الهيدروكسيل رابطة مزدوجة مع ذرة الكربون.
وتعتمد المجموعة الوظيفية التي تتكوَّن عن طريق الأكسدة على نوع الكحول وظروف التفاعل المستخدَمة.
عند إضافة ثاني كرومات البوتاسيوم المُحمَّضة إلى كحول ثانوي، يُؤكسِد حمض الكروميك في المحلول الكحولَ إلى كيتون وينتج الماء. في هذه العملية، يُختزَل الكروم السداسي في حمض الكروميك إلى كروم رباعي:
ويخضع الكروم الرباعي لمزيد من التفاعلات في المحلول ليُختزَل إلى كروم ثلاثي. ويمكن ملاحظة تقدُّم التفاعل عندما يتأكسد الكروم السداسي البرتقالي اللون إلى الكروم الثلاثي الأخضر اللون.
ويخضع الكروم الرباعي لمزيد من التفاعلات في المحلول ليُختزَل إلى كروم ثلاثي. ويمكن ملاحظة تقدُّم التفاعل عندما يتأكسد الكروم السداسي البرتقالي اللون إلى الكروم الثلاثي الأخضر اللون.
برمنجنات البوتاسيوم بنفسجية اللون. وعند استخدامها في العامل المؤكسِد، يُختزَل المنجنيز، ويختفي اللون البنفسجي.
يمكن أكسدة الكحولات الأوَّلية أيضًا باستخدام ثاني كرومات البوتاسيوم المحمَّضة لتكوين ألدهيد:
ومع ذلك، تتأكسد الألدهيدات بسهولة أيضًا. ويمكن أن يؤكسد حمض الكروميك المتبقي في المحلول الألدهيد المتكوِّن حديثًا إلى حمض كربوكسيلي:
ومع ذلك، تتأكسد الألدهيدات بسهولة أيضًا. ويمكن أن يؤكسد حمض الكروميك المتبقي في المحلول الألدهيد المتكوِّن حديثًا إلى حمض كربوكسيلي:
يمكننا محاولة التحكُّم في ناتج أكسدة الكحول الأوَّلي من خلال تعديل ظروف التفاعل. عند إجراء التفاعل باستخدام كمية فائضة من ثاني كرومات البوتاسيوم المحمَّضة وتسخينها تحت تأثير التكثيف المرتد، يتأكسد الكحول الأوَّلي بالكامل إلى حمض كربوكسيلي.
أما الكحولات الثالثية فلا يمكن أن تتأكسد بهذه الطرق دون كسر رابطة كربون-كربون. ويرجع ذلك إلى أن الأكسدة تحدث عن طريق إزالة ذرة هيدروجين من ذرة الكربون التي ترتبط بها مجموعة الهيدروكسيل. في الكحولات الثالثية، ترتبط مجموعة الهيدروكسيل بذرة كربون غير مرتبطة بأي ذرات هيدروجين.
مثال ٣: تحديد بنية كحول من ناتج الأكسدة
الناتج الموضَّح هو 2-بنتانون، وهو كيتون:
يمثِّل كلا الخيارين ج، د جزيئات تحتوي على خمس ذرات كربون في سلسلة. يمثِّل الخيار ج ذرة أكسجين مرتبطة بذرة الكربون الثالثة في السلسلة، ويمثِّل الخيار د ذرة أكسجين مرتبطة بذرة الكربون الثانية في السلسلة:
تُعَد الكحولات أحماضًا وقواعد ضعيفة على حدٍّ سواء. عندما يَمنح كحول بروتونًا، تتكوَّن القاعدة المترافقة، وهي ألكوكسيد، التي تُسمَّى أيضًا أيون الألكوكسيد:
الألكوكسيدات مواد متفاعلة مهمة في العديد من التخليقات العضوية. ويمكن تكوينها عن طريق تفاعل كحول مع قاعدة قوية، مثل أميد الصوديوم ( N a N H 2 ):
الألكوكسيدات مواد متفاعلة مهمة في العديد من التخليقات العضوية. ويمكن تكوينها عن طريق تفاعل كحول مع قاعدة قوية، مثل أميد الصوديوم ( N a N H 2 ):
ويمكن أيضًا تكوين الألكوكسيدات من خلال إضافة فلز الصوديوم إلى كحول. يحدث تفاعل أكسدة واختزال، ويتحرَّر غاز الهيدروجين ( H 2 ):
ويمكن أيضًا تكوين الألكوكسيدات من خلال إضافة فلز الصوديوم إلى كحول. يحدث تفاعل أكسدة واختزال، ويتحرَّر غاز الهيدروجين ( H 2 ):
ويمكن أيضًا إجراء هذا التفاعل مع الليثيوم أو البوتاسيوم.
تفاعل: تفاعل كحول مع فلز نشط لتكوين ألكوكسيد الفلز
مثال ٤: تحديد نواتج تفاعل الإيثانول مع فلز الصوديوم
الإيثانول كحول أوَّلي له الصيغة الكيميائية C H O H 2 5، والصيغة التوضيحية الآتية:
عندما يتفاعل كحول مع فلز الصوديوم، يُزال الهيدروجين من مجموعة الهيدروكسيل، ويتأكسد الفلز، ويتكوَّن الألكوكسيد، وهو القاعدة المرافقة للكحول. وعندما تحدث هذه العملية لجزيئَي كحول، يمكن أن تتَّحد ذرات الهيدروجين المُزالة لتكوين غاز الهيدروجين ( H 2 ) الذي يتصاعد من التفاعل:
عندما يتفاعل كحول مع فلز الصوديوم، يُزال الهيدروجين من مجموعة الهيدروكسيل، ويتأكسد الفلز، ويتكوَّن الألكوكسيد، وهو القاعدة المرافقة للكحول. وعندما تحدث هذه العملية لجزيئَي كحول، يمكن أن تتَّحد ذرات الهيدروجين المُزالة لتكوين غاز الهيدروجين ( H 2 ) الذي يتصاعد من التفاعل:
يُسمَّى ألكوكسيد الفلز المتكوِّن عن طريق إزالة كلمة الفلز ووضع اسم الفلز المستخدَم في التفاعل محلها، والبادئة «ألكـ» تحل محلها البادئة التي تُشير إلى عدد ذرات الكربون المرتبطة بالمجموعة O –. ومن ثَمَّ فإن ألكوكسيد الفلز المتكوِّن عند تفاعل الصوديوم مع الإيثانول سيكون إيثوكسيد الصوديوم:
يُسمَّى ألكوكسيد الفلز المتكوِّن عن طريق إزالة كلمة الفلز ووضع اسم الفلز المستخدَم في التفاعل محلها، والبادئة «ألكـ» تحل محلها البادئة التي تُشير إلى عدد ذرات الكربون المرتبطة بالمجموعة O –. ومن ثَمَّ فإن ألكوكسيد الفلز المتكوِّن عند تفاعل الصوديوم مع الإيثانول سيكون إيثوكسيد الصوديوم:
إذن العبارة الصحيحة هي الخيار أ.
تُلخِّص خريطة التفاعل الآتية تفاعلات الكحولات التي تعلَّمناها.
مثال ٥: تفاعلات 2-بروبانول
يوضِّح مُخطَّط التفاعُل الآتي تفاعُلات مختلفة يُمكن أن يخضع لها جزيء 2-بروبانول:
أيُّ ناتِج يُمكن أن يكون كيتونًا؟ A B C
في الجزء الأول، توصَّلنا إلى أن الكحولات الثانوية تتفاعل مع حمض الهيدروكلوريك في وجود كلوريد الزنك عن طريق تفاعل استبدال، لإنتاج كلورو ألكان. في تفاعل الاستبدال هذا، يحل الكلور من حمض الهيدروكلوريك محل مجموعة الهيدروكسيل الوظيفية للكحول:
اسم الناتج الذي ينتج عن هذا التفاعل هو 2-كلورو بروبان، وهو الخيار ب.
عندما تتفاعل الكحولات الثانوية مع حمض الكبريتيك المركَّز، يحدث تفاعل نزع الماء الذي ينتج عنه ألكين وماء. ويكون هذا التفاعل في حالة اتزان، وعند درجات حرارة أعلى من 1 4 0 ∘ C، يمكن أن ينزاح الاتزان باتجاه الألكين.
عندما يُنزَع الماء من جزيء يحتوي على كحول، سيَفقد الجزيء مجموعة الهيدروكسيل وذرة هيدروجين مرتبطة بذرة كربون تبعُد موضعين عن مجموعة الهيدروكسيل. وتتكوَّن رابطة كربون-كربون مزدوجة بين ذرة الكربون التي فَقدت ذرة الهيدروجين، وذرة الكربون التي فَقدت مجموعة الهيدروكسيل.
عندما يُنزَع الماء من جزيء يحتوي على كحول، سيَفقد الجزيء مجموعة الهيدروكسيل وذرة هيدروجين مرتبطة بذرة كربون تبعُد موضعين عن مجموعة الهيدروكسيل. وتتكوَّن رابطة كربون-كربون مزدوجة بين ذرة الكربون التي فَقدت ذرة الهيدروجين، وذرة الكربون التي فَقدت مجموعة الهيدروكسيل.
في جزيء 2-بروبانول، توجد ست ذرات هيدروجين يمكن إزالتها أثناء نزع الماء. ذرات الهيدروجين هذه محاطة بدوائر في الشكل الآتي:
في جزيء 2-بروبانول، توجد ست ذرات هيدروجين يمكن إزالتها أثناء نزع الماء. ذرات الهيدروجين هذه محاطة بدوائر في الشكل الآتي:
إذا فُقدت أي ذرة من ذرات الهيدروجين على ذرة الكربون المرقَّمة برقم 1 خلال نزع الماء، فسيَنتج الناتج الآتي:
إذا فُقدت أي ذرة من ذرات الهيدروجين على ذرة الكربون المرقَّمة برقم 1 خلال نزع الماء، فسيَنتج الناتج الآتي:
هذا المركب هو الألكين بروبين.
إذا فُقدت أي ذرة من ذرات الهيدروجين على ذرة الكربون المرقَّمة برقم 3 خلال نزع الماء، فسيَنتج الناتج الآتي:
هذا المركب أيضًا بروبين. وبناءً عليه، فإن ناتج نزع الماء من 2-بروبانول سيكون بروبين، دون النظر إلى أيٌّ من ذرات الهيدروجين الست حُذفت أثناء التفاعل. ومن ثَمَّ، فإن الإجابة الصحيحة هي الخيار أ: تكوَّن متشاكل موضعي واحد فقط من هذا التفاعل.
يمكن نزع الماء من الكحولات الأوَّلية والثانوية والثالثية باستخدام حمض الكبريتيك لإنتاج ألكينات:
عند وجود حمض الكبريتيك، يمكن أن تتفاعل الكحولات الأوَّلية لتكوين إيثرات:
عند وجود حمض الكبريتيك، يمكن أن تتفاعل الكحولات الأوَّلية لتكوين إيثرات:
تخضع جميع الكحولات لتفاعل الاستبدال؛ إذ تتفاعل مع الأحماض الهالوجينية لإنتاج هالو ألكانات:
تخضع جميع الكحولات لتفاعل الاستبدال؛ إذ تتفاعل مع الأحماض الهالوجينية لإنتاج هالو ألكانات:
تتفاعل الكحولات الثانوية مع العوامل المؤكسدة لإنتاج الكيتونات:
تتفاعل الكحولات الثانوية مع العوامل المؤكسدة لإنتاج الكيتونات:
تتفاعل الكحولات الأوَّلية مع العوامل المؤكسدة لإنتاج الألدهيدات أو الأحماض الكربوكسيلية، بناءً على ظروف التفاعل:
تتفاعل الكحولات الأوَّلية مع العوامل المؤكسدة لإنتاج الألدهيدات أو الأحماض الكربوكسيلية، بناءً على ظروف التفاعل:
تتحوَّل الكحولات عن طريق نزع بروتون إلى ألكوكسيدات عندما تتفاعل مع فلز نشط:
تتفاعل الكحولات الأوَّلية مع العوامل المؤكسدة لإنتاج الألدهيدات أو الأحماض الكربوكسيلية، بناءً على ظروف التفاعل:
تتحوَّل الكحولات عن طريق نزع بروتون إلى ألكوكسيدات عندما تتفاعل مع فلز نشط:
تتحوَّل الكحولات عن طريق نزع بروتون إلى ألكوكسيدات عندما تتفاعل مع فلز نشط:
إذ يشير الفينول عادة إلى أبسط جزيء أروماتي هيدروكسيلي، حيث ترتبط فيه مجموعة هيدروكسيل واحدة بحلقة بنزين. وتركيب الفينول، الذي يعرف أيضًا بحمض الكربوليك أو هيدروكسي بنزين، موضَّح بالأسفل.
وتتمتع الفينولات بأهمية كبيرة في قطاع الصناعات الدوائية. فعلى سبيل المثال، يعد حمض الساليسيليك (المادة الأم للأسبرين)، والباراسيتامول، والفانيلين، المبينة أدناه، أمثلة على مركَّبات الفينول. ويشيع تستخدم المركَّبات الفينولية باعتبارها نقطة بداية لتصنيع مجموعة واسعة من المركبات المهمة.
وتتمتع الفينولات بأهمية كبيرة في قطاع الصناعات الدوائية. فعلى سبيل المثال، يعد حمض الساليسيليك (المادة الأم للأسبرين)، والباراسيتامول، والفانيلين، المبينة أدناه، أمثلة على مركَّبات الفينول. ويشيع تستخدم المركَّبات الفينولية باعتبارها نقطة بداية لتصنيع مجموعة واسعة من المركبات المهمة.
الفينولات
وإحدى الطرق الشائعة لتصنيع الفينول هي التحلُّل المائي للبنزين المهلجن مع هيدروكسيد الصوديوم. على سبيل المثال، ينتج عن تفاعل الكلورو بنزين مع هيدروكسيد الصوديوم عند 3 0 0 ∘ C و 300 ضغط جوي فينوكسيد الصوديوم. وبعد ذلك، يمكن معالجة فينوكسيد الصوديوم باستخدام H C l لإنتاج الفينول وكلوريد الصوديوم، كما يوضح مخطَّط التفاعل التالي.
ويحدث تفاعل مماثل بين الكلورو بنزين والبخار، على عامل حفاز من السليكون، وينتج الفينول وكلوريد الهيدروجين.
يُمكِن تحضير الفينول من أحد مشتقَّات البنزين.
ما المُتفاعِلان Y،X؟ البرومو بنزين، N a O H بنزوات الصوديوم، H C l الكلورو بنزين، H C l البرومو بنزين، H C l الكلورو بنزين، N a O H
فالفينولات حمضية بدرجة ضعيفة، وفي المحلول المائي قد تحدث عملية إزالة البروتون ليتكون أنيون فينوكسيد وأيون هيدرونيوم. وهذا موضَّح في ما يلي:
لكن الفينول أكثر حمضية من الكحولات الشائعة؛ مثل الإيثانول. ويمكن تفسير ذلك بوجود حلقة البنزين. وترتبط حمضية الجزيء باستقرار الأنيون المقابل له. عندما يفقد الفينول أيون هيدروجين من مجموعة الهيدروكسيل، يمكن أن يكتسب أنيون الفينوكسيد المقابل استقرارًا من وجود حلقة البنزين.
ولا يحدث مثل هذا الاستقرار في الكحولات مثل الإيثانول، والذي نستعرض في ما يلي عملية إزالة البروتون فيه:
وهذا يجعل الفينول حمضًا أقوى من الكحولات. لكن بما أن الاستقرار الناتج عن حلقة البنزين ضعيف، وأن معظم الشحنة يتبقى على الأكسجين، فإن الفينول يكون حمضيًّا بدرجة ضعيفة فقط.
ويمكن أيضًا إجراء تفاعل النيترة للفينول، وهو المصدر الرئيس لحمض البكريك، المعروف أيضًا باسم 6،4،2-ثلاثي نيترو فينول. تذكر أن مجموعة الهيدروكسيل لها تأثير موجه لموضعي الأورثو والبارا فيما يخص أماكن استبدال مجموعات النيترو على حلقة البنزين.
يتطلب التفاعل بين الفينول وحمض النيتريك حمض الكبريتيك المركز، ويتغير الناتج حسب تركيز حمض النيتريك. ينتج عن حمض النيتريك المخفف عادة استبدال أحادي، في حين أن إنتاج جزيء ثلاثي النيترو يتطلب حمض النيتريك المركز. وينتج التفاعل الماء أيضًا.
الأحماض الكربوكسيلية هي جزيئات عضوية تحتوي على الأقل على ذرة كربون واحدة تكوِّن رابطة ثنائية مع ذرة الأكسجين ( C O ) ورابطة أحادية مع مجموعة هيدروكسيل ( O H ). ويمكننا إعادة صياغة هذه العبارة لنقول إن الأحماض الكربوكسيلية هي جزيئات تحتوي على الأقل على مجموعة كربوكسيل وظيفية واحدة ( C O O H ). يوضح الشكل الآتي البنية العامة للحمض الكربوكسيلي.
يكون الحمض الكربوكسيلي أحادي القاعدية إذا كان يحتوي على مجموعة كربوكسيل واحدة. الصيغة العامة للحمض الكربوكسيلي أحادي القاعدية هي C H C O O H 2 + 1. تشمل الأحماض الكربوكسيلية أحادية القاعدية الشائعة حمض الفورميك، وحمض الأسيتيك، وحمض البيوتيريك.
يكون الحمض الكربوكسيلي أحادي القاعدية إذا كان يحتوي على مجموعة كربوكسيل واحدة. الصيغة العامة للحمض الكربوكسيلي أحادي القاعدية هي C H C O O H 2 + 1. تشمل الأحماض الكربوكسيلية أحادية القاعدية الشائعة حمض الفورميك، وحمض الأسيتيك، وحمض البيوتيريك.
تحتوي الأحماض الكربوكسيلية ثنائية القاعدية على مجموعتي كربوكسيل وظيفيَّتين. حمضُ الأكساليك حمضٌ كربوكسيلي ثنائي القاعدية شائع نسبيًّا يوجد في النباتات الورقية الخضراء مثل السبانخ. أمَّا حمض السكسينيك فهو أحد الأحماض الكربوكسيلية ثنائية القاعدية الموجودة في الطبيعة والتي توجد في أنسجة النبات والحيوان.
تحتوي الأحماض الكربوكسيلية ثنائية القاعدية على مجموعتي كربوكسيل وظيفيَّتين. حمضُ الأكساليك حمضٌ كربوكسيلي ثنائي القاعدية شائع نسبيًّا يوجد في النباتات الورقية الخضراء مثل السبانخ. أمَّا حمض السكسينيك فهو أحد الأحماض الكربوكسيلية ثنائية القاعدية الموجودة في الطبيعة والتي توجد في أنسجة النبات والحيوان.
حمضُ الستريك حمضٌ كربوكسيلي يحتوي على ست ذرات كربون ويوجد في الفواكه الحمضية. ويمكن أن يُعد حمضًا كربوكسيليًّا عديد القاعدية؛ لأنه يحتوي على ثلاث مجموعات كربوكسيل. تحتوي جميع جزيئات الأحماض عديدة القاعدية على مجموعتي كربوكسيل على الأقل، ويمكن لكل جزيء عديد القاعدية أن يطلق بروتونَيْن على الأقل ( H + ) في المحلول. تُطلِق بعض الأحماض الكربوكسيلية عديدة القاعدية بروتونَيْن فقط في المحلول، بينما قد يطلق البعض الآخر عدةَ بروتونات في المحلول.
حمضُ الستريك حمضٌ كربوكسيلي يحتوي على ست ذرات كربون ويوجد في الفواكه الحمضية. ويمكن أن يُعد حمضًا كربوكسيليًّا عديد القاعدية؛ لأنه يحتوي على ثلاث مجموعات كربوكسيل. تحتوي جميع جزيئات الأحماض عديدة القاعدية على مجموعتي كربوكسيل على الأقل، ويمكن لكل جزيء عديد القاعدية أن يطلق بروتونَيْن على الأقل ( H + ) في المحلول. تُطلِق بعض الأحماض الكربوكسيلية عديدة القاعدية بروتونَيْن فقط في المحلول، بينما قد يطلق البعض الآخر عدةَ بروتونات في المحلول.
مثال ١: تحديد أي الخيارات الموضحة ليس حمضًا كربوكسيليًّا أحادي القاعدية
لقد استخدمنا حتى الآن الأسماء الشائعة لوصف الأحماض الكربوكسيلية والإشارة إليها. عادة ما تصف الأسماء الشائعة في الأساس كيفية اكتشاف وتحضير الأحماض الكربوكسيلية. تم استخلاص حمض الفورميك بالأساس من النمل (النمل الأحمر)، بينما تم استخلاص حمض البالميتيك من زيت النخيل.
ويمكن أيضًا تسمية الأحماض الكربوكسيلية وفقًا لنظام تسمية أكثر تنظيمًا. يمكن تسمية الأحماض الكربوكسيلية باستخدام نظام تصنيف الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (الأيوباك).
على سبيل المثال، اسم الأيوباك للألكان الذي يتكون من ذرتي كربون هو الإيثان؛ ومن ثَمَّ فإن اسم الأيوباك لحمض كربوكسيلي يتكون من ذرتي كربون هو حمض الإيثانويك. يوضح الشكل التالي بنيةَ ومخطط ترقيم الإيثان وحمض الإيثانويك.
يوضح الجدول الآتي تركيب وأسماء بعض الأحماض الكربوكسيلية الشائعة. ستلاحظ أن جذر اسم الجزيء يشير إلى عدد ذرات الكربون التي تقع ضمن نطاق السلسلة الأساسية. يشير جذر الاسم «إيثان» إلى أن الجزيء يحتوي على ذرتي كربون في السلسلة الأساسية، ويشير جذرا الاسم «بروبان» و«بيوتان» إلى أن الجزيئين يحتويان على ثلاث أو أربع ذرات كربون في السلسلة الأساسية. جميع أسماء الجزيئات تبدأ بحمض وتنتهي باللاحقة «ـويك» لتوضح وجود مجموعة كربوكسيل وظيفية عند ذرة الكربون رقم واحد.
عندما تحتوي أحد الأحماض الكربوكسيلية على حلقة مشبعة أو غير مشبعة، يتكون اسم الأيوباك عادة بإضافة «حمض» قبل اسم المركب وإضافة مصطلح «كربوكسيلي» بعد اسم الأيوباك للمركب الحلقي. ويمكن فهم هذه العبارة من خلال فحص المركب C H C O O H 6 5 في الجدول التالي. يحتوي المركب على حلقة بنزين تحتوي على مستبدل مجموعة كربوكسيل واحد. والاسم النظامي للأيوباك لهذا الجزيء هو حمض البنزين الكربوكسيلي. يشير جذر الاسم «بنزين» إلى أن الجزيء يحتوي على حلقة بنزين غير مشبعة، وتشير البادئة حمض واللاحقة «كربوكسيلي» إلى أن الحلقة تحتوي على مجموعة كربوكسيل وظيفية واحدة. لكن من الشائع تسمية هذا الجزيء حمض البنزويك بدلًا من حمض البنزين الكربوكسيلي. وحمض البنزويك هو اسم الأيوباك المفضل له، وتستخدم أسماء الأيوباك المفضلة أكثر من أسماء الأيوباك النظامية.
عند تسمية الأحماض الكربوكسيلية المتفرِّعة أو تلك التي تحتوي على مستبدلات أخرى، يشار إلى موضع المستبدل بعدد يناظر رقم ذرة الكربون التي يوجد فيها المستبدل في أطول سلسلة كربون.
بالنظر إلى الجزيئات الآتية:
أيُّ هذه الجزيئات يُطلَق عليه 3-ميثيل حمض البيوتانويك؟
استعرضت الفقرات السابقة كيف يطلق اسم حمض البنزويك عادة على ما يجب تسميته بحمض البنزين الكربوكسيلي. ويوجد أيضًا أحماض كربوكسيلية أروماتية أخرى لها أسماء شائعة لا تتطابق أسماء الأيوباك النظامية الخاصة بها. يوضح الشكل التالي الأسماء الشائعة لثلاثة من الأحماض الكربوكسيلية الأروماتية الأخرى التي لها وضع خاص.
يمكن تحضير الأحماض الكربوكسيلية عن طريق أكسدة كحول أولي أو ألدهيد. تحدث الأكسدة عادة باستخدام أي من أملاح الكرومات الصلبة الآتية في وجود حمض الكبريتيك المائي ( H S O 2 4 ): كرومات البوتاسيوم ( K C r O 2 4 ) أو ثاني كرومات البوتاسيوم ( K C r O 2 2 7 ) أو كرومات الصوديوم ( N a C r O 2 4 ) أو ثاني كرومات الصوديوم ( N a C r O 2 2 7 ).
تفاعل: تحضير الأحماض الكربوكسيلية
يمكن أن يحضر الكيميائيون حمض الأسيتيك من الإيثانول. إذ يمكنهم أكسدة الإيثانول لتكوين الأسيتالدهيد، ثم يمكنهم أكسدة الأسيتالدهيد لتحضير حمض الأسيتيك. يمكن أيضًا إنتاج حمض الأسيتيك من خلال عملية تفاعل مختلفة تتكون من خطوتين. يستطيع الكيميائيون تحضير الأسيتالدهيد من خلال الإماهة الحفزية للأسيتيلين. وبعد ذلك يمكنهم أكسدة جزيئات الأسيتالدهيد الناتجة لتكوين حمض الأسيتيك المرغوب فيه. وهذه المعلومات ملخَّصة في الشكل التالي.
يمكن أن يحضر الكيميائيون حمض الأسيتيك من الإيثانول. إذ يمكنهم أكسدة الإيثانول لتكوين الأسيتالدهيد، ثم يمكنهم أكسدة الأسيتالدهيد لتحضير حمض الأسيتيك. يمكن أيضًا إنتاج حمض الأسيتيك من خلال عملية تفاعل مختلفة تتكون من خطوتين. يستطيع الكيميائيون تحضير الأسيتالدهيد من خلال الإماهة الحفزية للأسيتيلين. وبعد ذلك يمكنهم أكسدة جزيئات الأسيتالدهيد الناتجة لتكوين حمض الأسيتيك المرغوب فيه. وهذه المعلومات ملخَّصة في الشكل التالي.
يستخدم بعض الكيميائيين المصريين نوعًا خاصًا من البكتيريا لأكسدة جزيئات الإيثانول وتحويلها إلى حمض الأسيتيك. وتُسمى هذه العملية أحيانًا بالأستلة. يعتمد معدل تفاعلات الأستلة على التركيز الغازي لجزيئات الأكسجين.
يستخدم بعض الكيميائيين المصريين نوعًا خاصًا من البكتيريا لأكسدة جزيئات الإيثانول وتحويلها إلى حمض الأسيتيك. وتُسمى هذه العملية أحيانًا بالأستلة. يعتمد معدل تفاعلات الأستلة على التركيز الغازي لجزيئات الأكسجين.
تتكون عملية تحضير حمض البنزويك من أكسدة التولوين (ميثيل البنزين) في وجود عامل حفاز يحتوي على الفاناديوم، مثل: V O 2 5.
تتكون عملية تحضير حمض البنزويك من أكسدة التولوين (ميثيل البنزين) في وجود عامل حفاز يحتوي على الفاناديوم، مثل: V O 2 5.
توضح المعادلة التالية مثالًا محددًا على عملية التفاعل العامة هذه. توضح هذه المعادلة كيف يمكن استخدام أكسيد الفاناديوم الخماسي عاملًا حفازًا لتحويل التولوين إلى حمض البنزويك.
توضح المعادلة التالية مثالًا محددًا على عملية التفاعل العامة هذه. توضح هذه المعادلة كيف يمكن استخدام أكسيد الفاناديوم الخماسي عاملًا حفازًا لتحويل التولوين إلى حمض البنزويك.
يمكننا الكشف عن وجود الأحماض (بما في ذلك الأحماض الكربوكسيلية) باستخدام كواشف مختلفة. يمكننا استخدام ورقة عباد الشمس للكشف عن وجود حمض كربوكسيلي؛ لأن الأحماض الكربوكسيلية يمكن أن تحول ورقة عباد الشمس الزرقاء إلى اللون الأحمر. يمكننا أيضًا استخدام كربونات الهيدروجين، أو أي أنواع أخرى من الكربونات، لتحديد إذا ما كان أحد الأحماض الكربوكسيلية موجودًا في المحلول. تنتج الأحماض الكربوكسيلية الماء، والملح، وثاني أكسيد الكربون عندما تتفاعل مع كربونات الهيدروجين أو مركبات الكربونات الأخرى. فيما يلي مثال يوضح اختبار الكشف الذي يجري على حمض الأسيتيك.
يمكننا الكشف عن وجود الأحماض (بما في ذلك الأحماض الكربوكسيلية) باستخدام كواشف مختلفة. يمكننا استخدام ورقة عباد الشمس للكشف عن وجود حمض كربوكسيلي؛ لأن الأحماض الكربوكسيلية يمكن أن تحول ورقة عباد الشمس الزرقاء إلى اللون الأحمر. يمكننا أيضًا استخدام كربونات الهيدروجين، أو أي أنواع أخرى من الكربونات، لتحديد إذا ما كان أحد الأحماض الكربوكسيلية موجودًا في المحلول. تنتج الأحماض الكربوكسيلية الماء، والملح، وثاني أكسيد الكربون عندما تتفاعل مع كربونات الهيدروجين أو مركبات الكربونات الأخرى. فيما يلي مثال يوضح اختبار الكشف الذي يجري على حمض الأسيتيك.
والآن بعد أن تناولنا كيفية تمييز الأحماض الكربوكسيلية وتسميتها وتحضيرها، دعونا نناقش خواص هذه الفئة من المركبات العضوية من حيث خواصها الحمضية، ونقطة الغليان، والذوبانية.
القوى بين الجزيئية هي قوى تجاذبيه أو تنافرية بين الجزيئات المتجاورة أو الذرات غير المترابطة. والقوى بين الجزيئية هي القوى التي تربط بين الجزيئات، وتحدد قابلية ذوبان مادة في مادة أخرى. يوضح الشكل التالي القوى التي تربط بين جزيئات الماء وجزيئات الإيثانول أو حمض الإيثانويك.
ستلاحظ أن الإيثانول وحمض الإيثانويك يحتويان على العدد نفسه من ذرات الكربون، وأن كلًّا منهما به مجموعة O H وظيفية واحدة. يمكن أن تكون جزيئات الإيثانول وحمض الإيثانويك روابط هيدروجينية مع جزيئات الماء المجاورة.
لكن عندما يكوِّن جزيئان من الأحماض الكربوكسيلية رابطة هيدروجينية بين ذرة الهيدروجين لجزيء حمض كربوكسيلي وذرة أكسجين مجموعة الكربونيل لجزيء حمض كربوكسيلي آخر، فإن هذا يجعل باقي الجزيئين يصطفان لكي يكوِّنا رابطة هيدروجينية ثانية بين الجزيئيين. ويؤدي هذا إلى تكوُّن دايمر، كما موضح في الصورة التالية.
يؤدي تكوين الدايمرات بين جزيئات الأحماض الكربوكسيلية إلى تعزيز قوى تشتُّت لندن داخل المحلول؛ ما يزيد درجة غليان الأحماض الكربوكسيلية مقارنة بالكحولات المناظرة لها. وهذا هو السبب في أن درجة غليان حمض الأسيتيك ( 1 1 8 ∘ C ) أعلى بكثير من درجة غليان الإيثانول ( 7 8 ∘ C ).
الصيغة الكيميائية لحمض اللاكتيك هي C H C H ( O H ) C O O H 3 وكتلته المولية 90.08 g/mol. يوضح الشكل التالي بنية حمض اللاكتيك. يوجد حمض اللاكتيك في اللبن الرائب؛ لأنه ينتج بفعل بعض أنواع البكتيريا عند تخميرها لسكر اللاكتوز. ويتولد حمض اللاكتيك أيضًا في جسم الإنسان عند ممارسة التمارين الشاقة.
يُعرف حمض الأسكوربيك بالعامية بفيتامين ج. لا يحتوي حمض الأسكوربيك على مجموعة كربوكسيل وظيفية عادية. إذ يحتوي على ذرة أكسجين ثنائية الرابطة ( O ) ومجموعة هيدروكسيل ( O H ) غير مرتبطتين بذرة الكربون نفسها. ترتبط ذرة الأكسجين ثنائية الرابطة بذرة كربون، وترتبط مجموعة الهيدروكسيل بذرة الكربون المجاورة. يوجد فيتامين ج في الفواكه الحمضية وفي معظم الخضراوات. ويمكن أن تتسبب قلة تناول فيتامين ج في التهاب اللثة ومشاكل صحية أخرى مثل مرض الأسقربوط.
يُعرف حمض الأسكوربيك بالعامية بفيتامين ج. لا يحتوي حمض الأسكوربيك على مجموعة كربوكسيل وظيفية عادية. إذ يحتوي على ذرة أكسجين ثنائية الرابطة ( O ) ومجموعة هيدروكسيل ( O H ) غير مرتبطتين بذرة الكربون نفسها. ترتبط ذرة الأكسجين ثنائية الرابطة بذرة كربون، وترتبط مجموعة الهيدروكسيل بذرة الكربون المجاورة. يوجد فيتامين ج في الفواكه الحمضية وفي معظم الخضراوات. ويمكن أن تتسبب قلة تناول فيتامين ج في التهاب اللثة ومشاكل صحية أخرى مثل مرض الأسقربوط.
حمض البنزويك هو أبسط جزيء حمض كربوكسيلي يحتوي على حلقة بنزين. يوجد حمض البنزويك في أنواع مختلفة من النباتات، ويستخدم في إنتاج المواد البلاستيكية والصبغات، ومستحضرات التجميل وطارد الحشرات. يضاف عادة مركب بنزوات الصوديوم المشتق من حمض البنزويك إلى المنتجات الغذائية لأنه يمكن أن يمنع نمو الفطريات.
حمض الساليسيليك هو جزيء حمض كربوكسيلي آخر يحتوي على حلقة بنزين. ويقارن الشكل التالي بين بنية حمض الساليسيليك وبنية حمض البنزويك. حمض الساليسيليك هو مكون فعَّال في العديد من أدوية حب الشباب التي لا تستلزم وصفة طبية، ويُعرف الإستر المشتق من حمض الساليسيليك بالإسبرين. يستخدم هذا المركب عادة في صناعة مستحضرات التجميل؛ لأنه يجعل بشرة الإنسان أكثر نعومة ومرونة.
حمض الستريك حمض ضعيف يوجد في معظم أنواع الفواكه الحمضية. الصيغة الكيميائية لجزيء حمض الستريك هي C H O 6 8 7 ويمكن أن يشكل ما يصل إلى %8 من الوزن الجاف من أنواع الليمون المختلفة. من المعروف أن حمض الستريك يمنع نمو البكتيريا في الطعام. ويضاف أحيانًا حمض الستريك إلى الفواكه المجمدة ليحافظ على لونها وطعمها.
الأحماض الأمينية هي مركبات حيوية تحتوي على مجموعة كربوكسيل في طرف، ومجموعة أمينية ( N H 2 ) في الطرف الآخر. ولا يمكن المبالغة في أهمية الأحماض الأمينية. فهي تُستخدم في تخليق البروتينات، وتجعل البروتيات الحياة ممكنة. الجلايسين هو أبسط أنواع الأحماض الأمينية. وصيغته الكيميائية هي H N C H C O O H 2 2 وبنيته موضحة في الشكل التالي. يوضح الشكل أيضًا البنية العامة للأحماض الأمينية؛ نظرًا لوجود عشرين نوعًا مختلفًا من الأحماض الأمينية الموجودة في البروتينات الطبيعية.
يمكن تصنيف جميع مركبات الأحماض الكربوكسيلية المذكورة أعلاه، باستثناء حمض الستريك، على أنها أحماض كربوكسيلية أحادية القاعدية؛ لأن جميعها تحتوي على مجموعة كربوكسيل وظيفية واحدة.
الحمض الكربوكسيلي نوع من المواد الكيميائية. تحتوي الأحماض الكربوكسيلية على مجموعة الكربوكسيل الوظيفية:
وفيما يأتي التفاعلات التي سنتناولها.
وفيما يأتي التفاعلات التي سنتناولها.
الأحماض الكربوكسيلية أحماض ضعيفة. حمض الإيثانويك، وهو المادة الفعالة في الخل، حمض كربوكسيلي: R C O O H H O ( ) R C O O ( ) H O ( ) + + 2 – 3 + l a q a q
يمكن أن تتفاعل الأحماض الكربوكسيلية مع الفلزات الأكثر نشاطًا من الهيدروجين. ويمكننا الاسترشاد بسلسلة النشاط الكيميائي، فالفلزات التي تسبق الهيدروجين في سلسلة النشاط الكيميائي يجب أن تتفاعل مع الأحماض الكربوكسيلية.
هذه هي المعادلة العامة لفلز نشط يتفاعل مع حمض: ﻓ ﻠ ﺰ ﺣ ﻤ ﺾ ﻣ ﻠ ﺢ ا ﻟ ﻔ ﻠ ﺰ ﻫ ﻴ ﺪ ر و ﺟ ﻴ ﻦ + ⟶ +
على سبيل المثال:
يمكننا التأكد من أن الغاز الناتج عن هذا التفاعل هو الهيدروجين عن طريق إجراء اختبار الفرقعة، وذلك بوضع شظية مشتعلة عند فوهة أنبوب الاختبار المحتوي على الغاز. إذا كان الغاز هو الهيدروجين، فستَصدُر ومضة قصيرة مع صوت فرقعة مميَّز.
على سبيل المثال:
يمكننا التأكد من أن الغاز الناتج عن هذا التفاعل هو الهيدروجين عن طريق إجراء اختبار الفرقعة، وذلك بوضع شظية مشتعلة عند فوهة أنبوب الاختبار المحتوي على الغاز. إذا كان الغاز هو الهيدروجين، فستَصدُر ومضة قصيرة مع صوت فرقعة مميَّز.
على سبيل المثال:
لكونها حمضية، تتفاعل الأحماض الكربوكسيلية مع هيدروكسيدات الفلزات في تفاعل الحمض والقاعدة لإنتاج ملح وماء. والملح الناتج هو ملح كربوكسيلات الفلز.
تفاعل هيدروكسيد الصوديوم مع حمض البروبانويك هو:
الكربونات عبارة عن مواد تحتوي على أيونات الكربونات ( C O 3 2 – ).
هذا هو تفاعل كربونات الكالسيوم مع محلول مائي من حمض الإيثانويك:
البيكربونات عبارة عن مواد تحتوي على أيونات البيكربونات ( H C O ) 3 –.
على سبيل المثال، هذا هو تفاعل بيكربونات الصوديوم مع محلول مائي من حمض الإيثانويك:
يُعَد التفاعل مع الكربونات أو البيكربونات طريقة للكشف عن وجود الأحماض الكربوكسيلية. هذا الاختبار يُعرَف باسم اختبار الحمضية. إن إنتاج ثاني أكسيد الكربون، الذي يُلاحَظ عادةً في صورة فوران، يمكن استخدامه للمساعدة في التعرُّف على الأحماض الكربوكسيلية.
تتشابه الإسترات مع الأحماض الكربوكسيلية، إلا أنها تحتوي على مجموعة ألكيل بدلًا من ذرة الهيدروجين.
أسترة حمض كربوكسيلي
تفاعل: الأسترة المحفَّزة بحمض لحمض كربوكسيلي مع كحول
هذا التفاعل انعكاسي؛ لذا، يمكن استخدام كمية فائضة من الكحول أو الحمض الكربوكسيلي لزيادة المردود عند الاتزان. وقد تلاحِظ أن هذا التفاعل هو العملية العكسية للتحلُّل المائي الحمضي للإستر بالضبط. وبتغيير ظروف التفاعل، يمكننا تحريك موضع الاتزان نحو أحد الطرفين أو نحو الطرف الآخر؛ ما يُعطينا كمية أكبر أو أقل من الإستر.
إذا أردنا الحصول على إيثانوات الإيثيل، يمكننا تسخين خليط من الإيثانول وحمض الإيثانويك معًا، مع بعض من حمض الكبريتيك المركز. يمكننا تحسين مردود التفاعل عن طريق تقطير إيثانوات الإيثيل فَوْر تكوُّنها؛ فإيثانوات الإيثيل لها درجة غليان 7 7 ∘ C، وهي أقل من درجة غليان الإيثانول ( 7 8 ∘ C ) وحمض الإيثانويك ( 1 1 7. 9 ∘ C ) والماء ( 1 0 0 ∘ C ) وحمض الكبريتيك ( 3 3 7 ∘ C ). سيحتوي ناتج التقطير على نسبة عالية من الإيثانول إذا لم يحدث المزيد من التنقية:
يكون تفاعل حمض البروبانويك مع الإيثانول كالآتي:
يكون تفاعل حمض البروبانويك مع الإيثانول كالآتي:
مرةً أخرى، ناتجا هذا التفاعل هما إستر وماء. أما الإستر الناتج فيُسمَّى بروبانوات الإيثيل.
تحدُث تفاعلات أسترة فيشر أيضًا بين الأحماض الكربوكسيلية الحلقية والكحولات. هيا نتناول التفاعل بين حمض هكسان كربوكسيلي حلقي والميثانول. على الرغم من أن مجموعة الحمض الكربوكسيلي متصلة بهيدروكربون حلقي، يظل التفاعل في السيْر بالطريقة المعتادة لإعطاء الإستر والماء المناظرين. التفاعل موضَّح فيما يأتي:
توفِّر الأسترة أيضًا طريقة أخرى للكشف عن وجود الأحماض الكربوكسيلية. في اختبار الأسترة، يُضاف الإيثانول إلى العيِّنة مع قطرات قليلة من حمض الكبريتيك. بعد ذلك، يُسخَّن الخليط الناتج بلطف. إذا كانت العيِّنة تحتوي على حمض كربوكسيلي، يحدث تفاعل أسترة ويتكوَّن الإستر. بما أن العديد من الإسترات له رائحة ذكية، تشبه رائحة الزهور أو الفاكهة عادةً، فإنه إذا انبعثت رائحة ذكية من الخليط عند التسخين، فمن المرجح أن العيِّنة الأصلية كانت تحتوي على حمض كربوكسيلي.
يوضِّح الشكل الآتي حالة التأكسد لذرة الكربون المركزية في حمض كربوكسيلي وألدهيد وكحول أوَّلي:
يمكن إجراء هذا الاختزال باستخدام عوامل مختزلة مختلفة، مثل:
هذا هو التفاعل العام:
والتفاعل الآتي يمثِّل التفاعل الكلي.
تفاعل: الاختزال الكامل لحمض كربوكسيلي إلى كحول أوَّلي
هيا نُلقِ نظرة على مثال نستخدم فيه الهيدروجين ( H 2 ) عاملًا مختزلًا وكروميت النحاس عاملًا حفَّازًا:
هيا نُلقِ نظرة على مثال نستخدم فيه الهيدروجين ( H 2 ) عاملًا مختزلًا وكروميت النحاس عاملًا حفَّازًا:
يمكن لكروميت النحاس ( C u C r O 2 2 5 ) أن يُكوِّن C u C r O 2 4، وهو العامل الحفَّاز الفعَّال. فهو يسمح للهيدروجين باختزال الحمض الكربوكسيلي بمعدل مقبول. يمكن أيضًا استخدام كرومات النحاس ( C u C r O 4 ).
يمكننا أيضًا مناقشة اختزال حمض البروبانويك باستخدام L i A l H 4، في وجود حمض الكبريتيك. يكون التفاعل الكامل أكثر تعقيدًا، لكن يمكننا توضيح التفاعل المبسَّط:
مرةً أخرى، ينتج عن الاختزال الكحول المناظر، وهو البروبانول في هذه الحالة.
هيا نقارِن بين حمض البنزويك وحمض هكسان كربوكسيلي حلقي. فيما يأتي بنية كلٍّ منهما:
حمض البنزويك هو الأكثر نشاطًا من بينهما:
على سبيل المثال، يمكن تحويل حمض البنزويك بسهولة إلى بنزوات الميثيل:
ولكن، عند محاولة هدرجة حمض البنزويك للحصول على فينيل ميثانول، من المحتمَل أن يؤدي ذلك إلى هدرجة الحلقة الأروماتية؛ ولذا، يلزم استخدام عوامل حفَّازة خاصة.
في إحدى التجارب، سُخِّنَت عيِّنة من حمض البروبانويك في وجود C u C r O 4 عند 2 0 0 ∘ C. يوضِّح الآتي مُخطَّط التفاعل:
ما اسم الناتج B؟ 1-بيوتانول الإيثانول 2-بيوتانول 1-بروبانول 2-بروبانول
الأحماض الكربوكسيلية الأروماتية أكثر حمضيةً من الأحماض الكربوكسيلية الأليفاتية؛ ولذا، فهي تتفاعل أسرع مع الفلزات وأكاسيد الفلزات وهيدروكسيدات الفلز والكربونات والبيكربونات، وتسهُل أسترتها.
الإسترات عبارة عن مركبات عضوية، الصيغة الكيميائية العامة لها هي R C O O R ′، والصيغة البنائية العامة موضَّحة في الآتي. ويُعَد إيثانوات الميثيل مثالًا على الإسترات، وصيغته C H C O O C H 3 3.
المجموعة الوظيفية ( C O O ) يمكن أن يُشار إليها باسم رابطة الإستر.
في المعادلة الآتية، يمثِّل O R ′ مجموعة الألكوكسيد، ويمثِّل O H مجموعة الهيدروكسيل في الحمض الكربوكسيلي. يسبِّب هذا التفاعل تكوين الرابطة C O في الإستر، والرابطة O H في الماء:
يكوِّن هذا التفاعل اتزانًا ينشأ ببطء ما لم يستخدم عاملًا حفَّازًا حمضيًّا قويًّا، مثل H S O 2 4 المركَّز. وهذا ليس التفاعل الوحيد المستخدَم لتكوين الإسترات، لكنه التفاعل الأكثر شيوعًا. ويُطلَق عليه أسترة فيشر، وفيما يلي مثال على هذا التفاعل. يوضِّح التفاعل اتحاد حمض الإيثانويك والإيثانول في وجود عامل حفَّاز حمضي لإنتاج إيثانوات الإيثيل والماء:
يكوِّن هذا التفاعل اتزانًا ينشأ ببطء ما لم يستخدم عاملًا حفَّازًا حمضيًّا قويًّا، مثل H S O 2 4 المركَّز. وهذا ليس التفاعل الوحيد المستخدَم لتكوين الإسترات، لكنه التفاعل الأكثر شيوعًا. ويُطلَق عليه أسترة فيشر، وفيما يلي مثال على هذا التفاعل. يوضِّح التفاعل اتحاد حمض الإيثانويك والإيثانول في وجود عامل حفَّاز حمضي لإنتاج إيثانوات الإيثيل والماء:
وحمض الإيثانويك يُعرَف أيضًا بحمض الأسيتيك، ويُشار أيضًا إلى إيثانوات الإيثيل بأسيتات الإيثيل.
تحل مجموعة الألكوكسيد لكحول ( O C H R ) a 2 محل مجموعة الهيدروكسيل ( O H ) للحمض الكربوكسيلي. ومن ثَمَّ، تتكوَّن رابطة بين C e و O المجاورة لـ C H a 2، ويتم تكوين رابطة الإستر ( C O O ). وفيما يلي مخطط هذا التفاعل:
السلسلة المكوَّنة من خمس ذرات كربون الموجودة في 5-هيدروكسي حمض البنتانويك هى سلسلة مستمرة مع المجموعتين الوظيفيتين عند أحد طرفَي السلسلة. ومن ثَمَّ، ينتج اللاكتون المكوَّن من ست ذرات؛ تتضمَّن ذرات الكربون الخمس، وذرة الأكسجين، من مجموعة الكحول الوظيفية.
يوضِّح الشكل الآتي كيفية إيجاد الكحول والحمض الكربوكسيلي الأصليين لإستر عام.
يوضِّح الشكل الآتي مثالًا لكيفية إيجاد الحمض الكربوكسيلي والكحول الأصليين لإستر.
يوضِّح الشكل الآتي مثالًا لكيفية إيجاد الحمض الكربوكسيلي والكحول الأصليين لإستر.
من الواضح أن المركبات المستخدَمة لتكوين الإستر هي حمض الإيثانويك، وهو ما يُعرَف أيضًا بحمض الأسيتيك، والميثانول. يمكن استخدام اسم الجزيئات الأصلية لتسمية الإستر. يأتي اسم الإستر من اسم الكحول، مع تغيير الجزء الأخير من الاسم إلى «ـيل». والجزء الآخر من الاسم يأتي من الحمض الكربوكسيلى مع تغيير الجزء الأخير من الاسم إلى «ـوات». وإذا استكملنا المثال الموضَّح سابقًا، يصبح «الميثانول» «ميثيل»، ويصبح «حمض الإيثانويك» «إيثانوات». ومن ثَمَّ، نجد أن اسم الإستر هو «إيثانوات الميثيل». وبما أن حمض الإيثانويك يُشار إليه أيضًا بحمض الأسيتيك، فقد يُطلَق أيضًا على الإستر اسم أسيتات الميثيل. لاحظ هنا أنه في هذه الحالة، نُضيف اللاحقة «ـات» بدلًا من «ـوات».
من الواضح أن المركبات المستخدَمة لتكوين الإستر هي حمض الإيثانويك، وهو ما يُعرَف أيضًا بحمض الأسيتيك، والميثانول. يمكن استخدام اسم الجزيئات الأصلية لتسمية الإستر. يأتي اسم الإستر من اسم الكحول، مع تغيير الجزء الأخير من الاسم إلى «ـيل». والجزء الآخر من الاسم يأتي من الحمض الكربوكسيلى مع تغيير الجزء الأخير من الاسم إلى «ـوات». وإذا استكملنا المثال الموضَّح سابقًا، يصبح «الميثانول» «ميثيل»، ويصبح «حمض الإيثانويك» «إيثانوات». ومن ثَمَّ، نجد أن اسم الإستر هو «إيثانوات الميثيل». وبما أن حمض الإيثانويك يُشار إليه أيضًا بحمض الأسيتيك، فقد يُطلَق أيضًا على الإستر اسم أسيتات الميثيل. لاحظ هنا أنه في هذه الحالة، نُضيف اللاحقة «ـات» بدلًا من «ـوات».
ويُتَّبَع نمط التسمية نفسه مع كحولات أخرى عند تسمية الإسترات؛ فمثلًا «الإيثانول» يصبح «إيثيل»، و«البروبانول» يصبح «البروبيل». وإذا استُخدم الفينول لتكوين إستر، فإن اسم الإستر يكون «فينيل».
ينقسم اسم الإستر إلى جزأين يمثِّلان جزيئاته الأصلية: الكحول والحمض الكربوكسيلي المستخدَمين لتكوينه. يجب تقسيم الجزيء عند رابطة C O لفصل الجزيء إلى حمض كربوكسيلي وكحول. الجزء الذي يحتوي على C O هو جانب الحمض الكربوكسيلي. إحلال مجموعة هيدروكسي محل مجموعة الألكوكسي يُعطينا الحمض الكربوكسيلي الأصلي. وجزء البروبوكسي هو جانب الكحول. إضافة H إلى O يُعطينا الكحول الأصلي.
يأتي جزء من اسم الإستر من الكحول، مع تغيير الجزء الأخير من الاسم إلى «ـيل». والكحول المستخدَم لتكوين الإستر هو البروبانول؛ لأنه يحتوي على ثلاث ذرات من الكربون؛ ومن ثَمَّ، فإن كلمة «بروبيل» هي جزء من اسم الإستر.
فيما يلي مخطط يوضِّح الروابط الهيدروجينية في الكحولات والأحماض الكربوكسيلية.
كما أن عدم وجود روابط هيدروجينة في الإسترات يُعَد أيضًا سبب زيادة قابليتها للتطاير.
ومع ذلك، يمكن أن تكوِّن الإسترات روابط هيدروجينية مع جزيئات الماء، كما هو موضَّح في الآتي؛ ومن ثَمَّ، فإن الإسترات الصغيرة قابلة للذوبان في الماء إلى حدٍّ ما.
لكن القابلية للذوبان تتناقص بزيادة طول السلسلة، ومعظم الإسترات تُعَد غير قابلة للذوبان. السلاسل الكربونية غير قطبية وكارهة للماء؛ ومن ثَمَّ، إذا كان لجزيء الإستر سلسلة كربونية طويلة، فلن يتمكَّن سوى جزء صغير من الجزيء من تكوين رابطة هيدروجينية مع الماء، وهو ما يجعله غير قابل للذوبان.
إضافةً إلى ذلك، تتألَّف الزيوت النباتية والحيوانية في الأساس من مركب ثلاثي إسترات طبيعي يُسمَّى ثلاثي الجليسريد. ثلاثي الإسترات عبارة عن جزيئات تحتوي على ثلاث مجموعات من الإسترات، وثلاثي الجليسريد عبارة عن إسترات أحماض دهنية للجليسرول. فيما يلي تفاعل الأسترة الذي يُنتِج ثلاثي الجليسريد (الزيوت والدهون):
يتراوح طول السلسلة الكربونية في الأحماض الدهنية بين 4 و24 ذرة كربون، وعادةً ما تكون مستمرة مع وجود عدد زوجي من ذرات الكربون، ويمكن أن تكون مشبعة أو غير مشبعة. يمكن استخدام الزيوت والدهون في إنتاج الديزل الحيوي.
ويتضح تكوينها في مخطط التفاعل الآتي:
يمكن اختصار البولي (إيثيلين تيرفثالات) في صورة PET أو PETE. ويُشار إليه، في قطاع صناعة الملابس، باسم البولي إستر أو الداكرون، ويمكن معرفة وجوده في بعض الأدوات البلاستيكية عن طريق رقم «1» مرسوم داخل مثلث كما هو موضَّح في الآتي.
يمكن اختصار البولي (إيثيلين تيرفثالات) في صورة PET أو PETE. ويُشار إليه، في قطاع صناعة الملابس، باسم البولي إستر أو الداكرون، ويمكن معرفة وجوده في بعض الأدوات البلاستيكية عن طريق رقم «1» مرسوم داخل مثلث كما هو موضَّح في الآتي.
في العصور القديمة، كان الناس يمضغون لحاء الصفصاف للتخلُّص من الآلام، ووُجِد أن العنصر الفعَّال فيها هو حمض الساليسيليك. على الرغم من فوائد حمض الساليسيليك، فإنه يسبِّب آثارًا جانبية ضارة؛ ومن ثَمَّ، أجرى العلماء تفاعلًا بينه وبين حمض الإيثانويك (حمض الأسيتيك)، وبذلك نتج إستر يُسمَّى حمض الأسيتيل ساليسيليك له آثار جانبية طفيفة. يُعرَف حمض الأسيتيل ساليسيليك أيضًا باسم الأسبرين، ويُستخدم بشكلٍ أساسي مسكِّنًا للألم. ويمكن استخدامه أيضًا خافضًا للحرارة، وهو دواء يُستخدم للتخلُّص من الحُمَّى أو تخفيفها. وعند تناوله بجرعات منخفضة يوميًّا، يمكن أن يقي من الجلطات والأزمات القلبية. لسوء الحظ، فإن استخدام الأسبرين يبطِّئ من إنتاج المخاط الواقي لجدار المعدة، وبذلك تُصبح المعدة أكثر عرضةً للضرر الناتج عن الأحماض المعدية، وتحدث قرح المعدة.
لكن بما أن حمض الساليسيليك يحتوي أيضًا على مجموعة وظيفية خاصة بحمض الكربوكسيل، فإنه يمكن أن يتفاعل أيضًا مع الكحولات لتكوين إسترات. ومثالُ ذلك تفاعُلُه مع الميثانول لتكوين زيت المروخ (ساليسيلات الميثيل)، الذي يمكن أيضًا استخدامه للتخلُّص من الآلام وإعطاء نكهة النعناع للعلكة والحلوى. فيما يلي تفاعلات حمض الساليسيليك لإنتاج إسترَيْن مختلفَيْن لهما استخدامات مختلفة.
هيا نلخِّص ما تعلَّمناه عن الإسترات وخواصها.
أسئلة تطبيقية
٠ / ٦FeCl₃ test:
IUPAC alcohol:
CH₂=CH₂ → ethanol:
Na + ROH gas:
Ester smell test:
CH₃COOC₂H₅ group: