شارح الدرس: تفاعلات الأحماض الكربوكسيلية الكيمياء • الصف الثالث الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف التفاعلات المختلفة للأحماض الكربوكسيلية، ونتوقَّع النواتج المتكوِّنة.

وسوف نتعرَّف على الخاصية الحمضية للأحماض الكربوكسيلية من خلال تفاعلاتها مع الفلزات، وأكاسيد الفلزات، وهيدروكسيدات الفلزات، والكربونات، والبيكربونات. كذلك سوف نتعرَّف على كيفية تكوينها للإسترات، من خلال تفاعلها مع الكحولات، وكيفية تحويلها إلى الكحولات من خلال تفاعلاتها مع العوامل المختزلة.

الحمض الكربوكسيلي نوع من المواد الكيميائية. تحتوي الأحماض الكربوكسيلية على مجموعة الكربوكسيل الوظيفية:

وفيما يأتي التفاعلات التي سنتناولها.

الأحماض الكربوكسيلية أحماض ضعيفة. حمض الإيثانويك، وهو المادة الفعالة في الخل، حمض كربوكسيلي:

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:

بالنسبة إلى تفاعل أي فلز نشط مع حمض كربوكسيلي، يكون الملح الناتج هو ملح كربوكسيلات الفلز.

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.

ويمكن أن تتفاعل الأحماض أيضًا مع أكاسيد الفلزات وفقًا للمعادلة العامة:

عندما يتفاعل أكسيد الفلز مع حمض كربوكسيلي، يتكوَّن ملح كربوكسيلات الفلز.

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 ().

العديد من كربونات الفلزات تتفاعل مع الأحماض:

عندما تتفاعل كربونات الفلز مع حمض كربوكسيلي، يكون الملح المتكوِّن هو كربوكسيلات الفلز.

على سبيل المثال، كربونات الكالسيوم هي إحدى الكربونات الشائعة (وهي المكوِّن الأساسي للحجر الجيري).

هذا هو تفاعل كربونات الكالسيوم مع محلول مائي من حمض الإيثانويك:

البيكربونات عبارة عن مواد تحتوي على أيونات البيكربونات .

يتفاعل العديد من بيكربونات الفلزات مع الأحماض:

عند تفاعل بيكربونات الفلزات مع الأحماض الكربوكسيلية تنتج المركبات نفسها التي تنتج عن تفاعل كربونات الفلزات مع الأحماض الكربوكسيلية؛ لكن مع اختلاف نسب المتفاعلات والنواتج.

عند تفاعل بيكربونات الفلز مع حمض كربوكسيلي، يتكوَّن ملح كربوكسيلات الفلز.

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.

تتم أسترة الحمض الكربوكسيلي عادةً عن طريق تفاعل الحمض الكربوكسيلي مع كحول في وجود عامل حفَّاز حمضي. هذا النوع المحدَّد من الأسترة يُعرَف باسم أسترة فيشر. هناك العديد من الأنواع الأخرى من تفاعلات الأسترة، لكن يَنصبُّ تركيز هذا الشارح على أسترة فيشر.

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 ، وهي أقل من درجة غليان الإيثانول () وحمض الإيثانويك () والماء () وحمض الكبريتيك (). سيحتوي ناتج التقطير على نسبة عالية من الإيثانول إذا لم يحدث المزيد من التنقية:

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.

النوع الأخير من التفاعلات الذي سنتناوله هنا هو الاختزال. يمكن القول إن مجموعة الكربوكسيل تحتوي على ذرة كربون لها حالة التأكسد 3+. يمكن اختزال مجموعة الكربوكسيل لتكوين ألدهيد، واختزالها مرةً أخرى لتكوين كحول أوَّلي ().

يوضِّح الشكل الآتي حالة التأكسد لذرة الكربون المركزية في حمض كربوكسيلي وألدهيد وكحول أوَّلي:

يمكن إجراء هذا الاختزال باستخدام عوامل مختزلة مختلفة، مثل:

• هيدريد ألومنيوم الليثيوم ()
• الهيدروجين، مع عوامل حفَّازة للهدرجة مثل كروميت النحاس.

توجد طرقٌ لإيقاف الاختزال عند مرحلة تكوُّن الألدهيد، ولكننا سنتناول هنا الاختزال الكامل للأحماض الكربوكسيلية.

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 () عاملًا مختزلًا وكروميت النحاس عاملًا حفَّازًا:

يمكن لكروميت النحاس () أن يُكوِّن ، وهو العامل الحفَّاز الفعَّال. فهو يسمح للهيدروجين باختزال الحمض الكربوكسيلي بمعدل مقبول. يمكن أيضًا استخدام كرومات النحاس ().

يمكننا أيضًا مناقشة اختزال حمض البروبانويك باستخدام ، 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.

وتعتمد النواتج الثانوية لاختزال الأحماض الكربوكسيلية على العامل المختزِل المستخدَم.

ويختلف سلوك المجموعات الكربوكسيلية المرتبطة بالحلقات الأروماتية قليلًا عن تلك المجموعات غير المرتبطة بها.

هيا نقارِن بين حمض البنزويك وحمض هكسان كربوكسيلي حلقي. فيما يأتي بنية كلٍّ منهما:

حمض البنزويك هو الأكثر نشاطًا من بينهما:

• هو أكثر حمضية؛ لذا، فهو يتفاعل أسرع مع الفلزات وأكاسيد الفلزات وهيدروكسيدات الفلزات والكربونات والبيكربونات.
• يمكن أسترته بسهولة؛ ولذا، فهو يتفاعل أسرع ويُعطي مردودًا أكبر عند تفاعله مع الكحولات.

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.

مثال ٣: تحديد طبيعة المتفاعلات والنواتج في تفاعل حمض البروبانويك في وجود CuCrO₄

في إحدى التجارب، سُخِّنَت عيِّنة من حمض البروبانويك في وجود عند . يوضِّح الآتي مُخطَّط التفاعل:

1. ما اسم الناتج B؟
   1. 1-بيوتانول
   2. الإيثانول
   3. 2-بيوتانول
   4. 1-بروبانول
   5. 2-بروبانول
2. ما المُتفاعِل الآخر اللازم في هذه العملية؟ ما عدد المولات اللازمة؟

الحل

الجزء الأول

المتفاعل هنا هو حمض البروبانويك (وهو حمض كربوكسيلي). ويمكن استخدام كرومات النحاس عاملًا حفَّازًا في اختزال الأحماض الكربوكسيلية.

عند اختزال الحمض الكربوكسيلي، يمكن اختزاله جزئيًّا (لتكوين ألدهيد)، أو كليًّا (لتكوين كحول أوَّلي).

وفي هذه الظروف (عامل حفَّاز + درجة حرارة عالية)، نتوقَّع أن يكون الاختزال كليًّا.

ومن ثَمَّ، فإن الناتج المجهول هو 1-بروبانول، والإجابة هي د.

الجزء الثاني

يتضمَّن تفاعل الاختزال الموضَّح سابقًا الماء باعتباره أحد النواتج. الصيغة الكيميائية لحمض البروبانويك هي ، والصيغة الكيميائية لـ 1-بروبانول هي .

هيا نكتب التفاعل الكامل:

المعادلة الآن موزونة بالنسبة إلى الكربون والأكسجين، لا إلى الهيدروجين. توجد 6 ذرات من الهيدروجين في الطرف الأيسر، و10 في الطرف الأيمن.

وهذا يعني أن A بالتأكيد مصدرٌ لذرات الهيدروجين المتبقية. ونظرًا لأن الهيدروجين يُوجَد على الأرجح في صورة جزيئات هيدروجين ()، يلزم وجود جزيئين من الهيدروجين لكل جزيء من حمض البروبانويك لإجراء الاختزال:

الاختزال باستخدام الهيدروجين يُسمَّى هدرجة.

النقاط الرئيسية

• الأحماض الكربوكسيلية أحماض ضعيفة يمكنها أن تتفاعل مع الفلزات وأكاسيد الفلزات وهيدروكسيدات الفلزات وكربونات الفلزات وبيكربونات الفلزات:
• يمكنها أن تتفاعل مع الكحولات لإنتاج الإسترات:
  الأسترة المحفَّزة بحمض لحمض كربوكسيلي مع كحول، المعروفة أيضًا باسم أسترة فيشر، هي كالآتي:

  

• يمكن استخدام التفاعل مع الكربونات (اختبار الحمضية) وأسترة فيشر باعتبارهما من طرق الكشف عن الحمض الكربوكسيلي.
• يمكن اختزالها لتكوين ألدهيدات وكحولات أوَّلية:

  

  

• الأحماض الكربوكسيلية الأروماتية أكثر حمضيةً من الأحماض الكربوكسيلية الأليفاتية؛ ولذا، فهي تتفاعل أسرع مع الفلزات وأكاسيد الفلزات وهيدروكسيدات الفلز والكربونات والبيكربونات، وتسهُل أسترتها.