Karbonsavak és észterek

Ha egy molekulán belül különböző kötésmódú oxigénatomok különböző szénatomhoz kapcsolódnak, akkor általában ugyanolyan sajátságokat hordoznak a vegyületek, mintha külön-külön volnának jelen. De ha a két különböző funkciós csoport azonos szénatomhoz kapcsolódik, olyan sajátságok lépnek fel, amelyek külön-külön egyik csoportra sem jellemzők. Ezért az ilyen molekula részleteket célszerű egyetlen egységnek, összetett funkciós csoportnak tekintenünk. Az azonos szénatomhoz kapcsolódó oxo- és hidroxilcsoportból felépülő összetett funkciós csoport a karboxilcsoport, az azonos szénatomhoz kapcsolódó oxo- és étercsoportból felépülő pedig az észtercsoport.

KARBONSAVAK

Funkciós csoport: KARBOXILCSOPORT -> -COOH

Elnevezés

• Triviális név: benzoesav, ecetsav, citromsav stb.
• Régi rendszer: az alap szénhidrogénlácból képzi a nevet, amelyhez a -sav, illetve a -disavutótagot illeszti; a szénláncba a karboxilcsoport szénatomját beleszámolja, a szénatomokat görög betűvel jelöli úgy, hogy a karboxilcsoport melletti szénatom jele a, a mellette levő b, és így tovább:
• IUPAC nómenklatúra: az alap szénhidrogénlácból képzi a nevet, amelyhez a -sav, illetve a -disav utótagot illeszti; a szénláncba a karboxilcsoport szénatomját beleszámolja, a főlánc számozását a karboxilcsoport szénatomjával kezdi!
• Ha a nyíltláncú karbonsav három vagy annál több karboxilcsoportot tartalmaz, a vegyület nevét a -karbonsav utótaggal képezzük, ilyenkor a karboxilcsoportok szénatomjait NEM számoljuk bele a főláncba!
• A gyűrűs karbonsavak elnevezése is a -karbonsav utótaggal történik.

Homológsor: A telített, egyértékű karbonsavak homológsorának összegképlete (nyílt lánc esetében): C_nH_2nO2 v. Cx_2x+1-COOH

Csoportosítás

• Karboxilcsoportok száma szerint: mono-, di-, trikarbonsav stb.
• A szénhidrogénlánc minősége szerint
  

  alifás karbonsavak (nyílt láncú) alliciklikus karbonsavak (ciklohexán-karbonsav) telítetlen karbonsav (R-CH=CH-COOH) aromás karbonsav (C6H5-COOH -> benzoesav)

Fizikai tulajdonságok

• Hidrogénkötés kialakításában donor és akceptor is lehet
• A legkisebb vegyület standard halmazállapota folyadék (HCOOH); a legkisebb dikarbonsav szilárd (HOOC-COOH)
• Olvadás- és forráspont (nem túl nagy szénatomszám esetén): magas (nagyfokú dimerizálódás! -> H-kötés). A dikarbonsavak több molekulája asszociálódik, ezeknek még a dioloknál is magasabb az olvadáspontja. (Nagy szénatomszám esetén a funkciós csoport hatása már elenyésző, ezért a nagy szénatomszámú vegyületek olvadáspontja jelentősen nem különbözik az azonos C-atomszámú szénhidrogénekétől.)
• Vízoldékonyság a kisebb molekulák esetén: korlátlan (C₁-C₃); a dikarbonsavak rosszabbul.
• A kis molekulájú vegyületek – C₁-C₃ – savanyú, szúrós; C₄ bűzös szagúak; a nem illékonyak szagtalanok.

Előállítási módszerek

• Alkánok oxidációja (ipari):

   

  

• Alkének oxidációja:

   

   

• Benzol homológokból:

   

  

• Alkoholok oxidációjával:–

Primer alkoholokból:

-Szekunder alkoholokból:

• Karbonsav-észterek hidrolízisével: 

  

Kémiai tulajdonságok

• Sav-bázis jelleg: a vízhez viszonyítva savak. A szubsztituensek hatással vannak a savi erősségre. Ezek egy-két atomnyi távolságban hatnak, ha a szubsztituens elektronszívó (pl. halogén), a proton leadásakor keletkező aniont stabilizálja, és így növeli a savi erősséget. Így például a triklór-ecetsav az erős ásványi savak erősségével vetekszik.
• NaOH-dal, NaHCO₃-tal és Na-mal is reakcióba lép.
• Oxidáció (szelektíven a funkcióscsoport szénatomját tekintve): általában csak erélyes körülmények között zajlik le.
• Kémiai reakciók:
  

  Ammóniával, aminokkal amidképzés. Sóképzés: R-COOH + NaOH  R-COONa + H2O Észteresítés: Redukció alkohollá. Karbonsavak dekarboxilezése: Halogénezés (α-helyzetű C-atomra történik): Karboxilcsoportban helyettesített származékok:

Fontosabb karbonsavak:

• hangyasav (metánsav)
• ecetsav (etánsav)
• vajsav (butánsav)
• valeriánsav (pentásav)
• palmitinsav
• sztearinsav
• olajsav
• akrilsav (propénsav)
• benzoesav
• oxálsav (etándisav)

ÉSZTEREK

Nevezéktan

Az észtereket úgy nevezzük el, mint a karbonsavak olyan származékait, amelyekben a karboxilcsoport hidrogénatomját szénhidrogéncsoport helyettesíti, vagyis amelyekben egy szénhidrogéncsoport kapcsolódik egy savmaradékhoz. Az alkánsavakból levezethető alkil-észterek típusneve tehát alkil-alkanoát.

Homológsor: A telített, egyértékű észterek homológsorának összegképlete C_nH_2nO2 (n>3).

Fizikai tulajdonságok

• Hidrogénkötés kialakításában akceptor.
• A legkisebb vegyület standard halmazállapota folyadék (metil-formiát).
• Olvadás- és forráspont azonos (nem túl nagy szénatomszám esetén) az éterekénél magasabb (lévén gyenge dipólus-dipólus kölcsönhatás).
• Vízoldékonyság a kisebb molekulák esetén nem jó.
• A kismolekulájú vegyületeknél: különböző gyümölcsaromák (a nagy szénatomszámú, nem illékony képviselőik szagtalanok).

Kémiai tulajdonságok

• Sav-bázis jelleg: A vizes oldat kémhatása semleges, hidrolízis esetén gyengén savas.
• Hidrolízis: lúgos közegben az észterek karbonsavra és alkoholra hidrolizálnak. Mivel a közeg lúgos, ezért a sav ionos formában lesz jelen a hidrolízis után: A hidrolízis során tehát gyakorlatilag sót (a karbonsav nátrium sóját) és alkoholt kaptunk. Ha a karbonsav sójának R-csoportja (alkil-csoport) nagy, úgy szappanokról beszélünk. Az észterek lúgos hidrolízisét szappanosításnak nevezzük.
• Oxidáció: csak erélyes körülmények között megy végbe.
• Ammóniával és aminokkal amidokat képeznek, ugyanis a reakció során karbonsav-amid (lásd ábra) és alkohol keletkezik. A folyamat hasonló, mint az észterhidrolízis, csak mivel az amid stabilisabb, mint az észter, az egyensúly gyakorlatilag teljesen az amidképzés irányába tolódik el.

Fontosabb észterek

• Zsírok és olajok (trigliceridek)Az acilező savak mindig páros szénatomszámúak, leggyakrabban OLAJSAV, PALMITINSAV, SZTEARINSAV. Az alkohol pedig a GLICERIN.
• Foszfatidok
• Gyümölcsészterek: Kis szénatomszámú alkánsavak egyszerű alkilésztere.
• Viaszok: Nagy és páros szénatomszámú, normál láncú, telített karbonsavak és ugyanilyen típusú alkoholok észterei! (pl. méhviasz)