تفاعلات الأحماض الكربوكسيلية

تفاعلات الأحماض الكربوكسيلية

تعتبر المجموعة الوظيفية لحمض الكربوكسيل شائعة جدًا في التخليق العضوي، وفي العمليات الكيميائية الحيوية، وبالتالي فإن ّمعرفة تفاعلات الأحماض الكربوكسيلية أمر لا بد منه لأي شخص يريد إتقان الكيمياء العضوية.

الرقم الهيدروجيني لمحاليل الأحماض الكربوكسيلة

يعتمد الرقم الهيدروجيني على كل من تركيز الحمض ومدى سهولة فقد أيونات الهيدروجين من مجموعة (COOH). حمض الإيثانويك نموذجي للأحماض، حيث ترتبط مجموعة (COOH) بمجموعة ألكيل بسيطة الحلول المعملية النموذجية لها أس هيدروجيني في نطاق يتراوح ما بين (2-3) اعتمادًا على تركيزاتها. حمض الميثانويك أقوى إلى حد ما من الأحماض البسيطة الأخرى والمحاليل لها أس هيدروجيني (0.5) وحدة أقل من حمض إيثانويك بنفس التركيز.

خصائص الأحماض الكربوكسيلية

الحموضة

إنّ أهم خصائص الأحماض الكربوكسيلية والمسؤول عن تسميتها بهذه الحموضة، كما أن الحمض هو أي مركب يتبرع بأيون الهيدروجين (H+) (ويسمى أيضًا بروتون) لمركب آخر يسمى القاعدة. تقوم الأحماض الكربوكسيلية بذلك بسهولة أكبر بكثير من معظم فئات المركبات العضوية الأخرى، لذلك يُقال إنّها أحماض أقوى، وعلى الرغم من أنّها أضعف بكثير من أهم الأحماض المعدنية – الكبريتيك والنتريك والهيدروكلوريك (حمض الهيدروكلوريك)، كما يمكن توضيح سبب زيادة الحموضة لهذه المجموعة من المركبات بشكل أفضل، وذلك من خلال مقارنة حموضتها مع تلك الموجودة في الكحوليات.

حيث إن كلاهما يحتوي على مجموعة (―OH)، كما أن الكحولات عبارة عن مركبات متعادلة في محلول مائي وعندما يتبرع الكحول بالبروتون، فإنّه يصبح أيونًا سالبًا يسمى أيون ألكوكسيد (RO−) وعندما يتبرع حمض الكربوكسيل بالبروتون فإنّه يصبح أيون سالب الشحنة (RCOO−) يسمى أيون الكربوكسيل.

بعض الذرات أو المجموعات عند ربطها بكربون تسحب الإلكترون مقارنةً بذرة الهيدروجين في نفس الموضع. على سبيل المثال ضع في اعتبارك حمض الكلورو أسيتيك مقارنةً بحمض الخليك، ونظرًا لأنّ الكلور لديه كهروسلبية أعلى من الهيدروجين، فإنّ الإلكترونات في رابطة (Cl-C) يتم سحبها بعيدًا عن الكربون أكثر من الإلكترونات في رابطة H-C المقابلة، وبالتالي يعتبر الكلور مجموعة سحب الإلكترون.

هذا مثال على ما يسمى بالتأثير الحثي، حيث يؤثر البديل على توزيع مركب للإلكترونات، هناك عدد من هذه التأثيرات، وقد تكون الذرات أو المجموعات تسحب الإلكترون أو تتبرع بالإلكترون مقارنةً بالهيدروجين، غالبًا ما يكون لوجود مثل هذه المجموعات بالقرب من مجموعة (COOH) لحمض الكربوكسيل تأثير على الحموضة، وبشكل عام تزيد مجموعات سحب الإلكترون من الحموضة عن طريق زيادة ثبات أيون الكربوكسيل في المقابل، تقلل المجموعات المانحة للإلكترون الحموضة عن طريق زعزعة استقرار أيون الكربوكسيل.

على سبيل المثال تعتبر مجموعة الميثيل (―CH3)، فبشكل عام متبرعة بالإلكترون وحمض الأسيتيك (CH3 COOH) أضعف بحوالي 10 مرات من حمض الفورميك، وبالمثل فإنّ حمض الكلورو أسيتيك، حيث يحل الكلور الذي يسحب الإلكترون بقوة محل ذرة الهيدروجين أقوى بحوالي 100 مرة من حمض الخليك وحمض النيتروأسيتيك أقوى. (مجموعة NO2 هي مجموعة قوية جدًا لسحب الإلكترون.)، حيث تمّ العثور على تأثير أكبر في حمض ثلاثي كلورو الخليك الذي تكون قوته الحمضية مماثلة تقريبًا لحمض الهيدروكلوريك.

تفاعلات الأحماض الكربوكسيلية

تفاعل فيشر

تخضع الأحماض الكربوكسيلية لتفاعلات لإنتاج مشتقات من الحمض، المشتقات الأكثر شيوعًا المتكونة هي الإسترات وهاليدات الحمض، أنهيدريدات الحمض والأميدات. أبسط طريقة للتحضير هي طريقة فيشر، حيث يتفاعل كحول وحمض في وسط حمضي يوجد التفاعل في حالة توازن، ولا يكتمل إلا إذا تمت إزالة المنتج بأسرع ما يتشكل، وتتم عملية أسترة (Fischer) عبر آلية (carbocation) في هذه الآلية يضاف الكحول إلى حمض الكربوكسيل.

كما تمت تسمية تفاعل الأسترة هذا على اسم إميل فيشر، والذي حصل على جائزة نوبل في الكيمياء “تقديراً للخدمات الاستثنائية التي قدمها من خلال عمله على توليفات السكر والبيورين”، حيث إنّه الشخص الذي حقق في التفاعل أكثر من غيره وهناك خصائص لهذا التفاعل وهي:

• إنّه تفاعل توازن وهذا يعني أن أسترة فيشر، يمكن أن تسير بسهولة في الاتجاه الأمامي أو العكسي وفقًا لمبدأ (Le Chatelier)، لذلك إذا كنت ترغب في فرض تكوين الإستر أضف المزيد من الحمض أو الكحول أو أزل أحد المنتجات، كما أن الطريقة الأكثر شيوعًا لفرض هذا التوازن نحو الإستر هي إزالة الماء باستخدام فخ دين-ستارك، فإذا كنت ترغب في تحلل الإستر بدلاً من ذلك فقط أضف المزيد من الماء.

• يتطلب هذا التفاعل محفزًا حمضيًا قويًا، لذلك قد لا يكون الخيار الأفضل عندما يكون الحمض أو الكحول حساسين للأحماض، والجدير بالذكر أنّ كحول المرحلة الثالثة تميل إلى الجفاف مما يعطي الألكينات في هذه الظروف.

• يمكن استخدام أسترة فيشر لصنع اللاكتونات (استرات حلقية)، اللاكتونات هي مشتقات مهمة للأحماض الكربوكسيلية في كل من التخليق العضوي وفي بعض العمليات البيوكيميائية.

  تفاعل تحويل الأحماض الكربوكسيلية إلى هاليدات حمضية

  هذه واحدة من ردود الفعل المهمة للأحماض الكربوكسيلية التي ستجد نفسك تقوم بها مرارًا وتكرارًا في واجباتك المدرسية وفي الاختبار، كما أن الأحماض الكربوكسيلية نفسها ليست محبة للكهرباء بشكل خاص وتخجل من معظم محبي النواة، من ناحية أخرى فإنّ كلوريدات الحمض هي مواد إلكتروفيلية شديدة العدوانية وستتفاعل بسهولة مع ما نعتبره محليات نيوكليوفيل ضعيفة مثل الماء أو الكحول.

   وفي الغالب سيتم التعامل مع كلوريدات الحمض لذلك سيكون (SOCl2) هو كاشف الانتقال المعتاد، ومع ذلك فإنّ البروميدات شائعة إلى حد ما، كلوريدات الحمض هي أيضًا أكثر تفاعلًا تجاه المحببات النووية.

  تفاعل تشكيل حمض أنهيدريد

  تتشابه الأنهيدريدات في تفاعلها مع هاليدات الحمض، حيث إنّها أقل فائدة في التوليف ولن تراها كمحور للعديد من الأسئلة، ويمكن أن تكون الأنهيدريدات بسيطة ومختلطة. لا تلعب أنهيدريدات الأحماض دورًا كبيرًا في أي كيمياء ذات صلة تقريبًا، لذلك عليك فقط أن تتذكر أنّها تشبه تفاعل الكلوريد من حيث التفاعل وتعطي الأحماض الكربوكسيلية كمنتجات جانبية مع محبي النوكليوفيل وهذا كل شيء.

  تفاعل نزع الكربوكسيل من أحماض بيتا كيتوكربوكسيل

  هذا هو رد فعل آخر من تلك التفاعلات التي من المحتمل أن نراها عند استعراض ردود أفعال (enols) غير مستقرة وعفوية منزوعة الكربوكسيل عند ارتفاع أو في بعض الأحيان حتى في درجة حرارة الغرفة. نزع الكربوكسيل من أحماض بيتا كيتوكربوكسيل نزع الكربوكسيل من أحماض بيتا كيتوكربوكسيل هذه العملية تشكل في البداية (enol). ولكن نظرًا لأنّ (enols) أقل استقرارًا بشكل ملحوظ من الكيتونات المقابلة، فإنّنا نرى تشديدًا سريعًا للكيتو-إينول يعطي الكربونيل المقابل، ونظرًا لأنّنا نعمل في ظروف حمضية فإنّ عملية التكثيف يتم تحفيزها بالحمض وتتقدم بسرعة كبيرة.