Acid carboxilic

O imagine generată pe computer reprezentând o grupă carboxil. Grupa carboxil nu poate exista singură.

Acizii carboxilici sunt acizi organici care conțin în molecula lor o grupă funcțională carboxil , -C(=O)OH, formată dintr-o grupă carbonilică, -C(=O)-, și o grupă hidroxil, -OH, legată direct de atomul de carbon carbonilic.^[1]^[2] Se poate spune astfel că formula generală a unui acid carboxilic este R-COOH, R fiind un rest organic. Acizii carboxilici alcătuiesc o clasă variată și numeroasă de compuși organici, aceștia fiind larg răspândiți în natură, precum sunt acidul formic, acidul acetic, acizii grași, aminoacizii (glicină, alanină, etc), acizii dicarboxilici, etc.

Grupa carboxil conferă moleculelor proprietăți acide slabe, astfel că aceasta poate fi deprotonată cu obținerea anionului carboxilat, putând forma săruri sau carboxilați. Reacția chimică prin care se grefează o grupă carboxil în structura unei molecule se numește reacție de carboxilare, iar enzimele care catalizează aceste reacții se numesc carboxilaze (CE 6.4.1) și, respectiv, decarboxilaze (CE 4.1.1).

Lungimea legăturii duble C=O din grupa carboxil poate fi calculată prin spectroscopie.

Nomenclatură

Articol principal: Nomenclatura IUPAC a compușilor organici.

Denumirea IUPAC a acizilor carboxilici se face adăugând termenul acid în fața rădăcinii și prin adăugarea sufixului -oic.^[3] Un număr mare de acizi carboxilici prezintă denumiri comune, uzuale, triviale, acestea fiind asemănătoare ca structură cu denumirea sistematică (prezintă sufixul -ic). De exemplu, cel mai simplu acid carboxilic, H-COOH, este denumit comun acid formic și sistematic acid metanoic. În cazul unor compuși cu structură mai complexă care conțin grupe carboxilice, acestea sunt considerate ca fiind prioritare, iar catena ce conține grupa carboxil este cea principală. De exemplu, denumirea corectă pentru CH₃-CH(Cl)-COOH este acid 2-cloropropanoic. Singurul caz în care grupa carboxil nu este prioritară este în cazul unui compus ionic, de exemplu corect este: clorură de carboxi-piridiniu.

Anionul carboxilat (R–COO⁻ sau RCO₂⁻) derivat de la un acid carboxilic este denumit de obicei cu sufixul -at, aceasta fiind nomenclatura uzuală pentru perechea acid-bază conjugată. De exemplu, baza conjugată a acidului acetic este ionul acetat.

Denumirile unor acizi comuni

În următoarele tabele se regăsesc denumirile unor acizi carboxilici comuni, și se ține cont și de clasificarea acestora în funcție de anumite criterii (vezi și secțiunea Clasificare).^[4]

Acizi carboxilici cu catenă neramificată și saturată
Număr de atomi de carbon	Denumire uzuală	Denumire IUPAC	Formulă chimică	Note (surse uzuale)
1	Acid carbonic	Acid carbonic	OHCOOH	sisteme tampon sanguine și tisulare
1	Acid formic	Acid metanoic	HCOOH	înțepătura furnicilor
2	Acid acetic	Acid etanoic	CH₃COOH	oțet
3	Acid propionic	Acid propanoic	CH₃CH₂COOH	conservanți, miros corporal, lapte, unt, brânzeturi
4	Acid butiric	Acid butanoic	CH₃(CH₂)₂COOH	unt
5	Acid valerianic	Acid pentanoic	CH₃(CH₂)₃COOH	valeriană
6	Acid capronic	Acid hexanoic	CH₃(CH₂)₄COOH	grăsime de capră
7	Acid enantic	Acid heptanoic	CH₃(CH₂)₅COOH
8	Acid caprilic	Acid octanoic	CH₃(CH₂)₆COOH	nuci de cocos
9	Acid pelargonic	Acid nonanoic	CH₃(CH₂)₇COOH	specii de Pelargonium
10	Acid caprinic	Acid decanoic	CH₃(CH₂)₈COOH	ulei de cocos
11	Acid undecilic	Acid undecanoic	CH₃(CH₂)₉COOH
12	Acid lauric	Acid dodecanoic	CH₃(CH₂)₁₀COOH	ulei de cocos, săpunuri
14	Acid miristic	Acid tetradecanoic	CH₃(CH₂)₁₂COOH	nucșoară
16	Acid palmitic	Acid hexadecanoic	CH₃(CH₂)₁₄COOH	ulei de palmier
17	Acid margaric	Acid heptadecanoic	CH₃(CH₂)₁₅COOH
18	Acid stearic	Acid octadecanoic	CH₃(CH₂)₁₆COOH	ciocolată, ceruri, săpunuri, uleiuri
19	Acid nonadecilic	Acid nonadecanoic	CH₃(CH₂)₁₇COOH	grăsimi, uleiuri vegetale, feromoni
20	Acid arahidonic	Acid eicosanoic	CH₃(CH₂)₁₈COOH	ulei de arahide

Alte tipuri de acizi carboxilici
Tipul de acid	Reprezentanți
Acizi monocarboxilici nesaturați	acid acrilic (acid 2-propenoic) – CH₂=CHCOOH, utilizat în sinteza polimerilor; acid crotonic (acid trans-2-butenoic)
Acizi grași	acizi cu catenă de mărime medie până la lungi, saturați și nesaturați, monocarboxilici, cu un număr par de atomi de carbon: acid docosahexaenoic și acid eicosapentaenoic (suplimente nutriționale)
Aminoacizi	acizi care conțin grupe amino, sunt unitățile structurale ale proteinelor: glicină, alanină, lizină, acid aspartic, etc
Cetoacizi	acizi care conțin grupe ceto, cu importanță biochimică majoră: acid acetoacetic și acid piruvic
Acizi carboxilici aromatici	acizi care conțin cel puțin un nucleu aromatic: acid benzoic, acid salicilic, acid ftalic
Acizi dicarboxilici	acizi care conțin două grupe carboxil: acid oxalic și acid adipic
Acizi tricarboxilici	acizi care conțin trei grupe carboxil: acid citric și acid izocitric
Alfa-hidroxiacizi	acizi care conțin o grupă hidroxil în poziție alfa: acid gliceric, acid glicolic, acid lactic (acid 2-hidroxipropanoic) - din lapte acru, și acid tartric – din vin

Clasificare

În primul rând, acizii carboxilici se pot clasifica după natura substituentului care se leagă de atomul de carbon din grupa carboxil în acizi alifatici și acizi aromatici. Acizii alifatici pot fi saturați (formic, acetic, propionic) sau nesaturați (acrilic, crotonic).^[5]^[6]

Acid formic sau acid metanoic
Acid acetic sau acid etanoic
Acid propionic sau acid propanoic
Acid acrilic sau acid propenoic
Acid crotonic sau acid trans-2-butenoic
Acid benzoic sau acid benzencarboxilic
Acid salicilic sau acid 2-hidroxibenzoic

De asemenea, acizii carboxilici se pot clasifica după numărul de grupe carboxilice care se regăsesc în molecula lor. Numărul grupelor se indică cu prefixe (mono, di, tri...) adăugate în fața termenului carboxilic. Astfel, acizii pot fi monocarboxilici, dicarboxilici, tricarboxilici.^[6]

Acid oxalic sau acid etandioic
Acid malonic sau acid propandioic
Acid adipic sau acid hexandioic
Acid maleic sau acid cis-2-butendioic
Acid fumaric sau acid trans-2-butendioic
Acid tereftalic
Acid citric

Metode de obținere

Metode oxidative

Alcani

$R-CH_{3}+{\frac {3}{2}}O_{2}\longrightarrow R-COOH+H_{2}O$ ; la temperatură înaltă; alcanul este unul superior și astfel rezultă un acid gras.

Alchene

Reacțiile au loc cu oxigen atomic, provenit din KMnO₄ sau K₂Cr₂O₇ în H₂SO₄.

$+5[O]\longrightarrow R-COOH+CO_{2}+H_{2}O$ ;

$+3[O]\longrightarrow {\begin{matrix}R-&C=O\\\quad /&\\R&\end{matrix}}+R'-COOH$ ;

$+4[O]\longrightarrow R-COOH+R'-COOH$ ;

Alchine (acetilenă)

$HC\equiv CH+4[O]\longrightarrow$ ;

Arene

Oxidarea la arene poate avea loc la catenă sau la nucleul benzenic.

$+{\frac {3}{2}}O_{2}\longrightarrow$ $+H_{2}O\,$ ;

$+{\frac {9}{2}}O_{2}\longrightarrow$ $+2CO_{2}+H_{2}O\,$ ; în prezență de V₂O₅, la o temperatură de 500 °C; în acest caz, nucleul este distrus;

$+{\frac {9}{2}}O_{2}\longrightarrow$ $+2CO_{2}+H_{2}O\,$ ; în prezență de V₂O₅, la o temperatură de 350 °C.

Alcooli

Acizii se obțin prin oxidarea energică a alcoolilor (KMnO₄ în H₂SO₄)

$R-CH_{2}-OH+3[O]\longrightarrow R-COOH+H_{2}O$ ;

${\begin{matrix}R-&CH-OH\\\quad /&\\R'&\end{matrix}}+4[O]\longrightarrow R-COOH+R'-COOH+H_{2}O$ ;

Aldehide

${\begin{matrix}R-&C&-H\\&||&\\&O&\end{matrix}}+[O]\longrightarrow R-COOH$

${\begin{cases}{\begin{matrix}R-&C&-H\\&||&\\&O&\end{matrix}}+O_{2}\longrightarrow {\begin{matrix}R-&C&-O-O-H\\&||&\\&O&\end{matrix}}\\{\begin{matrix}R-&C&-O-O-H\\&||&\\&O&\end{matrix}}+{\begin{matrix}R-&C&-H\\&||&\\&O&\end{matrix}}\longrightarrow 2R-COOH\end{cases}}$

$2\left[Ag\left(NH_{3}\right)_{2}\right]OH+{\begin{matrix}R-&C&-H\\&||&\\&O&\end{matrix}}\longrightarrow R-COOH+2Ag+4NH_{3}+H_{2}O$

Metode hidrolitice

Hidroliza derivaților trihalogenați geminali

$R-X_{3}+2HOH\longrightarrow R-COOH+3HX$ ;în prezență de NaOH;

Hidroliza derivaților funcționali ai acizilor organici

hidroliza esterilor:

$R-COOR+H_{2}O\longrightarrow R-COOH+R-OH$ ;

hidroliza nitrililor:

$R-C\equiv N+2H_{2}O\longrightarrow R-COOH+NH_{3}$ ;

hidroliza amidelor:

$R-CONH_{2}+H_{2}O\longrightarrow R-COOH+NH_{3}$ ;

hidroliza cu clorură acidă

$R-CO-Cl+H_{2}O\longrightarrow R-COOH+HCl$

hidroliza cu anhidrida acidă

$(R-CO)_{2}O+H_{2}O\longrightarrow 2R-COOH$

Proprietăți fizice

Acizii organici pot fi substanțe lichide sau solide, în funcție de masa lor moleculară. Cei inferiori sunt solubili în apă, iar cei superiori sunt solubili numai în solvenți organici.

Punctele lor de fierbere și de topire sunt anormal de ridicate, pentru că între moleculele de acid se formează legături de hidrogen, care sunt legături foarte puternice de atracție electrostatică.

Proprietăți chimice

Datorită unor deplasari ale electronilor din moleculă gruparea carbonil din gruparea carboxil este blocată de un orbital molecular extins și nu poate da reacții de adiție. De exemplu nu adiționează H, deci nu se reduce.

Reacții comune cu acizii anorganici

` ${\begin{matrix}R-&C&-O^{\delta -}\leftarrow H^{\delta +}\\&||&\\&O&\end{matrix}}\longrightarrow {\begin{matrix}R-&C&-O^{-}\\&||&\\&O&\end{matrix}}\ +\ H^{+}$ , ceea ce arată caracterul acid.

Aciditatea

${\begin{matrix}R-&C&-O^{\delta -}\leftarrow H^{\delta +}\\&||&\\&O&\end{matrix}}\ +\ H-OH\longrightarrow {\begin{matrix}R-&C&-O^{-}\\&||&\\&O&\end{matrix}}\ +\ H_{3}O^{+}$ ; au rezultat un ion carboxilat și un ion hidroniu;

Tăria acizilor carboxilici variază, în sensul că tăria înseamnă capacitatea (sau ușurința) de a ceda protoni:

odată cu creșterea numărului de atomi de carbon scade aciditatea;
odată cu creșterea numărului de grupe carboxil crește aciditatea;
odată cu creșterea gradului de ramificație a catenei acidului scade aciditatea;

$R-C\equiv C-H<R-OH<HOH<Ar-OH<H_{2}CO_{3}<R-COOH$ ; în acest sens crește aciditatea.

Reacția cu metale active

${\begin{matrix}R-&C&-OH\\&||&\\&O&\end{matrix}}+Na\longrightarrow {\begin{matrix}R-&C&-O^{-}Na^{+}\\&||&\\&O&\end{matrix}}\ +1/2H_{2}$ ;

$2\ {\begin{matrix}R-&C&-OH\\&||&\\&O&\end{matrix}}+Mg\longrightarrow \left({\begin{matrix}R-&C&-O^{-}\\&||&\\&O&\end{matrix}}\right)_{2}Mg^{+}2+H_{2}$ ;

Reacția cu oxizii metalici

$2\ {\begin{matrix}R-&C&-OH\\&||&\\&O&\end{matrix}}+K_{2}O\longrightarrow 2\ {\begin{matrix}R-&C&-O^{-}K^{+}\\&||&\\&O&\end{matrix}}\ +H_{2}O$ ;

$2\ {\begin{matrix}R-&C&-OH\\&||&\\&O&\end{matrix}}+CaO\longrightarrow \left({\begin{matrix}R-&C&-O^{-}\\&||&\\&O&\end{matrix}}\right)_{2}Ca^{+}2+H_{2}O$ ;

Reacția cu bazele

${\begin{matrix}R-&C&-OH\\&||&\\&O&\end{matrix}}+NaOH\longrightarrow \ {\begin{matrix}R-&C&-O^{-}Na^{+}\\&||&\\&O&\end{matrix}}\ +H_{2}O$ ;

$2\ {\begin{matrix}R-&C&-OH\\&||&\\&O&\end{matrix}}+Mg\left(OH\right)_{2}\longrightarrow \left({\begin{matrix}R-&C&-O^{-}\\&||&\\&O&\end{matrix}}\right)_{2}Mg^{+}2+2\ H_{2}O$ ;

Reacția cu săruri ale acizilor mai slabi ca ei

$NaHCO_{3}+R-COOH\longrightarrow H_{2}CO_{3}+R-COO^{-}Na^{+}$ ; cu o sare de Na a acidului carbonic;

$NaCN+R-COOH\longrightarrow HCN+R-COO^{-}Na^{+}$ ; cu o sare de Na a acidului cianhidric;

$Ar-O^{-}Na^{+}+R-COOH\longrightarrow R-COO^{-}Na^{+}+Ar-OH$ ; cu o sare de Na a unui fenol;

Reacții caracteristice

În urma acestor reacții rezultă, cel mai frecvent, derivați funcționali ai acizilor organici.

Reacția cu alcooli

Aceasta se mai numește și reacție de esterificare.

$R-COOH+R'-OH\Longleftrightarrow R-COOR'+H_{2}O$ , la 100 °C și în prezență de H₂SO₄, obținându-se ester și apă;

$CH_{3}-COOH+CH_{3}-CH_{2}-OH\Longleftrightarrow CH_{3}-COO-CH_{2}-CH_{3}+H_{2}O$ , astfel, din acid acetic și etanol se obțin acetatul de etil și apă;

Reacția cu amoniac

În primul pas al acestei reacții, se adiționează la acid o moleculă de amoniac.

$R-COOH+NH_{3}\longrightarrow R-COO^{-}N^{+}H_{4}$ ;

Produsul de reacție de mai sus este descompus termic mai departe, având acum două posibilități.

descompunerea termică simplă, când se obține o amidă și apă:

$R-COO^{-}N^{+}H_{4}\longrightarrow R-CONH_{2}+H_{2}O$ ;

descompunerea termică în prezență de P₂O₅, când se obține un nitril și apă:

$R-COO^{-}N^{+}H_{4}\longrightarrow R-C\equiv N+2H_{2}O$ ;

$CH_{3}-CH_{2}-COOH+NH_{3}\longrightarrow CH_{3}-CH_{2}-COO^{-}N^{+}H_{4}$

$CH_{3}-CH_{2}-COO^{-}N^{+}H_{4}\longrightarrow {\begin{cases}CH_{3}-CH_{2}-CONH_{2}+H_{2}O,&\mathrm {la\ descompunere\ termica\ simpla} \\CH_{3}-CH_{2}-C\equiv N+2H_{2}O,&\mathrm {la\ descompunere\ termica\ in\ prezenta\ de\ P_{2}O_{5}} \end{cases}}$

Derivați funcționali

Derivații funcționali ai acizilor rezultă prin eliminarea unei molecule de apă dintre un H ionizabil (care apare ca proton) și o grupă -OH în cadrul aceleeași molecule sau dintre molecule diferite.

Cei mai importanți derivați sunt:

esterii - ${\begin{matrix}R-&C&-O-R'\\&||&\\&O&\end{matrix}}$
clorurile acide - ${\begin{matrix}R-&C&-Cl\\&||&\\&O&\end{matrix}}$
amidele - ${\begin{matrix}R-&C&-NH_{2}\\&||&\\&O&\end{matrix}}$
nitrilii - $R-C\equiv N$
anhidridele acide -

Note

^ IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, Ed. a 2-a („Gold Book”) (1997). Versiune online: (2006-) „carboxylic acids”.
^ William Reusch (2 octombrie 2013), „Carboxylic Acids”, Chemistry Chemistry Library by LibreTexts, accesat în 3 august 2019
^ Recommendations 1979. Organic Chemistry IUPAC Nomenclature. Rules C-4 Carboxylic Acids and Their Derivatives.
^ Mircea Darabantu, Facultatea de Chimie, Universitatea Babeș-Bolyai Cluj-Napoca, Compuși carboxilici și derivați funcționali ai acestora (PDF), accesat în 3 august 2019
^ „Carboxylic Acids” (PDF), Rutgers University, Camden, accesat în 3 august 2019
^ ^a ^b „Classification of Carboxylic Acids”, Organic Mystery, accesat în 3 august 2019

Vezi și

Commons

Wikimedia Commons conține materiale multimedia legate de acid carboxilic

[1] IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, Ed. a 2-a („Gold Book”) (1997). Versiune online: (2006-) „carboxylic acids”.

[CLT-2] William Reusch (2 octombrie 2013), „Carboxylic Acids”, Chemistry Chemistry Library by LibreTexts, accesat în 3 august 2019

[3] Recommendations 1979. Organic Chemistry IUPAC Nomenclature. Rules C-4 Carboxylic Acids and Their Derivatives.

[Chem.ubbcluj-4] Mircea Darabantu, Facultatea de Chimie, Universitatea Babeș-Bolyai Cluj-Napoca, Compuși carboxilici și derivați funcționali ai acestora (PDF), accesat în 3 august 2019

[Crab-5] „Carboxylic Acids” (PDF), Rutgers University, Camden, accesat în 3 august 2019

[Orgm1-6] „Classification of Carboxylic Acids”, Organic Mystery, accesat în 3 august 2019

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]