شارح الدرس: خواص الأحماض الكربوكسيلية الكيمياء

في هذا الشارح، سوف نتعلم كيف نحدد الأحماض الكربوكسيلية ونسميها، ونصف خواصها الفيزيائية.

الأحماض الكربوكسيلية هي جزيئات عضوية تحتوي على الأقل على ذرة كربون واحدة تكوِّن رابطة ثنائية مع ذرة الأكسجين () ورابطة أحادية مع مجموعة هيدروكسيل (). ويمكننا إعادة صياغة هذه العبارة لنقول إن الأحماض الكربوكسيلية هي جزيئات تحتوي على الأقل على مجموعة كربوكسيل وظيفية واحدة (). 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 . 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.

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 () في المحلول. تُطلِق بعض الأحماض الكربوكسيلية عديدة القاعدية بروتونَيْن فقط في المحلول، بينما قد يطلق البعض الآخر عدةَ بروتونات في المحلول.

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).

تذكر أن تسمية الألكانات باستخدام نظام الأيوباك تتكون من تحديد أطول سلسلة كربون داخل الجزيء. يُسمى أحيانًا هذا النطاق الأطول من سلسلة الكربون بالسلسلة الأساسية. ثم يُخصَّص رقم للمستبدلات يوضح الجزء من السلسلة الأساسية الذي ترتبط به.

وينطبق المبدأ نفسه على تسمية الأحماض الكربوكسيلية باستخدام نظام تسمية الأيوباك حيث تضاف كلمة حمض قبل الاسم ويُضاف المقطع «ـويك» في نهاية الاسم ويبدأ دائمًا ترقيم أطول سلسلة كربون باعتبار ذرة كربون مجموعة الكربونيل () هي ذرة الكربون الأولى.

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.

ومن المهم أن ندرك هنا أن جذرا الاسم «بروبان» و«بيوتان» يشيران أيضًا إلى أن السلسلة الأساسية تحتوي على روابط أحادية بين ذرات الكربون. علينا استخدام جذر اسم مختلف بعض الشيء إذا أردنا الإشارة إلى أن السلسلة الأساسية تحتوي على الأقل على رابطة ثنائية بين ذرتي كربون. علينا استخدام جذور أسماء مشتقة من أسماء جزيئات الألكين، مثل جذرَيْ الاسمين «بروبين» أو «بيوتين». يوضح الجدول كيف يستخدم جذر الاسم «بروبين» مع البادئة حمض واللاحقة «ـويك» ليوضح أن السلسلة الأساسية لجزيء الحمض الكربوكسيلي تحتوي على ثلاث ذرات كربون وتوجد رابطه ثنائية واحدة بين ذرتي كربون.

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 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.

مثال ٢: تحديد بنية جزيء 3-ميثيل حمض البيوتانويك

بالنظر إلى الجزيئات الآتية:

أيُّ هذه الجزيئات يُطلَق عليه 3-ميثيل حمض البيوتانويك؟

الحل

يحتوي اسم 3-ميثيل حمض البيوتانويك على الجذر «بيوتان» والبادئة حمض واللاحقة «ـويك». يشير الجذر «بيوتان» إلى أن أطول سلسلة كربون تتكون من أربع ذرات كربون. ويؤدي هذا إلى استبعاد الجزيئات F, E, C, B لأن طول السلسلة الأساسية لا تساوي أربع ذرات كربون.

تشير البادئة «3-ميثيل» إلى أن الجزيء يحتوي على مجموعة ميثيل () عند ذرة الكربون الثالثة. ستكون ذرة الكربون الثالثة هي ذرة الكربون التي تفصلها عن مجموعة مجموعة ميثيلين واحدة (). وهذه العبارة تؤدي إلى استبعاد الجزيء D.

أما الخيار A فهو الجزيء الوحيد الذي يحتوي على مجموعة كربوكسيل، وطول السلسلة الأساسية يتكون من أربع ذرات كربون، ومجموعة ميثيل عند ذرة الكربون الثالثة. يمكننا استخدام هذه العبارات لتحديد أن الخيار A هو الإجابة الصحيحة لهذا السؤال.

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 (): كرومات البوتاسيوم () أو ثاني كرومات البوتاسيوم () أو كرومات الصوديوم () أو ثاني كرومات الصوديوم ().

يؤدي تفاعل أحد أملاح الكرومات والحمض المائي إلى إنتاج حمض الكروميك () في المحلول، وهو العامل المؤكسد الحقيقي. يوضح الشكل التالي التفاعل العام المكون من خطوتين لتحضير حمض كربوكسيلي من الكحول الأولي المناظر له.

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.

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: .

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.

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.

تذكر أن قوة الحمض ترتبط ارتباطًا مباشرًا باستقرار قاعدته المرافقة. فكلما زاد استقرار القاعدة المرافقة، زادت قوة الحمض، والعكس صحيح.

عادة ما تكون الأحماض الكربوكسيلية أكثر حمضية من الكحولات المناظرة؛ لأن أيونات الكربوكسيلات أكثر استقرارًا بوجه عامٍّ من أيونات الألكوكسيد. يوضح الشكل التالي بنية أيون الإيثانوات الذي يتكون عندما يفقد جزيء حمض الإيثانويك أيون هيدروجين واحدًا.

ستلاحظ أن الشحنة السالبة تتشاركها ذرتا الأكسجين. فالإلكترونات غير متمركزة وتنتشر عبر مجموعة الكربوكسيلات (). أيون الإيثانوات مستقر بدرجة كبيرة لأنه يظهر رنينًا، وتتوزع شحنته السالبة عبر الرابطتين بين الكربون والأكسجين الخاصة به.

يوضح الشكل التالي بنية أيون الإيثوكسيد المقارن الذي يتكون عندما يفقد جزيء الإيثانول أيون هيدروجين واحدًا.

البنية غير مستقرة، ولا تُظهر رنينًا. فالشحنة السالبة متمركزه على ذرة الأكسجين لأنها لا يمكنها الانتقال عبر الروابط المجاورة بين الكربون والهيدروجين. يمكن أن نفترض بوجه عام أن أي حمض كربوكسيلي يكون أكثر حمضية من الكحول المناظر له؛ لأن الحمض الكربوكسيلي يمكن أن يكون أيون كربوكسيلات وتظهر أيونات الكربوكسيلات رنينًا. ولكن من المهم أن نذكر هنا أن قيم الأس الهيدروجيني للأحماض الكربوكسيلية أعلى من قيم الأحماض المعدنية. الأحماض المعدنية هي أحماض قوية، ويمكنها أن تتفكك تمامًا في المحلول. أمَّا الأحماض الكربوكسيلية فهي أحماض ضعيفة وتتفكك جزئيًّا في المحلول.

من المهم أيضًا أن نذكر أن الأحماض الكربوكسيلية الأروماتية تكون أكثر حمضية من الأحماض الكربوكسيلية الأليفاتية. تتمتع الأحماض الكربوكسيلية الأروماتية بقوة حمضية عالية بسبب اتصال مجموعة بذرة كربون مهجنة من النوع في النظام الحلقي. تعمل الحلقة غير المشبعة على استقرار أيونات الكربوكسيلات على نحو أكثر فعالية من مجموعات الألكيل.

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 وظيفية واحدة. يمكن أن تكون جزيئات الإيثانول وحمض الإيثانويك روابط هيدروجينية مع جزيئات الماء المجاورة.

يمكن أن تذوب جزيئات حمض الإيثانويك والإيثانول في الماء لأنه يمكنها تكوين روابط هيدروجينية مع جزيئات الماء القطبية. ولكن من المهم أن ندرك أن جزيئات الحمض الكربوكسيلي والكحول ليست كلها قابلة للذوبان في الماء. تكون عادة الجزيئات الصغيرة للأحماض الكربوكسيلية والكحول قابلة للذوبان في الماء، لكن عادة ما تكون الجزيئات الكبيرة للأحماض الكربوكسيلية والكحول غير قابلة للذوبان في الماء. وتكون الأحماض الكربوكسيلية والكحولات قابلة للذوبان في الماء إذا لم تكن تحتوي إلا على القليل من ذرات الكربون.

يقارن الجدول التالي بين الخواص الفيزيائية للكحولات والأحماض الكربوكسيلية المناظرة. يوضح الجدول أن الأحماض الكربوكسيلية والكحولات تكون غير قابلة للذوبان في الماء إذا كانت تحتوي على عدد كبير من ذرات الكربون. ويوضح أيضًا أن قيم ذوبانية الماء تكون متشابهة بالنسبة لجزيئات الحمض الكربوكسيلي والكحول إذا كان لها العدد نفسه من ذرات الكربون.

يمكن أن نفترض في البداية أن الكحولات والأحماض الكربوكسيلية المتناظرة سيكون لها درجات غليان متشابهة؛ لأنه يمكنها تكوين روابط هيدروجينية.

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 () أعلى بكثير من درجة غليان الإيثانول ().

تعتمد درجة غليان أي جزيء حمض كربوكسيلي على حجمه. تكون درجات غليان جزيئات الأحماض الكربوكسيلية الكبيرة مرتفعة لأنها تحتوي على سلسلة كربون طويلة وتولد قوى تشتُّت لندن قوية نسبيًّا. وتكون درجات غليان جزيئات الأحماض الكربوكسيلية الصغيرة منخفضة لأنها تحتوي على سلسلة كربون قصيرة وتولد قوى تشتُّت لندن أضعف.

تتميز الأحماض الكربوكسيلية بالكثير من الخواص المثيرة للاهتمام، وتستخدم في جميع أنحاء العالم. تستخدم شركات المواد الكيميائية الأحماض الكربوكسيلية لصنع المواد المرغوبة، وأحيانًا تستخدم الحيوانات الأحماض الكربوكسيلية لتساعدها على البقاء على قيد الحياة والتعامل مع الحيوانات المفترسة. وتنتج أيضًا الأحماض الكربوكسيلية باعتبارها فضلات خلال عمليات حيوية مختلفة.

يستخدم النمل الأحمر حمض الفورميك لدرء الحيوانات المفترسة وحماية أراضيه. يعض النمل الأحمر الحيوانات غير المرحب بها بفكه السفلية ثم يستخدم إبرة اللسع لحقن الحيوانات بحمض الفورميك. تستخدم بعض الشركات الكيميائية حمض الفورميك في صناعة السوائل والمواد الصُّلبة التجارية. ويستخدم حمض الفورميك عادة في صناعة الصبغات والمواد البلاستيكية. كما أنه يستخدم في صناعة العطور، والعقاقير، وحتى المبيدات الحشرية.

حمض الأسيتيك حمض يسبب التآكل والحرق يستخدم في صناعة المواد الصالحة وغير الصالحة للأكل. ويعتمد استخدامه على تركيزه. يُعرف حمض الأسيتيك النقي عادة باسم حمض الأسيتيك الثلجي. ويستخدم حمض الأسيتيك الثلجي باعتباره مادة كيميائية وسيطة لصناعة الصبغات، والمبيدات الحشرية، ومنتجات الحرير الصناعي. يسمى حمض الأسيتيك عادة بالخل عندما يكون تركيزه أقل من %4، ويخلط بكمية كبيرة من الماء. يستخدم الخل لصنع المواد الغذائية الحامضية وذات المذاق اللاذع.

الصيغة الكيميائية لحمض اللاكتيك هي 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 () ومجموعة هيدروكسيل () 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 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 () 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 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.

لنلخص ما تعلمناه في هذا الشارح.