نسخة الفيديو النصية
في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نصف التفاعلات المختلفة للأحماض الكربوكسيلية، ونتوقع النواتج المتكونة. وسنركز على تفاعلات الحمض والقاعدة، والأسترة، والاختزال.
الأحماض الكربوكسيلية مركبات تحتوي على مجموعة كربوكسيل. وتتكون مجموعة الكربوكسيل، الممثلة بالصيغة المكثفة COOH، من مجموعة كربونيل؛ وهي ذرة كربون مرتبطة برابطة مزدوجة مع ذرة أكسجين، ومجموعة هيدروكسيل. الأحماض الكربوكسيلية أحماض ضعيفة نظرًا لتأثير الرنين، المشروح بمزيد من التفصيل في فيديو آخر. ويعني هذا أن بروتون مجموعة الكربوكسيل يمكن أن يمنح إلى قاعدة في تفاعل حمض وقاعدة. وسنستعرض في هذا الفيديو العديد من تفاعلات الحمض والقاعدة الشائعة التي تتضمن أحماضًا كربوكسيلية.
التفاعل الأول يتضمن هيدروكسيدات الفلزات. عند خلط الأحماض الكربوكسيلية مع هيدروكسيدات الفلزات مثل هيدروكسيد الصوديوم، يحدث تفاعل تعادل ينتج عنه ملح وماء. والملح المحدد الناتج عن هذا التفاعل هو كربوكسيلات الفلز. تتفاعل الأحماض الكربوكسيلية أيضًا مع كربونات الفلزات وينتج عن التفاعل ملح، وغاز ثاني أكسيد الكربون، وماء. وإليك طريقة أخرى لكتابة التفاعل بين حمض الأسيتيك وكربونات الصوديوم باستخدام الصيغ العضوية المكثفة ورموز الحالة.
تتفاعل أيضًا بيكربونات الفلزات، أو كربونات الفلز الهيدروجينية، مع الأحماض الكربوكسيلية وينتج عن التفاعل ملح، وغاز ثاني أكسيد الكربون، وماء. ويمكن استخدام هذا التفاعل لاختبار إذا ما كانت المادة العضوية تحتوي على حمض كربوكسيلي، أم لا. فعند إضافة بيكربونات الصوديوم إلى حمض كربوكسيلي، يحدث تفاعل وينتج غاز ثاني أكسيد الكربون. ويشير الفوران أو الفقاعات المرئية عند تفاعل عينة مع بيكربونات الصوديوم إلى أن العينة تحتوي على حمض كربوكسيلي. وعلى غرار الأحماض المعدنية، يمكن أن تتفاعل الأحماض الكربوكسيلية مع فلزات معينة. وينتج عن هذا التفاعل كربوكسيلات الفلز وغاز الهيدروجين. إذن، يمكن استخدام سلسلة النشاط الكيميائي لتحديد الفلزات التي تتفاعل مع الأحماض الكربوكسيلية.
نجد هنا قائمة بمجموعة فرعية من سلسلة النشاط الكيميائي. وأي فلز أكثر نشاطًا من الهيدروجين في هذه القائمة يجب أن يتفاعل مع حمض كربوكسيلي. وموضح هنا التفاعل بين حمض الأسيتيك وفلز المغنيسيوم الذي ينتج أسيتات المغنيسيوم؛ وهو كربوكسيلات الفلز، وغاز الهيدروجين. تناولنا أربعة تفاعلات تحدث بسبب الطبيعة الحمضية للأحماض الكربوكسيلية. والآن لنلق نظرة على نوع مختلف من التفاعلات.
الأسترة نوع من التفاعلات الكيميائية يتكون فيه أحد الإسترات. وتبدو الإسترات والأحماض الكربوكسيلية متشابهة. إلا أن الفرق الوحيد في بنيتهما العامة هو المستبدل المرتبط بذرة الأكسجين ذات الرابطة الأحادية. ولتحويل حمض كربوكسيلي إلى إستر، يمكننا إجراء نوع معين من الأسترة يسمى أسترة فيشر. ففي أسترة فيشر، يتفاعل حمض كربوكسيلي مع كحول في وجود عامل حفاز حمضي مثل حمض الكبريتيك. ناتجا هذا التفاعل هما الإستر والماء. دعونا نستعرض أسترة فيشر لحمض البروبانويك مع الإيثانول.
خلال هذا التفاعل، تحل مجموعة الألكوكسيد الموجودة في الكحول محل مجموعة الهيدروكسيل في الحمض الكربوكسيلي. وينتج عن ذلك إستر بروبانوات الإيثيل والماء. تكون تفاعلات أسترة فيشر في حالة اتزان مع تفاعل يسمى التحلل المائي للإستر. إلا أن تفاصيل تفاعل التحلل المائي للإستر تقع خارج نطاق هذا الفيديو. لتوجيه الاتزان في اتجاه الإستر، يمكن استخدام فائض من الحمض الكربوكسيلي أو الكحول. ويكون التفاعل بطيئًا بوجه عام، ويجرى عادة بالتسخين تحت التكثيف المرتد.
بالإضافة إلى استخدام تفاعلات أسترة فيشر بوصفها إحدى طرق إنتاج الإسترات، يمكن استخدامها أيضًا لاختبار إذا ما كانت العينة تحتوي على حمض كربوكسيلي أم لا. ولإجراء الاختبار، يضاف الإيثانول إلى عينة مع قطرات قليلة من حمض الكبريتيك. ويسخن الخليط الناتج بعد ذلك بلطف. إذا كانت العينة تحتوي على حمض كربوكسيلي، فسيحدث تفاعل أسترة، ثم ينتج إستر. العديد من الإسترات له رائحة ذكية، تشبه رائحة الزهور أو الفاكهة عادة. ومن ثم، إذا انبعثت رائحة ذكية من الخليط عند التسخين، فمن المرجح أن العينة الأصلية كانت تحتوي على حمض كربوكسيلي.
التفاعل الأخير الذي سنتناوله هو تفاعل الاختزال. في تفاعل اختزال حمض كربوكسيلي، يتفاعل عامل مختزل، ممثل بحرف H كبير بين قوسين، مع الحمض الكربوكسيلي لإنتاج ألدهيد وماء. ويتفاعل الألدهيد الناتج بعد ذلك سريعًا مع العامل المختزل الذي لا يزال موجودًا في وعاء التفاعل لتكوين كحول أولي. إلا أن تفاصيل آلية سريان تفاعل الاختزال هذا تقع خارج نطاق هذا الفيديو.
موضح هنا معادلة التفاعل العامة الكلية لاختزال حمض كربوكسيلي إلى كحول أولي. هناك العديد من العوامل المختزلة وظروف التفاعل التي يمكن استخدامها لإجراء هذا التفاعل. من الممكن استخدام غاز الهيدروجين بوصفه عاملًا مختزلًا في وجود كروميت النحاس، الذي يعد عاملًا حفازًا. بالإضافة إلى تعريف هذا التفاعل بوصفه تفاعل اختزال، يمكن أيضًا تصنيف هذا التفاعل المحدد بوصفه تفاعل إضافة هيدروجين؛ وهو تفاعل كيميائي بين الهيدروجين الجزيئي ومركب في وجود عامل حفاز في المعتاد. وثم عامل مختزل شائع آخر، وهو هيدريد ألومنيوم الليثيوم. لاحظ أن مخطط التفاعل هذا المكتوب على هذه الصورة غير موزون ويوضح فقط المادة البادئة، والكواشف، والناتج العضوي الأساسي.
تناولنا حتى الآن تفاعلات الحمض والقاعدة، والأسترة، والاختزال التي تتضمن أحماضًا كربوكسيلية. النشاط الكيميائي للحمض الكربوكسيلي المستخدم في كل من هذه التفاعلات يمكن أن يتأثر بسلسلة الكربون. فمجموعات الكربوكسيل المرتبطة بحلقات أروماتية لها نشاط كيميائي مختلف قليلًا عن غيرها من المجموعات. لنتناول حمض البنزويك وحمض الهكسان الكربوكسيلي الحلقي. حمض البنزويك أشد حمضية من حمض الهكسان الكربوكسيلي الحلقي. وبناء على ذلك، فإن حمض البنزويك سيتفاعل بسرعة أكبر مع القواعد. وبوجه عام، غالبًا ما تتفاعل الأحماض الكربوكسيلية الأروماتية بسرعة أكبر مقارنة بالأحماض الكربوكسيلية الأليفاتية عند تفاعلها مع الفلزات والهيدروكسيدات والكربونات والبيكربونات.
كما أن حمض البنزويك أسهل في أسترته مقارنة بحمض الهكسان الكربوكسيلي الحلقي نظرًا لتأثير الرنين. وبما أن حمض البنزويك أسهل في أسترته، فسيتفاعل بصورة أسرع ويعطي مردودًا أكبر عند تفاعله مع الكحولات. إلا أن التفاصيل الدقيقة عن كيفية تسبب تأثير الرنين في زيادة معدل التفاعل ومردوده تقع خارج نطاق هذا الفيديو. بصفة عامة، غالبًا ما تكون الأحماض الكربوكسيلية الأروماتية أسرع في أسترتها وتعطي مردودًا أكبر مقارنة بالأحماض الكربوكسيلية الأليفاتية. ويمكن اختزال مجموعة الكربوكسيل في حمض البنزويك وحمض الهكسان الكربوكسيلي الحلقي بطريقة مشابهة. لكن عند استخدام الهيدروجين الجزيئي، هناك احتمال إضافة الهيدروجين إلى الحلقة الأروماتية. لذا، يمكن استخدام العوامل الحفازة الخاصة أو هيدريد ألومنيوم الليثيوم لمنع إضافة الهيدروجين إلى الحلقة الأروماتية.
قبل أن نلخص ما تعلمناه عن تفاعلات الأحماض الكربوكسيلية، دعونا نتناول سؤالين تدريبيين.
أي الإسترات الآتية يتم الحصول عليه عند تفاعل حمض الميثانويك مع الميثانول؟ (أ) HCOOC2H5، (ب) HCOOCH3، (ج) CH3CH2COOCH3، (د) CH3COOCH3، (هـ) CH3COOC2H5.
دعونا نبدأ برسم بنيتي حمض الميثانويك والميثانول. تشير كلمة «حمض» واللاحقة «ويك» إلى أن حمض الميثانويك هو حمض كربوكسيلي. وتتكون الأحماض الكربوكسيلية من مجموعة كربونيل، وهي عبارة عن ذرة كربون مرتبطة برابطة مزدوجة بذرة أكسجين، ومجموعة هيدروكسيل. ويشير الجزء «ميث» من الاسم إلى أن هذا الحمض الكربوكسيلي يحتوي على ذرة كربون واحدة فقط. وبما أن مجموعة الكربوكسيل الوظيفية تحتوي بالفعل على ذرة كربون واحدة، فهذا يعني أن المجموعة R لا بد أن تكون ذرة هيدروجين. يحتوي الاسم «ميثانول» على الجزء «ميث» هو الآخر، وهو ما يشير إلى أن الجزيء يحتوي على ذرة كربون واحدة فقط. وتشير اللاحقة «ول» إلى أن الميثانول كحول ويحتوي على مجموعة هيدروكسيل.
بما أن ذرات الكربون عادة ما تكون أربعة روابط، يمكننا إكمال بنية الميثانول بإضافة ثلاث ذرات هيدروجين. يخبرنا السؤال أن هذين الجزيئين يتفاعلان لإنتاج إستر. يسمى هذا النوع من التفاعلات بالأسترة. وبشكل أكثر تحديد، فإن أسترة حمض كربوكسيلي مع كحول تسمى أسترة فيشر. يجرى هذا التفاعل عادة في وجود عامل حفاز حمضي مثل حمض الكبريتيك. وخلال هذا التفاعل، تحل مجموعة الألكوكسيد في الكحول محل مجموعة الهيدروكسيل في الحمض الكربوكسيلي. ينتج عن هذا التفاعل إستر وماء. ويحتوي هذا الإستر على ذرتي كربون فقط.
بالنظر إلى خيارات الإجابة، يمكننا استبعاد الخيارات (أ) و(ج) و(د) و(هـ)؛ لأن كل صيغة من هذه الصيغ تحتوي على أكثر من ذرتي كربون. وللتحقق من أن خيار الإجابة (ب) هو الصحيح، دعونا نكتب الصيغة المكثفة للإستر الذي أنتجناه. الصيغة المكثفة هي HCOOCH3. وتتطابق هذه الصيغة مع الخيار (ب). إذن، الإستر الذي يتم الحصول عليه عند تفاعل حمض الميثانويك مع الميثانول هو خيار الإجابة (ب) HCOOCH3.
تفاعل الاختزال لأحد الأحماض الكربوكسيلية مع الهيدروجين والعامل الحفاز CuCr2O4 يعطي الناتج الآتي. ما بنية الحمض الكربوكسيلي الأساسي؟
للإجابة عن هذا السؤال، علينا معرفة ما يحدث أثناء اختزال حمض كربوكسيلي. يحتوي أي حمض كربوكسيلي على مجموعة الكربوكسيل الوظيفية. وعندما يتفاعل حمض كربوكسيلي مع عامل مختزل، ممثل هنا بحرف H كبير بين قوسين، تختزل مجموعة الكربوكسيل الوظيفية إلى كحول أولي وينتج الماء. هذه هي المعادلة العامة لاختزال حمض كربوكسيلي. في هذا السؤال، العامل المختزل هو الهيدروجين، وعادة ما يكون في صورة غاز الهيدروجين. ويضاف كروميت النحاس بوصفه عاملًا حفازًا. وعلمنا من المعطيات بنية الكحول الناتج. وباستخدام هذه المعلومات، علينا تحديد بنية الحمض الكربوكسيلي الأساسي.
دعونا نستعرض المعادلة العامة مرة أخرى على سبيل الاسترشاد. لاحظ أن المجموعة R للحمض الكربوكسيلي تظل كما هي دون تغيير عند تكون الكحول، والأمر نفسه ينطبق على ذرة الكربون المرتبطة بالمجموعة R. بالإضافة إلى ذلك، فإن الجزيئين يحتويان على مجموعة هيدروكسيل مرتبطة في الموضع نفسه. ومن ثم، فإن هذا الجزء من الحمض الكربوكسيلي والكحول، الموضح هنا باللون الوردي، متطابق في كلا الجزيئين. الفرق بين هاتين البنيتين هو أن ذرة الأكسجين المرتبطة برابطة مزدوجة في الحمض الكربوكسيلي يحل محلها ذرتا هيدروجين لتكوين الكحول. لا يمثل ذلك بالضبط ما يحدث خلال التفاعل ولكن يمكن أن يساعدنا على ملاحظة العلاقة التي تربط الجزيئين معًا.
دعونا الآن نتناول الكحول المعطى في السؤال. نعلم أن كلًّا من الكحول والحمض الكربوكسيلي الأساسي يحتويان على مجموعة هيدروكسيل مرتبطة بذرة كربون، والتي ترتبط بدورها بالمجموعة R نفسها. ورأينا في المعادلة العامة أن ذرة الأكسجين المرتبطة برابطة مزدوجة للحمض الكربوكسيلي يحل محلها ذرتا هيدروجين عند تكوين الكحول. بالعمل بطريقة عكسية، يمكننا ملاحظة أن ذرتي الهيدروجين في الكحول لا بد أنهما كانتا في الأصل ذرة أكسجين مرتبطة برابطة مزدوجة في الحمض الكربوكسيلي. وهذه البنية لجزيء 3-ميثيل حمض البيوتانويك هي نفسها بنية الحمض الكربوكسيلي الأساسي المستخدم في تفاعل الاختزال هذا.
لنراجع ما تعلمناه عن تفاعلات الأحماض الكربوكسيلية. الأحماض الكربوكسيلية أحماض ضعيفة يمكن أن تتفاعل مع الفلزات لإنتاج ملح وغاز الهيدروجين، ومع هيدروكسيدات الفلزات لإنتاج ملح وماء، ومع كربونات الفلزات وبيكربونات الفلزات لإنتاج ملح وماء وثاني أكسيد الكربون. أسترة فيشر هي تفاعل الأحماض الكربوكسيلية مع الكحولات في وجود عامل حفاز حمضي لإنتاج إستر وماء. يمكن اختزال الأحماض الكربوكسيلية باستخدام مجموعة متنوعة من العوامل المختزلة لإنتاج كحول أولي وماء. الأحماض الكربوكسيلية الأروماتية تكون أكثر حمضية من الأحماض الكربوكسيلية الأليفاتية. ومن ثم، فإنها ستتفاعل بشكل أسرع مع الفلزات، والهيدروكسيدات، والكربونات، والبيكربونات. كما أن أسترتها تكون أسهل أيضًا بسبب تأثير الرنين.
