Właściwości bezwodne, sposób ich tworzenia, nazewnictwo, zastosowania

The bezwodniki są to związki chemiczne, które powstają w wyniku połączenia dwóch cząsteczek poprzez uwolnienie wody. Tak więc może to być postrzegane jako odwodnienie początkowych substancji; chociaż nie jest to dokładnie prawda.

W chemii organicznej i nieorganicznej wspomina się o nich, a w obu gałęziach ich rozumienie różni się w znacznym stopniu. Na przykład w chemii nieorganicznej tlenki zasadowe i kwasowe są uważane za bezwodniki ich wodorotlenków i kwasów odpowiednio, ponieważ te pierwsze reagują z wodą tworząc ten ostatni..

Tutaj może powstać zamieszanie między określeniami „bezwodny” i „bezwodnik”. Ogólnie, bezwodny odnosi się do związku, który został odwodniony bez zmian w jego chemicznym charakterze (brak reakcji); podczas gdy w przypadku bezwodnika zachodzi zmiana chemiczna, odzwierciedlona w strukturze molekularnej.

Jeśli wodorotlenki i kwasy zostaną porównane z odpowiadającymi im tlenkami (lub bezwodnikami), zaobserwuje się reakcję. W przeciwieństwie do tego, niektóre tlenki lub sole mogą być uwodnione, tracą wodę i pozostają tymi samymi związkami; ale bez wody, to znaczy bezwodnej.

Natomiast w chemii organicznej przez bezwodnik rozumie się początkową definicję. Na przykład, jednym z najbardziej znanych bezwodników są pochodne kwasów karboksylowych (górny obraz). Składają się one z połączenia dwóch grup acylowych (-RCO) za pomocą atomu tlenu.

W swojej ogólnej strukturze wskazano R₁ dla grupy acylowej i R₂ dla drugiej grupy acylowej. Ponieważ R₁ i R₂ są różne, pochodzą z różnych kwasów karboksylowych, a następnie są asymetrycznym bezwodnikiem kwasowym. Gdy oba podstawniki R (niezależnie od tego, czy są aromatyczne) są takie same, mówimy w tym przypadku o symetrycznym bezwodniku kwasowym.

W momencie łączenia dwóch kwasów karboksylowych w celu utworzenia bezwodnika, woda może być utworzona lub nie, jak również inne związki. Wszystko będzie zależało od struktury tych kwasów.

Indeks

• 1 Właściwości bezwodników
  • 1.1 Reakcje chemiczne
• 2 Jak powstają bezwodniki?
  • 2.1 Cykliczne bezwodniki
• 3 Nazewnictwo
• 4 Aplikacje
  • 4.1 Bezwodniki organiczne
• 5 Przykłady
  • 5.1 Bezwodnik bursztynowy
  • 5.2 Bezwodnik glutarowy
• 6 referencji

Właściwości bezwodników

Właściwości bezwodników będą zależeć od tego, do czego się odnosisz. Prawie wszystkie mają wspólną cechę, że reagują z wodą. Jednak dla tak zwanych bezwodników zasadowych w nieorganicznych, w rzeczywistości kilka z nich jest nawet nierozpuszczalnych w wodzie (MgO), więc to stwierdzenie skupi się na bezwodnikach kwasów karboksylowych.

Temperatura topnienia i wrzenia spada na strukturę molekularną i oddziaływania międzycząsteczkowe dla (RCO)₂Albo jest to ogólny wzór chemiczny tych związków organicznych.

Jeśli masa cząsteczkowa (RCO)₂Lub jest niski, prawdopodobnie jest to bezbarwna ciecz w temperaturze pokojowej i ciśnieniu. Na przykład bezwodnik octowy (lub bezwodnik etanowy), (CH₃CO)₂Lub jest to ciecz o większym znaczeniu przemysłowym, która jest bardzo rozległa.

Reakcję między bezwodnikiem octowym i wodą reprezentuje następujące równanie chemiczne:

(CH₃CO)₂O + H₂O => 2CH₃COOH

Zauważ, że po dodaniu cząsteczki wody uwalniane są dwie cząsteczki kwasu octowego. Odwrotna reakcja nie może jednak wystąpić w przypadku kwasu octowego:

2CH₃COOH => (CH₃CO)₂O + H₂O (tak się nie dzieje)

Konieczne jest skorzystanie z innej trasy syntetycznej. Z drugiej strony kwasy dikarboksylowe mogą to zrobić przez ogrzewanie; ale zostanie to wyjaśnione w następnej sekcji.

Reakcje chemiczne

Hydroliza

Jedną z najprostszych reakcji bezwodników jest ich hydroliza, którą właśnie wykazano dla bezwodnika octowego. Oprócz tego przykładu mamy bezwodnik kwasu siarkowego:

H₂S₂O₇ + H₂O <=> 2H₂TAK₄

Tutaj masz nieorganiczny bezwodnik kwasowy. Zauważ, że dla H₂S₂O₇ (zwany również kwasem disiarczkowym), sama reakcja jest odwracalna, więc ogrzewanie H₂TAK₄ Koncentrat powoduje tworzenie się jego bezwodnika. Jeśli natomiast jest to rozcieńczony roztwór H₂TAK₄, SO jest uwalniane₃, bezwodnik siarkowy.

Estryfikacja

Bezwodniki kwasowe reagują z alkoholami, z pirydyną w ośrodku, otrzymując ester i kwas karboksylowy. Na przykład rozważa się reakcję między bezwodnikiem octowym a etanolem:

(CH₃CO)₂O + CH₃CH₂OH => CH₃CO₂CH₂CH₃            +   CH₃COOH

Tworząc etanolan estru etylowego, CH₃CO₂CH₂CH₃, i kwas etanowy (kwas octowy).

Praktycznie to, co się dzieje, to zastąpienie wodoru grupy hydroksylowej grupą acylową:

R₁-OH => R₁-OCOR₂

W przypadku (CH₃CO)₂Albo twoja grupa acylowa to COCH₃. Dlatego mówi się, że grupa OH cierpi na acylację. Jednak acylowanie i estryfikacja nie są wymiennymi koncepcjami; Acylacja może zachodzić bezpośrednio w pierścieniu aromatycznym, znanym jako acylowanie Friedela-Craftsa.

Tak więc alkohole w obecności bezwodników kwasowych są estryfikowane przez acylowanie.

Z drugiej strony, tylko jedna z dwóch grup acylowych reaguje z alkoholem, druga pozostaje z wodorem tworząc kwas karboksylowy; w przypadku (CH₃CO)₂Lub jest to kwas etanowy.

Amidacja

Bezwodniki kwasowe reagują z amoniakiem lub z aminami (pierwszorzędowymi i drugorzędowymi) dając amidy. Reakcja jest bardzo podobna do opisanej właśnie estryfikacji, ale ROH zastępuje się aminą; na przykład drugorzędowa amina, R₂NH.

Ponownie reakcja pomiędzy (CH₃CO)₂O i dietyloamina, Et₂NH:

(CH₃CO)₂O + 2Et₂NH => CH₃CONEt₂ + CH₃COO^-+NH₂Et₂

Tworzą się dietyloacetamid, CH₃CONEt₂, i karboksylowa sól amoniowa, CH₃COO^-+NH₂Et₂.

Chociaż równanie może wydawać się trochę trudne do zrozumienia, wystarczy obserwować, jak grupa -COCH₃ zastąp H w Et₂NH tworzy amid:

Et₂NH => Et₂NCOCH₃

Bardziej niż amidacja, reakcja jest nadal acylacją. Wszystko jest streszczone w tym słowie; tym razem amina cierpi na acylację, a nie na alkohol.

Jak powstają bezwodniki?

Nieorganiczne bezwodniki powstają w wyniku reakcji pierwiastka z tlenem. Zatem, jeśli pierwiastek jest metaliczny, powstaje zasadowy tlenek lub bezwodnik metalu; a jeśli jest niemetalowa, powstaje tlenek niemetaliczny lub bezwodnik kwasowy.

W przypadku bezwodników organicznych reakcja jest inna. Dwa kwasy karboksylowe nie mogą wiązać się bezpośrednio do uwalniania wody i tworzyć bezwodnik kwasowy; wymagany jest udział związku, który nie został jeszcze wymieniony: chlorek acylu, RCOCl.

Kwas karboksylowy reaguje z chlorkiem acylu, wytwarzając odpowiedni bezwodnik i chlorowodór:

R₁COCl + R₂COOH => (R₁CO) O (COR₂) + HCl

CH₃COCl + CH₃COOH => (CH₃CO)₂O + HCl

CH₃ pochodzi z grupy acetylowej, CH₃CO-, a drugi jest już obecny w kwasie octowym. Wybór konkretnego chlorku acylu, jak również kwasu karboksylowego, może spowodować syntezę symetrycznego lub asymetrycznego bezwodnika kwasowego.

Cykliczne bezwodniki

W przeciwieństwie do innych kwasów karboksylowych, które wymagają chlorku acylu, kwasy dikarboksylowe można kondensować w odpowiadającym im bezwodniku. W tym celu konieczne jest podgrzanie ich, aby promować uwalnianie H₂O. Na przykład pokazano tworzenie bezwodnika ftalowego z kwasu ftalowego.

Zwróć uwagę, jak pierścień pięciokątny jest ukończony, a tlen, który wiąże obie grupy C = O, jest jego częścią; To cykliczny bezwodnik. Można również zauważyć, że bezwodnik ftalowy jest bezwodnikiem symetrycznym, ponieważ oba R₁ jak R₂ Są identyczne: pierścień aromatyczny.

Nie wszystkie kwasy dikarboksylowe są zdolne do tworzenia bezwodnika, ponieważ gdy ich grupy COOH są szeroko rozdzielone, są zmuszone do uzupełniania coraz większych pierścieni. Największym pierścieniem, który można uformować, jest pierścień sześciokątny, większy niż nie zachodzi reakcja.

Nomenklatura

Jak nazywa się bezwodniki? Pomijając nieorganiczne związki, związane z tlenkami, nazwy bezwodników organicznych dotychczas wyjaśnione zależą od tożsamości R₁ i R₂; to znaczy z jego grup acylowych.

Jeśli dwa R są takie same, wystarczy zastąpić słowo „acid” słowem „bezwodnik” w odpowiedniej nazwie kwasu karboksylowego. A jeśli, przeciwnie, dwa R są różne, są one nazwane w porządku alfabetycznym. Dlatego, aby wiedzieć, jak to nazwać, należy najpierw sprawdzić, czy jest to symetryczny lub asymetryczny bezwodnik kwasowy.

The (CH₃CO)₂Albo jest symetryczny, ponieważ R₁= R₂ = CH₃. Pochodna kwasu octowego lub etanowego, a więc jego nazwa, zgodnie z poprzednim wyjaśnieniem: bezwodnik octowy lub etanowy. To samo dotyczy właśnie wspomnianego bezwodnika ftalowego.

Załóżmy, że masz następujący bezwodnik:

CH₃CO (O) COCH₂CH₂CH₂CH₂CH₂CH₃

Grupa acetylowa po lewej pochodzi z kwasu octowego, a ta po prawej pochodzi z kwasu heptanowego. Aby nazwać ten bezwodnik, musisz nazwać swoje grupy R w kolejności alfabetycznej. Tak więc nazywa się: bezwodnik octowy heptanowy.

Aplikacje

Nieorganiczne bezwodniki mają nieskończoną liczbę zastosowań, od syntezy i formułowania materiałów, ceramiki, katalizatorów, cementów, elektrod, nawozów itp., Po powlekanie skorupy ziemskiej tysiącami minerałów żelaza i glinu oraz dwutlenku. węgla wydychanego przez żywe organizmy.

Stanowią one źródło wyjścia, punkt, w którym powstaje wiele związków stosowanych w syntezie nieorganicznej. Jednym z najważniejszych bezwodników jest dwutlenek węgla, CO₂. Jest wraz z wodą niezbędny do fotosyntezy. A na poziomie przemysłowym SO₃ to jest najważniejsze, ponieważ oskarżony otrzymuje z niego kwas siarkowy.

Być może bezwodnik o większej liczbie zastosowań i (o ile istnieje życie) jest jednym z kwasu fosforowego: trójfosforanu adenozyny, lepiej znanego jako ATP, obecnego w DNA i „walucie energetycznej” metabolizmu.

Bezwodniki organiczne

Bezwodniki kwasowe reagują przez acylowanie, albo na alkohol, tworząc ester, na aminę, powodując powstanie amidu, albo pierścienia aromatycznego.

Istnieją miliony każdego z tych związków i setki tysięcy opcji kwasu karboksylowego do przygotowania bezwodnika; dlatego możliwości syntetyczne rosną drastycznie.

Zatem jednym z głównych zastosowań jest włączenie grupy acylowej do związku, zastępując jeden z atomów lub grup jego struktury.

Każdy bezwodnik oddzielnie ma swoje własne zastosowania, ale ogólnie rzecz biorąc, wszystkie reagują w podobny sposób. Z tego powodu tego typu związki są wykorzystywane do modyfikowania struktur polimerowych, tworząc nowe polimery; to znaczy kopolimery, żywice, powłoki itp..

Na przykład bezwodnik octowy stosuje się do acetylowania wszystkich grup OH celulozy (dolny obraz). W ten sposób każde H z OH jest zastąpione grupą acetylową, COCH₃.

W ten sposób otrzymuje się polimer octanu celulozy. Ta sama reakcja może być nakreślona innymi strukturami polimerowymi z grupami NH₂, również podatne na acylację.

Te reakcje acylowania są także użyteczne w syntezie leków, takich jak aspiryna (kwas acetylsalicylowy).

Przykłady

Pokazano, że niektóre inne przykłady bezwodników organicznych kończą się. Chociaż nie będzie o nich żadnej wzmianki, atomy tlenu można zastąpić siarką, siarką, a nawet bezwodnikami fosforu.

-C₆H₅CO (O) COC₆H₅: bezwodnik benzoesowy. Grupa C₆H₅ oznacza pierścień benzenowy. Jego hydroliza wytwarza dwa kwasy benzoesowe.

-HCO (O) COH: bezwodnik mrówkowy. Jego hydroliza wytwarza dwa kwasy mrówkowe.

- C₆H₅CO (O) COCH₂CH₃: benzoesowy bezwodnik propanowy. Jego hydroliza wytwarza kwasy benzoesowy i propanowy.

-C₆H₁₁CO (O) COC₆H₁₁: bezwodnik cykloheksanokarboksylowy. W przeciwieństwie do pierścieni aromatycznych są one nasycone, bez podwójnych wiązań.

-CH₃CH₂CH₂CO (O) COCH₂CH₃: butanowy bezwodnik propanowy.

Bezwodnik bursztynowy

Mamy tu kolejny cykliczny, pochodzący z kwasu bursztynowego, kwas dikarboksylowy. Zauważ, jak trzy atomy tlenu zdradzają chemiczny charakter tego typu związku.

Bezwodnik maleinowy jest bardzo podobny do bezwodnika bursztynowego, z tą różnicą, że między węglami tworzącymi podstawę pięciokąta występuje podwójne wiązanie.

Bezwodnik glutarowy

I wreszcie pokazano bezwodnik kwasu glutarowego. To strukturalnie odróżnia się od wszystkich innych składając się z sześciokątnego pierścienia. Ponownie, trzy atomy tlenu wyróżniają się w strukturze.

Inne bezwodniki, bardziej złożone, zawsze mogą być udowodnione przez trzy atomy tlenu bardzo blisko siebie.

Referencje

1. Redakcja Encyclopaedia Britannica. (2019). Bezwodnik. Encryclopaedia Britannica. Źródło: britannica.com
2. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (8 stycznia 2019 r.). Definicja Acid Anhydride in Chemistry. Źródło: thinkco.com
3. Chemia LibreTexts. (s.f.). Bezwodniki. Źródło: chem.libretexts.org
4. Graham Solomons T.W., Craig B. Fryhle. (2011). Chemia organiczna. Aminy (10^th wydanie.). Wiley Plus.
5. Carey F. (2008). Chemia organiczna (Szósta edycja). Mc Graw Hill.
6. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Chemia (8 wyd.). CENGAGE Learning.
7. Morrison i Boyd. (1987). Chemia organiczna (Piąta edycja). Addison-Wesley Iberoamericana.
8. Wikipedia. (2019). Bezwodnik kwasu organicznego. Źródło: en.wikipedia.org