- Lastnosti anhidridov
- Kemijske reakcije
- Hidroliza
- Esterifikacija
- Umorjenje
- Kako nastajajo anhidridi?
- Ciklični anhidridi
- Nomenklatura
- Prijave
- Organski anhidridi
- Primeri
- Sukcinidni anhidrid
- Brezvodni anhidrid
- Reference
V anhidridi so spojine, ki izvirajo iz združitvijo dveh molekul s sproščanjem vode. Tako bi lahko to razumeli kot dehidracijo začetnih snovi; čeprav ni povsem res.
V organski in anorganski kemiji sta omenjena, v obeh vejah pa se njihovo razumevanje v precejšnji meri razlikuje. Na primer, v anorganski kemiji se bazični in kislinski oksidi štejejo za anhidride njihovih hidroksidov oziroma kislin, saj prvi reagirajo z vodo in tvorijo slednji.
Splošna struktura anhidridov. Vir: DrEmmettBrownie, z Wikimedia Commons
Tu lahko pride do zmede med pojmi „brezvodni“ in „anhidrid“. Na splošno se brezvodna nanaša na spojino, v katero je bila dehidrirana brez sprememb njene kemijske narave (reakcije ni); medtem ko pri anhidridu pride do kemične spremembe, ki se odraža v molekularni strukturi.
Če hidrokside in kisline primerjamo z ustreznimi oksidi (ali anhidridi), bomo videli, da je prišlo do reakcije. Nasprotno pa lahko nekatere okside ali soli hidriramo, izgubijo vodo in ostanejo enake spojine; vendar brez vode, torej brezvodna.
Po drugi strani je za organsko kemijo prvotna definicija, kar pomeni anhidrid. Na primer, eden najbolj znanih anhidridov je tisti, ki izhaja iz karboksilnih kislin (zgornja slika). Ti so sestavljeni iz združitve dveh acilnih skupin (-RCO) skozi atom kisika.
V splošnem strukturi R 1 je indicirano za eno acilne skupine in R 2 za drugo acilno skupino. Ker sta 1 in R 2 sta različna, prihajajo iz različnih karboksilnih kislin in nato anhidrid asimetrična kisline. Kadar sta oba substituenta R (ne glede na to, ali sta aromatična ali ne), v tem primeru govorimo o anhidridu simetrične kisline.
Ko se dve karboksilni kislini vežeta, da tvorita anhidrid, se lahko tvori voda ali ne, pa tudi druge spojine. Vse bo odvisno od strukture teh kislin.
Lastnosti anhidridov
Lastnosti anhidridov bodo odvisne od tega, na katere se nanašate. Večini ima skupno to, da reagirajo z vodo. Vendar pa je za tako imenovane osnovne anhidride v anorganskih dejansko nekaj izmed njih celo netopnih v vodi (MgO), zato se bo ta izjava osredotočila na anhidride karboksilnih kislin.
Tališča in vrelišča ležijo v molekularni strukturi in v medmolekulskih interakcijah za (RCO) 20 O, kar je splošna kemijska formula teh organskih spojin.
Če je molekulska masa (RCO) 20 O nizka, je verjetno brezbarvna tekočina pri sobni temperaturi in tlaku. Na primer, acetanhidrida (ali ocetne kisline), (CH 3 CO) 2 O, je tekoča in eden največjih industrijskih pomen, ki je njegova proizvodnja zelo velika.
Reakcija med anhidridom ocetne kisline in vodo je predstavljena z naslednjo kemijsko enačbo:
(CH 3 CO) 2 O + H 2 O => 2CH 3 COOH
Upoštevajte, da se ob dodajanju molekule vode sprosti dve molekuli ocetne kisline. Vendar pa za ocetno kislino ne more priti do obratne reakcije:
2CH 3 COOH => (CH 3 CO) 2 O + H 2 O (ne pride)
Zateči se je treba na drugo sintetično pot. Dicarboksilne kisline lahko naredijo s segrevanjem; vendar bo razloženo v naslednjem razdelku.
Kemijske reakcije
Hidroliza
Ena najpreprostejših reakcij anhidridov je njihova hidroliza, ki je bila pravkar prikazana za anhidrid ocetne kisline. Poleg tega primera obstaja še anhidrid žveplove kisline:
H 2 S 2 O 7 + H 2 O <=> 2H 2 SO 4
Tu imate anhidrid anorganske kisline. Upoštevajte, da za H 2 S 2 O 7 (imenovan tudi disulfuric kislina), je reakcija reverzibilna, da segrevanje koncentrirane H 2 SO 4 posledico tvorbo njegovega anhidrida. Če je po drugi strani to razredčena raztopina H 2 SO 4 , SO 3 , žveplovega anhidrida.
Esterifikacija
Kisli anhidridi reagirajo z alkoholi s piridinom vmes, da dobimo ester in karboksilno kislino. Na primer, razmislite o reakciji med ocetnim anhidridom in etanolom:
(CH 3 CO) 2 O + CH 3 CH 2 OH => CH 3 CO 2 CH 2 CH 3 + CH 3 COOH
S čimer se tvori etil ethanoate ester, CH 3 CO 2 CH 2 CH 3 in ocetne kisline (ocetna kislina).
Praktično je, da je vodik hidroksilne skupine nadomeščen z acilno skupino:
R 1 OH => R 1 -OCOR 2
V primeru (CH 3 CO) 2 O, njena acilna skupina je -COCH 3 . Zato naj bi skupina OH prestajala acilacijo. Vendar acilacija in esterifikacija nista zamenljiva pojma; acilacija se lahko pojavi neposredno na aromatičnem obroču, poznanem kot acilacija Friedel-Crafts.
Tako alkohole v prisotnosti kislih anhidridov esterificiramo z acilacijo.
Po drugi strani pa reagira samo ena od obeh acilnih skupin z alkoholom, druga ostane z vodikom in tvori karboksilno kislino; da v primeru (CH 3 CO) 2 , je O etanojskakislma.
Umorjenje
Kisli anhidridi reagirajo z amonijakom ali amini (primarnimi in sekundarnimi), da nastanejo amidi. Reakcija je zelo podobna ravno opisani esterifikaciji, vendar je ROH nadomeščen z aminom; na primer, sekundarni amin, R 2 NH.
Spet reakcijo med (CH 3 CO) 2 , O in dietilamin Et 2 velja NH:
(CH 3 CO) 2 + 2Et 2 NH => CH 3 CONEt 2 + CH 3 COO - + NH 2 Et 2
In dietilacetamid, CH 3 CONET 2 in karboksiliran amonijeve soli, CH 3 COO - + NH 2 Et 2 tvorjene .
Čeprav enačba zdi malo težko razumeti, da je dovolj, da se opazujejo kako skupine, -COCH 3 zamenjuje H ET 2 NH, da se tvori amid:
Et 2 NH => Et 2 NCOCH 3
Namesto amidacije je reakcija še vedno acilacija. Vse je povzeto v tej besedi; tokrat se amin podvrže acilaciji in ne alkoholu.
Kako nastajajo anhidridi?
Anorganski anhidridi nastanejo z reakcijo elementa s kisikom. Tako, če je element kovinski, nastane kovinski oksid ali bazični anhidrid; in če je nekovinski, nastane nekovinski oksid ali kislinski anhidrid.
Pri organskih anhidridih je reakcija drugačna. Dve karboksilni kislini se ne moreta povezati neposredno, da bi sprostili vodo in tvorili kislinski anhidrid; udeležba spojine, ki še ni bila omenjena, je potrebna: acil klorid, RCOCl.
Karboksilna kislina reagira s acil kloridom, pri čemer pride do ustreznega anhidrida in vodikovega klorida:
R 1 COCl + R 2 COOH => (R 1 CO) O (COR 2 ) + HCI
CH 3 COCl + CH 3 COOH => (CH 3 CO) 2 O + HCI
Ena CH 3 prihaja iz skupine, acetil, CH 3 CO-, in drugi je že prisotna v ocetni kislini. Izbira specifičnega acil klorida in karboksilne kisline lahko privede do sinteze simetričnega ali asimetričnega anhidrida kisline.
Ciklični anhidridi
Za razliko od drugih karboksilnih kislin, ki potrebujejo acil klorid, se dikarboksilne kisline lahko kondenzirajo v ustrezni anhidrid. Če želite to narediti, jih je treba segreti, da pospešite sproščanje H 2 O. Na primer, prikazan je nastanek ftalnega anhidrida iz ftalne kisline.
Tvorba ftalnega anhidrida. Vir: Jü, z Wikimedia Commons
Upoštevajte, kako je zaključen peterokotni obroč in del tega je kisik, ki združuje obe C = O skupini; to je ciklični anhidrid. Prav tako je mogoče upoštevati, da je ftalanhidrid simetrični anhidrid, ker oba R 1 in R 2 sta enaka: aromatski obroč.
Vse dikarboksilne kisline niso sposobne tvoriti svojega anhidrida, saj so, ko se njihove skupine COOH široko ločijo, prisiljene dokončati večje in večje obroče. Največji obroč, ki ga je mogoče tvoriti, je šestkoten, večji od tega, da reakcija ne poteka.
Nomenklatura
Kako se imenujejo anhidridi? Če pustimo ob strani anorganske tisti, primerni za vprašanja oksid, imena organskih anhidridov pojasnjeno doslej odvisna od identitete R 1 in R 2 ; torej njegovih acilnih skupin.
Če sta oba R enaka, preprosto zamenjajte besedo "kislina" z "anhidrid" v ustreznem imenu karboksilne kisline. In če sta nasprotno dva Rs različna, jih poimenujemo po abecednem vrstnem redu. Če želite vedeti, kako ga poklicati, morate najprej preveriti, ali gre za anhidrid simetrične ali asimetrične kisline.
(CH 3 CO) 2 O je simetrična, saj je R 1 = R 2 = CH 3 . Izhaja iz ocetne ali etanske kisline, zato je njeno ime po prejšnji razlagi: ocetni ali etanski anhidrid. Enako velja za pravkar omenjeni ftalni anhidrid.
Recimo, da imamo naslednji anhidrid:
CH 3 CO (O) COCH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3
Acetilna skupina na levi strani izvira iz ocetne kisline, ena na desni pa iz heptanojske kisline. Če želite imenovati ta anhidrid, morate njegove R skupine imenovati po abecednem vrstnem redu. Torej, njegovo ime je: heptanski ocetni anhidrid.
Prijave
Anorganski anhidridi imajo številne načine uporabe - od sinteze in tvorbe materialov, keramike, katalizatorjev, cementa, elektrod, gnojil itd. Do prevleke zemeljske skorje s tisoči mineralov železa in aluminija ter dioksida ogljika, ki ga izločajo živi organizmi.
Predstavljajo izhodiščni vir, točko, kjer dobimo številne spojine, uporabljene v anorganskih sintezah. Eden najpomembnejših anhidridov je ogljikov dioksid, CO 2 . Skupaj z vodo je ključnega pomena za fotosintezo. Na industrijski ravni je SO 3 bistvenega pomena, saj se iz njega pridobi zahtevana žveplova kislina.
Morda je anhidrid, ki ima največ aplikacij in ima (čeprav obstaja življenje) tisti iz fosforjeve kisline: adenozin trifosfat, bolj znan kot ATP, prisoten v DNK in "energijska valuta" presnove.
Organski anhidridi
Kisli anhidridi reagirajo z acilacijo bodisi na alkohol, tvori ester, amin, povzroči amid ali aromatski obroč.
Vsaka od teh spojin ima na milijone in na stotine tisoč možnosti karboksilne kisline, da naredimo anhidrid; zato sintetične možnosti drastično rastejo.
Tako je ena glavnih aplikacij vključitev acilne skupine v spojino, ki nadomešča enega izmed atomov ali skupin njene strukture.
Vsak ločen anhidrid ima svoje aplikacije, na splošno pa vsi reagirajo na podoben način. Zaradi tega se te vrste spojin uporabljajo za spreminjanje polimernih struktur in ustvarjajo nove polimere; to so kopolimeri, smole, prevleke itd.
Na primer, ocetni anhidrid se uporablja za acetiliranje vseh OH skupin celuloze (spodnja slika). S tem je vsak H z OH nadomeščen z acetilno skupino, COCH 3 .
Celuloza. Vir: NEUROtiker, iz Wikimedia Commons
Na ta način dobimo celulozni acetatni polimer. Isto reakcijo lahko opisana z drugimi polimernih strukturah z NH 2 skupinama , tudi dovzetne za aciliranje.
Te acilacijske reakcije so uporabne tudi za sintezo zdravil, kot je aspirin ( acetilsalicilna kislina).
Primeri
Pokaže se še nekaj drugih primerov organskih anhidridov. Čeprav o njih ne bomo ničesar omenili, lahko kisikove atome nadomestimo z žveplom, tako da dobimo žveplo ali celo fosforne anhidride.
-C 6 H 5 CO (O) COC 6 H 5 : benzojska anhidrid. Skupina C 6 H 5 predstavlja benzenov obroč. Njegova hidroliza proizvaja dve benzojevi kislini.
-HCO (O) COH: mravljični anhidrid. Njegova hidroliza tvori dve mravljični kislini.
- C 6 H 5 CO (O) COCH 2 CH 3 : benzojska propanojske kisline. Njegova hidroliza proizvaja benzojsko in propanojsko kislino.
-C 6 H 11 CO (O) COC 6 H 11 : cikloheksankarboksilna anhidrid. Za razliko od aromatičnih obročev so ti nasičeni, brez dvojnih vezi.
CH 3 CH 2 CH 2 CO (O) COCH 2 CH 3 : propanojske butanojska anhidrid.
Sukcinidni anhidrid
Sukcinidni anhidrid. Vir: Ninjatacoshell, iz Wikimedia Commons
Tu imate še en cikličen, pridobljen iz jantarne kisline, dikarboksilne kisline. Upoštevajte, kako trije atomi kisika razkrivajo kemijsko naravo te vrste spojine.
Maleinski anhidrid je zelo podoben jantarnemu anhidridu, le da obstaja dvojna vez med ogljiki, ki tvorijo osnovo pentagona.
Brezvodni anhidrid
Brezvodni anhidrid. Vir: Choij, iz Wikimedia Commons
In končno je prikazan anhidrid glutanske kisline. Ta se strukturno razlikuje od vseh ostalih po tem, da je sestavljen iz šesterokotnega obroča. V strukturi spet izstopajo trije atomi kisika.
Drugi anhidridi, bolj zapleteni, lahko vedno dokazujejo trije atomi kisika zelo blizu drug drugemu.
Reference
- Uredniki Encyclopeedia Britannica. (2019). Anhidrid. Enclyclopeedia Britannica. Pridobljeno: britannica.com
- Helmenstine, Anne Marie, dr. (8. januar 2019). Definicija kislinskega anhidrida v kemiji. Pridobljeno: misel.com
- Kemija LibreTexts. (sf). Anhidridi. Pridobljeno: chem.libretexts.org
- Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organska kemija. Amini. (10 th izdaja.). Wiley Plus.
- Carey F. (2008). Organska kemija. (Šesta izdaja). Mc Graw Hill.
- Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Kemija. (8. izd.). CENGAGE Učenje.
- Morrison in Boyd. (1987). Organska kemija. (Peta izdaja). Addison-Wesley Iberoamericana.
- Wikipedija. (2019). Anhidrid organske kisline. Pridobljeno: en.wikipedia.org