Κορεσμένα μονοκαρβοξυλικά οξέα - Αιθανικό οξύ 🍶

Τα καρβοξυλικά οξέα και η ρίζα καρβοξύλιο

Σε προηγούμενα κεφάλαια γνωρίσαμε οργανικές ενώσεις με όξινο χαρακτήρα, όπως οι φαινόλες. Τα σημαντικότερα όμως οργανικά οξέα είναι εκείνα που περιέχουν στο μόριό τους τη ρίζα καρβοξύλιο $-COOH$ . Οι οργανικές αυτές ενώσεις ονομάζονται καρβοξυλικά οξέα.

Μία από τις χαρακτηριστικές ιδιότητες των οξέων είναι η ξινή (όξινη) γεύση, από την οποία πήραν και το όνομά τους.

Ανάμεσα στα πιο γνωστά οργανικά οξέα είναι:

Οξύ	Τύπος	Πού βρίσκεται
Αιθανικό ή οξικό οξύ	$CH_3COOH$	Στο ξίδι
2-υδροξυπροπανικό ή γαλακτικό οξύ	—	Στο γιαούρτι
Βενζοϊκό οξύ (αρωματικό)	$C_6H_5COOH$	Χρησιμοποιείται ως συντηρητικό τροφίμων (κωδικός Ε210)
Τρυγικό οξύ	—	Στο κρασί και στα αναψυκτικά
Κιτρικό οξύ	—	Στους χυμούς εσπεριδοειδών και στα αναψυκτικά

Από πού προέρχεται το όνομα «καρβοξύλιο»

Το όνομα καρβοξύλιο για τη ρίζα $-COOH$ προκύπτει από τη σύντμηση των ομάδων καρβονύλιο και υδροξύλιο, που μαζί συγκροτούν τη λέξη «καρβοξύλιο».

Ταξινόμηση των καρβοξυλικών οξέων

Τα καρβοξυλικά οξέα μπορούν να ταξινομηθούν με βάση διαφορετικά κριτήρια:

Ανάλογα με τον αριθμό των καρβοξυλίων που περιέχουν στο μόριό τους, διακρίνονται σε μονοκαρβοξυλικά, δικαρβοξυλικά, τρικαρβοξυλικά κ.λπ. Για παράδειγμα, το $CH_3COOH$ (αιθανικό ή οξικό οξύ) είναι μονοκαρβοξυλικό, ενώ το αιθανοδιικό ή οξαλικό οξύ είναι δικαρβοξυλικό.

Ανάλογα με τον τρόπο σύνδεσης των ατόμων άνθρακα, διακρίνονται σε κορεσμένα ή ακόρεστα. Για παράδειγμα, το $CH_3CH_2CH_2COOH$ (βουτανικό ή βουτυρικό οξύ) είναι κορεσμένο μονοκαρβοξυλικό, ενώ το $CH_2=CHCOOH$ (προπενικό ή ακρυλικό οξύ) είναι ακόρεστο μονοκαρβοξυλικό.

Ανάλογα με την ύπαρξη ή όχι βενζολικού δακτυλίου, διακρίνονται σε αλειφατικά (άκυκλα) και αρωματικά. Το $CH_3CH_2CH_2COOH$ (βουτανικό οξύ) είναι αλειφατικό, ενώ το $C_6H_5COOH$ (βενζοϊκό οξύ) είναι αρωματικό.

Τέλος, υπάρχουν παράγωγα των καρβοξυλικών οξέων που φέρουν, εκτός από το καρβοξύλιο, και μία επιπλέον χαρακτηριστική ομάδα:

Κορεσμένα υδροξυκαρβοξυλικά οξέα, που περιέχουν υδροξύλιο, π.χ. το 2-υδροξυπροπανικό οξύ ή γαλακτικό οξύ.
Αμινοξέα, π.χ. το αμινοαιθανικό οξύ ή γλυκίνη.
Χλωροξέα, π.χ. το χλωροαιθανικό οξύ.

Μην μπερδεύεις τα κριτήρια ταξινόμησης

Ένα καρβοξυλικό οξύ ταξινομείται ταυτόχρονα με βάση περισσότερα από ένα κριτήρια. Το βουτανικό οξύ, για παράδειγμα, είναι μονοκαρβοξυλικό (ένα καρβοξύλιο), κορεσμένο (μόνο απλοί δεσμοί C-C) και αλειφατικό (χωρίς βενζολικό δακτύλιο) — τα τρία κριτήρια είναι ανεξάρτητα μεταξύ τους.

Γενικός τύπος και ονοματολογία

Τα κορεσμένα μονοκαρβοξυλικά οξέα προκύπτουν θεωρητικά από τα αλκάνια, αν αντικαταστήσουμε ένα άτομο υδρογόνου με τη ρίζα καρβοξύλιο $-COOH$ . Έχουν τον γενικό τύπο:

C_\nu H_{2\nu+1}COOH

Για την ονομασία κατά IUPAC ενός οξέος πρέπει να θυμόμαστε ότι το άτομο άνθρακα του καρβοξυλίου αποτελεί μέρος της ανθρακικής αλυσίδας και χαρακτηρίζει πάντα την υπ' αριθμόν 1 θέση της. Επίσης, η χαρακτηριστική κατάληξη της ονομασίας για τα οξέα είναι -ικό οξύ. Έτσι προκύπτουν ονόματα όπως το 2-μεθυλοπεντανικό οξύ ή το 2-αιθυλοπεντανικό οξύ, όπου ο αριθμός δείχνει τη θέση του υποκαταστάτη πάνω στην αλυσίδα που ξεκινά την αρίθμησή της από τον άνθρακα του καρβοξυλίου.

Πολλά αλειφατικά καρβοξυλικά οξέα ήταν γνωστά εδώ και πολλά χρόνια, γι' αυτό διατηρούν και κοινά (εμπειρικά) ονόματα, που συχνά αναφέρονται στην προέλευσή τους και όχι στη χημική τους δομή. Η εμπειρική αυτή ονομασία είναι σε ορισμένες περιπτώσεις επίσημα αποδεκτή και από την IUPAC. Τα σημαντικότερα κορεσμένα μονοκαρβοξυλικά οξέα συνοψίζονται στον παρακάτω πίνακα:

Τύπος	Όνομα IUPAC	Κοινό όνομα
$HCOOH$	μεθανικό οξύ	μυρμηκικό
$CH_3COOH$	αιθανικό οξύ	οξικό
$CH_3CH_2COOH$	προπανικό οξύ	προπιονικό
$CH_3CH_2CH_2COOH$	βουτανικό οξύ	βουτυρικό
—	μεθυλοπροπανικό οξύ	ισοβουτυρικό
$CH_3(CH_2)_{14}COOH$	δεκαεξανικό οξύ	παλμιτικό
$CH_3(CH_2)_{16}COOH$	δεκαοκτανικό οξύ	στεατικό

Γιατί το μεθανικό οξύ λέγεται «μυρμηκικό»

Το απλούστερο μέλος της ομόλογης σειράς, το $HCOOH$ , απαντάται σε ορισμένα είδη μυρμηγκιών — από εκεί προήλθε και το κοινό του όνομα, μυρμηκικό οξύ.

Το σημαντικότερο μέλος της σειράς είναι το αιθανικό ή οξικό οξύ $(CH_3COOH)$ , το οποίο εξετάζεται αναλυτικότερα στη συνέχεια.

Παρασκευές του οξικού οξέος

Βιομηχανική παρασκευή

Το «βιομηχανικό» οξικό οξύ, που προορίζεται για τη σύνθεση άλλων προϊόντων (π.χ. του πολυοξικού βινυλεστέρα), παρασκευάζεται με τρεις κύριους τρόπους:

Με καταλυτική οξείδωση αλκανίων, π.χ. του βουτανίου $C_4H_{10}$ .
Με καταλυτική οξείδωση ακεταλδεΰδης:

CH_3CHO + \tfrac{1}{2}O_2 \rightarrow CH_3COOH

Από μεθανόλη, με επίδραση $CO$ παρουσία κατάλληλων καταλυτών.

Το ξίδι είναι υδατικό διάλυμα οξικού οξέος, το οποίο παρασκευάζεται από τη ζύμωση κρασιού ή άλλου αλκοολούχου ποτού μικρής περιεκτικότητας σε οινόπνευμα (περίπου 5%-8%). Κατά τη διεργασία αυτή γίνεται οξείδωση της αιθυλικής αλκοόλης προς οξικό οξύ, παρουσία του ενζύμου αλκοολοξειδάση:

CH_3CH_2OH + O_2 \xrightarrow{\text{αλκοολοξειδάση}} CH_3COOH + H_2O

όπου η αιθανόλη προέρχεται από το κρασί και το προϊόν οξικό οξύ βρίσκεται στο ξίδι.

Τέλος, από ζωικά ή φυτικά λίπη μπορούν, με κατάλληλη επεξεργασία, να παραχθούν τα ανώτερα μέλη της ομόλογης σειράς με μεγάλη καθαρότητα.

Παρασκευή στο εργαστήριο

Στο εργαστήριο, το οξικό οξύ παρασκευάζεται με δύο κύριους τρόπους:

Με οξείδωση της αιθυλικής αλκοόλης με κατάλληλα οξειδωτικά μέσα:

CH_3CH_2OH + 2[O] \rightarrow CH_3COOH + H_2O

Με υδρόλυση του $CH_3CN$ (αιθανονιτρίλιο ή μεθυλοκυανίδιο). Η υδρόλυση γίνεται παρουσία οξέος ή βάσης:

CH_3CN + 2H_2O \rightarrow CH_3COOH + NH_3\uparrow

Οι δύο αυτές μέθοδοι παρασκευής μπορούν να εφαρμοστούν και για την παρασκευή άλλων κορεσμένων μονοκαρβοξυλικών οξέων, όχι μόνο του οξικού.

Φυσικές ιδιότητες

Το οξικό οξύ και τα κατώτερα μέλη της ομόλογης σειράς, όπως το $HCOOH$ (μεθανικό) και το $CH_3CH_2COOH$ (προπανικό), είναι υγρά που διαλύονται εύκολα στο νερό και έχουν χαρακτηριστική οσμή ξιδιού.

Τα μέσα μέλη $C_4$ - $C_8$ είναι υγρά με βαριά, δυσάρεστη οσμή (το βουτυρικό οξύ, για παράδειγμα, μυρίζει σαν ταγγισμένο βούτυρο) και λίγο διαλυτά στο νερό.

Τα ανώτερα μέλη είναι στερεά, αδιάλυτα στο νερό και άοσμα.

Γενικά, όλα τα καρβοξυλικά οξέα διαλύονται στον αιθέρα και σε άλλους οργανικούς διαλύτες.

Το άνυδρο καθαρό οξικό οξύ, σε θερμοκρασία κάτω από 17°C, στερεοποιείται σχηματίζοντας κρυστάλλους που μοιάζουν με πάγο, γι' αυτό και φέρεται στο εμπόριο με την ονομασία glacial (παγόμορφο).

Γιατί το οξικό οξύ μυρίζει τόσο έντονα ο ανθρώπινος ιδρώτας

Το βουτανικό οξύ υπάρχει σε μικρή συγκέντρωση στον ανθρώπινο ιδρώτα. Η χαρακτηριστική του οσμή γίνεται αντιληπτή από τον άνθρωπο όταν η συγκέντρωσή του ξεπερνά τα $10^{-11}$ mol/L, ενώ ο σκύλος τη διακρίνει σε συγκεντρώσεις πάνω από $10^{-17}$ mol/L — γι' αυτό και μπορεί να αναγνωρίζει ανθρώπους από πολύ μεγάλη απόσταση. Κάθε άνθρωπος έχει στον ιδρώτα του ένα ιδιαίτερο μείγμα οργανικών οξέων, από τη σύνθεση του οποίου προκύπτει η προσωπική του οσμή.

Χημικές ιδιότητες: ο όξινος χαρακτήρας

Ο όξινος χαρακτήρας εκφράζει το σύνολο των ιδιοτήτων που οφείλονται στην ικανότητα των οξέων να παράγουν σε υδατικά διαλύματα κατιόντα $H^+$ . Το οξικό οξύ είναι ασθενές οξύ και ιοντίζεται μερικώς σε $H^+$ :

CH_3COOH \rightleftharpoons CH_3COO^- + H^+

Οι ιδιότητες που απορρέουν από τον όξινο χαρακτήρα είναι οι εξής:

Ξινή γεύση και επίδραση στους δείκτες

Τα καρβοξυλικά οξέα έχουν ξινή γεύση και αλλάζουν το χρώμα των χημικών δεικτών, όπως κάθε άλλο οξύ.

Αντίδραση με βάσεις και βασικά οξείδια

CH_3COOH + NaOH \rightarrow CH_3COONa + H_2O

Γενικά:

RCOOH + NaOH \rightarrow RCOONa + H_2O

2CH_3COOH + CaO \rightarrow (CH_3COO)_2Ca + H_2O

Γενικά:

2RCOOH + CaO \rightarrow (RCOO)_2Ca + H_2O

Αντίδραση με ανθρακικά άλατα

Τα καρβοξυλικά οξέα διασπούν τα ανθρακικά άλατα και ελευθερώνουν διοξείδιο του άνθρακα — αντίδραση που χρησιμοποιείται και για την ανίχνευση των οξέων:

2CH_3COOH + Na_2CO_3 \rightarrow 2CH_3COONa + H_2O + CO_2\uparrow

Γενικά:

2RCOOH + Na_2CO_3 \rightarrow 2RCOONa + H_2O + CO_2\uparrow

Αντίδραση με μέταλλα

Τα καρβοξυλικά οξέα αντιδρούν με μέταλλα δραστικότερα από το υδρογόνο:

2CH_3COOH + Mg \rightarrow (CH_3COO)_2Mg + H_2\uparrow

Γενικά:

2RCOOH + Mg \rightarrow (RCOO)_2Mg + H_2\uparrow

Το οξικό οξύ είναι ασθενές, όχι ισχυρό οξύ

Παρόλο που το οξικό οξύ αντιδρά με μέταλλα, βάσεις και ανθρακικά άλατα όπως κάθε οξύ, ο ιοντισμός του στο νερό είναι μόνο μερικός ( $\rightleftharpoons$ ) και όχι πλήρης. Αυτό το κατατάσσει στα ασθενή οξέα, σε αντίθεση με ισχυρά ανόργανα οξέα όπως το υδροχλωρικό, που ιοντίζονται πλήρως.

Εστεροποίηση

Τα κορεσμένα μονοκαρβοξυλικά οξέα αντιδρούν με αλκοόλες, σε όξινο περιβάλλον, και δίνουν εστέρες. Η αντίδραση αυτή ονομάζεται εστεροποίηση.

Κατά την εστεροποίηση ενός οργανικού οξέος με αλκοόλη, αντιδρά συνήθως το υδροξύλιο του οξέος. Αν από το $RCOOH$ αφαιρέσουμε το υδροξύλιο, προκύπτει η ρίζα:

RCO-

η οποία ονομάζεται ακύλιο. Το ακύλιο που προκύπτει από το οξικό οξύ ονομάζεται ειδικότερα ακετύλιο.

Το οξικό οξύ στην καθημερινότητα και τη βιομηχανία

Το ξίδι, που χρησιμοποιούμε καθημερινά στο τραπέζι μας, είναι υδατικό διάλυμα οξικού οξέος περίπου 5% w/v. Χρησιμοποιείται επίσης ευρέως στη βιομηχανία τροφίμων για τη συντήρηση τροφίμων, όπως τουρσιά και ελιές.

Το οξικό οξύ χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανία ως πρώτη ύλη:

Στη βαφική, για τη στερέωση των χρωμάτων στις ίνες.
Στην παρασκευή τεχνητής μετάξας (οξική κυτταρίνη).
Στη βιομηχανία φαρμάκων (π.χ. ασπιρίνη) και άλλων χημικών ουσιών, όπως ακετόνη και διάφοροι εστέρες.

Ένα οξύ με πολλαπλή βιομηχανική ταυτότητα

Το οξικό οξύ δεν είναι απλώς το συστατικό του ξιδιού· αποτελεί βασική πρώτη ύλη σε κλάδους τόσο διαφορετικούς όσο η βαφική βιομηχανία, η παραγωγή τεχνητής μετάξας και η φαρμακοβιομηχανία — μεταξύ άλλων και για την παρασκευή της ασπιρίνης.