- Vlastnosti anhydridů
- Chemické reakce
- Hydrolýza
- Esterifikace
- Amidace
- Jak se tvoří anhydridy?
- Cyklické anhydridy
- Nomenklatura
- Aplikace
- Organické anhydridy
- Příklady
- Anhydrid kyseliny jantarové
- Anhydrid kyseliny glutarové
- Reference
Tyto anhydridy jsou chemické sloučeniny, pocházející ze spojení dvou molekul uvolněním vody. Lze tedy nahlížet jako na dehydrataci výchozích látek; i když to není úplně pravda.
V organické a anorganické chemii jsou zmiňovány a v obou oborech se jejich chápání značně liší. Například v anorganické chemii jsou bazické a kyselé oxidy považovány za anhydridy jejich hydroxidů a kyselin, protože první z nich reagují s vodou za vzniku těchto oxidů.
Obecná struktura anhydridů. Zdroj: DrEmmettBrownie, z Wikimedia Commons
Zde může dojít k záměně mezi pojmy „bezvodý“ a „anhydrid“. Obecně se bezvodý vztahuje na sloučeninu, na kterou byla dehydratována beze změn své chemické povahy (nedochází k žádné reakci); zatímco u anhydridu dochází k chemické změně, která se odráží v molekulární struktuře.
Pokud jsou hydroxidy a kyseliny porovnány s jejich odpovídajícími oxidy (nebo anhydridy), je vidět, že došlo k reakci. Naproti tomu některé oxidy nebo soli mohou být hydratovány, ztrácet vodu a zůstat stejnými sloučeninami; ale bez vody, to je bezvodé.
Na druhé straně v organické chemii znamená anhydrid počáteční definici. Například jedním z nejznámějších anhydridů jsou anhydridy odvozené od karboxylových kyselin (horní obrázek). Tyto sestávají ze spojení dvou acylových skupin (-RCO) atomem kyslíku.
Ve svém obecném vzorci R 1 je určen pro jednu acylovou skupinu, a R 2 pro druhou acylovou skupinou. Vzhledem k tomu, R 1 a R 2 jsou odlišné, pocházejí z různých karboxylových kyselin, a to je pak anhydrid kyseliny asymetrický. Pokud jsou oba substituenty R (ať už jsou nebo nejsou aromatické) stejné, označuje se v tomto případě anhydrid kyseliny symetrické.
Když se dvě karboxylové kyseliny vážou za vzniku anhydridu, voda se může nebo nemusí tvořit, stejně jako jiné sloučeniny. Všechno bude záviset na struktuře těchto kyselin.
Vlastnosti anhydridů
Vlastnosti anhydridů budou záviset na tom, na které se odkazuje. Většina z nich má společné, že reagují s vodou. Avšak pro takzvané bazické anhydridy v anorganických látkách je několik z nich ve skutečnosti dokonce nerozpustných ve vodě (MgO), takže toto tvrzení se zaměří na anhydridy karboxylových kyselin.
Body tání a teploty varu spadají na molekulární strukturu a intermolekulární interakce (RCO) 20, což je obecný chemický vzorec těchto organických sloučenin.
Pokud je molekulová hmotnost (RCO) 20 nízká, je to pravděpodobně bezbarvá kapalina při pokojové teplotě a tlaku. Například anhydrid kyseliny octové (nebo anhydrid kyseliny ethanové), (CH 3 CO) 2 O, je kapalný a jeden z největší průmyslový význam, jeho výroba je velmi rozsáhlé.
Reakci mezi anhydridem kyseliny octové a vodou představuje následující chemická rovnice:
(CH 3 CO) 2 O + H 2 O => 2CH 3 COOH
Všimněte si, že po přidání molekuly vody se uvolní dvě molekuly kyseliny octové. K reverzní reakci však nemůže dojít u kyseliny octové:
2CH 3 COOH => (CH 3 CO) 2 O + H 2 O (nenastane)
Je nutné uchýlit se k jiné syntetické cestě. Na druhé straně to mohou být dikarboxylové kyseliny zahříváním; ale bude to vysvětleno v další části.
Chemické reakce
Hydrolýza
Jednou z nejjednodušších reakcí anhydridů je jejich hydrolýza, která byla právě ukázána pro anhydrid kyseliny octové. Kromě tohoto příkladu existuje anhydrid kyseliny sírové:
H 2 S 2 O 7 + H 2 O <=> 2H 2 SO 4
Zde máte anhydrid anorganické kyseliny. Všimněte si, že na H 2 S 2 O 7 (také nazývaný kyselina disírová), reakce je vratná, takže ohřev koncentrovaný H 2 SO 4 vede ke tvorbě jejího anhydridu. Pokud, na druhé straně, to je zředěný roztok H 2 SO 4, SO 3, anhydrid kyseliny sírové, se uvolní.
Esterifikace
Anhydridy kyselin reagují s alkoholy, mezi nimi pyridin, za vzniku esteru a karboxylové kyseliny. Zvažte například reakci mezi acetanhydridem a ethanolem:
(CH 3 CO) 2 O + CH 3 CH 2 OH => CH 3 CO 2 CH 2 CH 3 + CH 3 COOH
Čímž se vytvoří se ethyl ester ethanové, CH 3 CO 2 CH 2 CH 3 a ethanové kyseliny (kyselina octová).
Prakticky se stane substituce vodíku hydroxylové skupiny acylovou skupinou:
R 1 -OH => R 1 -OCOR 2
V případě (CH 3 CO) 2 O, jeho acylová skupina je -COCH 3. Proto se uvádí, že skupina OH podléhá acylaci. Acylace a esterifikace však nejsou zaměnitelné pojmy; acylace může nastat přímo na aromatickém kruhu, známém jako Friedel-Craftsova acylace.
Alkoholy v přítomnosti anhydridů kyselin jsou tedy esterifikovány acylací.
Na druhé straně pouze jedna ze dvou acylových skupin reaguje s alkoholem, druhá zůstává s vodíkem a vytváří karboxylovou kyselinu;, které v případě, že (CH 3 CO) 2 O, je ethanové kyseliny.
Amidace
Anhydridy kyseliny reagují s amoniakem nebo aminy (primární a sekundární) za vzniku amidů. Reakce je velmi podobná právě popsané esterifikaci, ale ROH je nahrazen aminem; Například, sekundární amin, R 2, NH.
Opět platí, že reakce mezi (CH 3 CO) 2 O a diethylamin, Et 2 je považován za NH:
(CH 3 CO) 2 O + 2Et 2 NH => CH 3 CONET 2 + CH 3 COO - + NH 2 Et 2
A diethylacetamid, CH 3 CONET 2, a karboxylovaný amoniová sůl, CH 3 COO - + NH 2 Et 2 jsou vytvořeny.
Ačkoli se tato rovnice může jevit trochu obtížně pochopitelná, stačí pozorovat, jak skupina - COCH 3 nahrazuje H Et 2 NH za vzniku amidu:
Et 2 NH => Et 2 NCOCH 3
Spíše než amidace je reakcí stále acylace. V tom slově je shrnuto všechno; tentokrát amin podléhá acylaci a ne alkoholu.
Jak se tvoří anhydridy?
Anorganické anhydridy se vytvářejí reakcí prvku s kyslíkem. Pokud je tedy prvek kovový, vytvoří se oxid kovu nebo bazický anhydrid; a pokud je nekovový, vytvoří se nekovový oxid nebo anhydrid kyseliny.
U organických anhydridů je reakce odlišná. Dvě karboxylové kyseliny se nemohou připojit přímo a uvolnit vodu a vytvořit anhydrid kyseliny; účast sloučeniny, která dosud nebyla zmíněna, je nutná: acylchlorid, RCOCl.
Karboxylová kyselina reaguje s acylchloridem a vytváří příslušný anhydrid a chlorovodík:
R 1 COCI + R 2 COOH => (R 1 CO) O (COR 2) + HCl
CH 3 COCI + CH 3 COOH => (CH 3 CO) 2 O + HCl
Jeden CH 3 pochází od acetylové skupiny, CH 3 CO-, a druhá je již přítomen v kyselině octové. Volba specifického acylchloridu, stejně jako karboxylové kyseliny, může vést k syntéze symetrického nebo asymetrického anhydridu kyseliny.
Cyklické anhydridy
Na rozdíl od jiných karboxylových kyselin, které vyžadují acylchlorid, mohou dikarboxylové kyseliny kondenzovat na svůj odpovídající anhydrid. K tomu je třeba zahřát na podporu uvolňování H 2 O. Například, je zobrazena tvorba anhydridu kyseliny ftalové z kyseliny ftalové.
Tvorba anhydridu kyseliny ftalové. Zdroj: Jü, z Wikimedia Commons
Všimněte si, jak je pentagonální kruh dokončen a kyslík, který spojuje obě skupiny C = O, je jeho součástí; toto je cyklický anhydrid. Také to může být zřejmé, že anhydrid kyseliny ftalové je symetrický anhydrid, protože obě R 1 a R 2 jsou stejné: aromatický kruh.
Ne všechny dikarboxylové kyseliny jsou schopné tvořit svůj anhydrid, protože když jsou jejich skupiny COOH široce odděleny, jsou nuceny dokončit větší a větší kruhy. Největší kruh, který může být vytvořen, je šestihranný, větší než ten, k němuž nedochází.
Nomenklatura
Jak se jmenují anhydridy? Pomineme-li anorganické částice, které mají význam pro otázky oxidu, názvy organických anhydridů vysvětleno, pokud závisí na identitě R 1 a R 2; to je z jeho acylových skupin.
Pokud jsou obě R stejná, jednoduše nahraďte slovo „kyselina“ za „anhydrid“ v příslušném názvu karboxylové kyseliny. A pokud se naopak obě R liší, jsou pojmenována v abecedním pořadí. Proto, abyste věděli, jak to nazvat, musíte nejprve zjistit, zda se jedná o symetrický nebo asymetrický anhydrid kyseliny.
(CH 3 CO) 2 O je symetrický, protože R 1 = R 2 = CH 3. Pochází z kyseliny octové nebo ethanové, takže její název je následující po předchozím vysvětlení: anhydrid kyseliny octové nebo ethanové. Totéž platí o právě zmíněném anhydridu ftalové.
Předpokládejme, že máme následující anhydrid:
CH 3 CO (O) COCH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3
Acetylová skupina na levé straně pochází z kyseliny octové a druhá na pravé straně pochází z kyseliny heptanové. Chcete-li pojmenovat tento anhydrid, musíte jeho skupiny R pojmenovat v abecedním pořadí. Jmenuje se tedy anhydrid kyseliny heptanové.
Aplikace
Anorganické anhydridy mají nekonečné použití, od syntézy a formulace materiálů, keramiky, katalyzátorů, cementů, elektrod, hnojiv atd., Až po povlak zemské kůry tisíci minerálů železa a hliníku a oxidu uhličitého uhlíku vydechovaného živými organismy.
Představují výchozí zdroj, bod, odkud pochází mnoho sloučenin použitých v anorganických syntézách. Jedním z nejdůležitějších anhydridy je oxid uhličitý, CO 2. Je spolu s vodou nezbytný pro fotosyntézu. A na průmyslové úrovni, SO 3, je nezbytné, protože požadoval kyselina sírová se získá z ní.
Možná, že anhydrid má nejvíce aplikací a musí mít (i když je život), je jeden z kyseliny fosforečné: adenosintrifosfát, lépe známý jako ATP, přítomný v DNA a „energetická měna“ metabolismu.
Organické anhydridy
Kyslé anhydridy reagují acylací, buď na alkohol, za vzniku esteru, aminu, za vzniku amidu nebo aromatického kruhu.
Každá z těchto sloučenin má miliony a stovky tisíc možností karboxylové kyseliny připravit anhydrid; proto syntetické možnosti dramaticky rostou.
Jednou z hlavních aplikací je tedy začlenit acylovou skupinu do sloučeniny nahrazením jednoho z atomů nebo skupin její struktury.
Každý samostatný anhydrid má své vlastní aplikace, ale obecně řečeno, všichni reagují podobným způsobem. Z tohoto důvodu se tyto typy sloučenin používají k modifikaci polymerních struktur, k vytváření nových polymerů; tj. kopolymery, pryskyřice, povlaky atd.
Například se k acetylaci všech OH skupin celulózy používá anhydrid kyseliny octové (dolní obrázek). S tímto, každý z H OH je nahrazen acetylovou skupinou, COCH 3.
Celulóza. Zdroj: NEUROtiker, z Wikimedia Commons
Tímto způsobem se získá polymer acetátu celulózy. Stejná reakce může být uvedeno s jinými polymerními strukturami s NH 2 skupin, také citlivý na acylaci.
Tyto acylační reakce jsou také užitečné pro syntézu léčiv, jako je aspirin (kyselina acetylsalicylová).
Příklady
Ukázalo se, že některé další příklady organických anhydridů končí. Ačkoli o nich nebude zmínka, atomy kyslíku mohou být nahrazeny sírou, čímž se získají síry nebo dokonce anhydridy fosforu.
C 6 H 5 CO (O) COC 6 H 5: benzoová anhydrid. Skupina C 6 H 5 reprezentuje benzenový kruh. Jeho hydrolýza produkuje dvě kyseliny benzoové.
-HCO (O) COH: anhydrid kyseliny mravenčí. Její hydrolýza produkuje dvě kyseliny mravenčí.
- C 6 H 5 CO (O) COCH 2 CH 3: benzoová anhydrid kyseliny propanové. Jeho hydrolýza vytváří kyseliny benzoové a propanové.
C 6 H 11 CO (O) COC 6 H 11: anhydrid kyseliny cyklohexankarboxylové. Na rozdíl od aromatických kruhů jsou tyto nasycené, bez dvojných vazeb.
CH 3 CH 2 CH 2 CO (O) COCH 2 CH 3: propanové butanovou anhydrid.
Anhydrid kyseliny jantarové
Anhydrid kyseliny jantarové. Zdroj: Ninjatacoshell, z Wikimedia Commons
Zde máte další cyklický, odvozený od kyseliny jantarové, dikarboxylové kyseliny. Všimněte si, jak tyto tři atomy kyslíku odhalují chemickou povahu tohoto typu sloučeniny.
Anhydrid kyseliny maleinové je velmi podobný anhydridu kyseliny jantarové s tím rozdílem, že mezi uhlíky, které tvoří základ pentagonu, existuje dvojná vazba.
Anhydrid kyseliny glutarové
Anhydrid kyseliny glutarové. Zdroj: Choij, z Wikimedia Commons
Nakonec je ukázán anhydrid kyseliny glutarové. To se strukturálně liší od všech ostatních tím, že se skládá z šestihranného prstence. Opět platí, že tři atomy kyslíku vynikají ve struktuře.
Jiné anhydridy, složitější, lze vždy dokázat třemi atomy kyslíku, které jsou velmi blízko sebe.
Reference
- Editors of Encyclopaedia Britannica. (2019). Anhydrid. Enclyclopaedia Britannica. Obnoveno z: britannica.com
- Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (8. ledna 2019). Definice anhydridu kyseliny v chemii. Obnoveno z: thinkco.com
- Chemistry LibreTexts. (sf). Anhydridy. Obnoveno z: chem.libretexts.org
- Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organická chemie. Amines. (10 th edition.). Wiley Plus.
- Carey F. (2008). Organická chemie. (Šesté vydání). Mc Graw Hill.
- Whitten, Davis, Peck a Stanley. (2008). Chemie. (8. ed.). CENGAGE Učení.
- Morrison a Boyd. (1987). Organická chemie. (Páté vydání). Addison-Wesley Iberoamericana.
- Wikipedia. (2019). Anhydrid kyseliny organické. Obnoveno z: en.wikipedia.org