- Властивості ангідридів
- Хімічні реакції
- Гідроліз
- Етерифікація
- Аміда
- Як утворюються ангідриди?
- Циклічні ангідриди
- Номенклатура
- Програми
- Органічні ангідриди
- Приклади
- Вугільний ангідрид
- Глютаровий ангідрид
- Список літератури
Ці ангідриди представляють собою хімічні сполуки , що відбуваються з об'єднання двох молекул, випускаючи воду. Таким чином, це можна розглядати як зневоднення вихідних речовин; хоча це не зовсім так.
В органічній та неорганічній хімії вони згадуються, і в обох галузях їх розуміння значно відрізняється. Наприклад, в неорганічній хімії основні та кислотні оксиди вважаються ангідридами їх гідроксидів та кислот відповідно, оскільки перші реагують з водою, утворюючи останні.
Загальна структура ангідридів. Джерело: DrEmmettBrownie, з Wikimedia Commons
Тут може виникнути плутанина між термінами "безводний" та "ангідрид". Як правило, безводний відноситься до сполуки, до якої вона була зневоднена без змін її хімічної природи (реакції немає); тоді як з ангідридом відбувається хімічна зміна, що відображається на молекулярній структурі.
Якщо порівняти гідроксиди та кислоти з відповідними їм оксидами (або ангідридами), то буде видно, що відбулася реакція. На відміну від цього, деякі оксиди або солі можуть бути гідратними, втрачати воду і залишатися тими ж сполуками; але без води, тобто безводного.
З іншого боку, в органічній хімії початкове визначення розуміється під ангідридом. Наприклад, одним з найвідоміших ангідридів є ті, які отримуються з карбонових кислот (верхнє зображення). Вони складаються з об'єднання двох ацильних груп (-RCO) через атом кисню.
У своїй загальній структурі R 1 позначений для однієї ацильної групи, а R 2 для другої ацильної групи. Оскільки R 1 і R 2 різні, вони походять від різних карбонових кислот, і тоді це ангідрид асиметричної кислоти. Коли обидва R заступника (незалежно від того, ароматичні вони чи ні) однакові, це в цьому випадку називається ангідридом симетричної кислоти.
Коли дві карбонові кислоти зв'язуються з утворенням ангідриду, вода може або не може утворюватися, як і інші сполуки. Все буде залежати від структури цих кислот.
Властивості ангідридів
Властивості ангідридів залежатимуть від того, про які ви маєте на увазі. Більшість із них мають спільне те, що вони реагують з водою. Однак для так званих основних ангідридів неорганічних насправді декілька з них навіть нерозчинні у воді (MgO), тому це твердження буде зосереджено на ангідридах карбонових кислот.
Точки плавлення і кипіння залежать від молекулярної структури та міжмолекулярних взаємодій для (RCO) 2 O, це загальна хімічна формула цих органічних сполук.
Якщо молекулярна маса (RCO) 2 O низька, це, мабуть, безбарвна рідина при кімнатній температурі та тиску. Наприклад, оцтовий ангідрид (або етановий ангідрид) (CH 3 CO) 2 O є рідким і має найбільше промислове значення, його виробництво дуже велике.
Реакція між оцтовим ангідридом та водою представлена таким хімічним рівнянням:
(CH 3 CO) 2 O + H 2 O => 2CH 3 COOH
Зауважте, що при додаванні молекули води виділяються дві молекули оцтової кислоти. Однак зворотна реакція не може відбутися для оцтової кислоти:
2CH 3 COOH => (CH 3 CO) 2 O + H 2 O (не зустрічається)
Треба вдатися до іншого синтетичного маршруту. Дикарбонові кислоти, з іншого боку, можуть робити це нагріванням; але це буде пояснено в наступному розділі.
Хімічні реакції
Гідроліз
Однією з найпростіших реакцій ангідридів є їх гідроліз, який недавно було показано для оцтового ангідриду. На додаток до цього прикладу є ангідрид сірчаної кислоти:
H 2 S 2 O 7 + H 2 O <=> 2H 2 SO 4
Тут є ангідрид неорганічної кислоти. Зауважимо, що для H 2 S 2 O 7 (його також називають сірчаною кислотою) реакція є оборотною, тому нагрівання концентрованого H 2 SO 4 призводить до утворення її ангідриду. Якщо, з іншого боку, це розведений розчин H 2 SO 4 , SO 3 , сірчаного ангідриду.
Етерифікація
Кислотні ангідриди реагують із спиртами з піридином між ними, отримуючи ефір та карбонову кислоту. Наприклад, розглянемо реакцію між оцтовим ангідридом та етанолом:
(CH 3 CO) 2 O + CH 3 CH 2 OH => CH 3 CO 2 CH 2 CH 3 + CH 3 COOH
Таким чином, утворюється ефір етилатаноата, CH 3 CO 2 CH 2 CH 3 та етаноєвої кислоти (оцтової кислоти).
Практично, відбувається заміна водню гідроксильної групи ацильною групою:
R 1 -OH => R 1 -OCOR 2
У випадку (CH 3 CO) 2 O, його ацильною групою є -COCH 3 . Тому, як кажуть, група ОН зазнає ацилювання. Однак ацилювання та естерифікація не є взаємозамінними поняттями; ацилювання може відбуватися безпосередньо на ароматичному кільці, відомому як ацилювання Friedel-Crafts.
Таким чином, спирти в присутності кислотних ангідридів етерифікують ацилуванням.
З іншого боку, лише одна з двох ацильних груп реагує на спирт, інша залишається з воднем, утворюючи карбонову кислоту; що для випадку (CH 3 CO) 2 O це етаноєва кислота.
Аміда
Кислотні ангідриди реагують з аміаком або амінами (первинними та вторинними), що призводить до виникнення амідів. Реакція дуже схожа на щойно описану етерифікацію, але ROH замінюється аміном; наприклад, вторинний амін, R 2 NH.
Знову ж таки, вважається реакція між (CH 3 CO) 2 O і діетиламіном, Et 2 NH:
(CH 3 CO) 2 O + 2Et 2 NH => CH 3 CONEt 2 + CH 3 COO - + NH 2 Et 2
Утворюються діетилацетамід, CH 3 CONEt 2 і карбоксильована амонієва сіль, CH 3 COO - + NH 2 Et 2 .
Хоча рівняння може здатися трохи важким для розуміння, достатньо спостерігати, як група –COCH 3 замінює H з Et 2 NH, щоб утворити амід:
Et 2 NH => Et 2 NCOCH 3
Замість амідації реакція - це все-таки ацилювання. Все зведене в цьому слові; цього разу амін зазнає ацилювання, а не алкоголь.
Як утворюються ангідриди?
Неорганічні ангідриди утворюються при взаємодії елемента з киснем. Таким чином, якщо елемент металевий, утворюється оксид металу або основний ангідрид; і якщо він неметалічний, утворюється неметалічний оксид або ангідрид кислоти.
Для органічних ангідридів реакція різна. Дві карбонові кислоти не можуть безпосередньо приєднуватися до виділення води та утворення кислотного ангідриду; участь сполуки, про яку ще не було сказано, необхідна: ацилхлорид, RCOCl.
Карбонова кислота реагує з хлоридом ацилу, утворюючи відповідний ангідрид та хлорид водню:
R 1 COCl + R 2 COOH => (R 1 CO) O (COR 2 ) + HCl
CH 3 COCl + CH 3 COOH => (CH 3 CO) 2 O + HCl
Один CH 3 походить з ацетильної групи, CH 3 CO–, а інший вже присутній в оцтовій кислоті. Вибір специфічного ацилхлориду, а також карбонової кислоти, може призвести до синтезу симетричної або асиметричної ангідриду кислоти.
Циклічні ангідриди
На відміну від інших карбонових кислот, яким потрібен хлорид ацилу, дикарбонові кислоти можуть конденсуватися у відповідному ангідриді. Для цього їх потрібно нагріти для сприяння вивільнення H 2 O. Наприклад, показано утворення фталевого ангідриду з фталевої кислоти.
Утворення фталевого ангідриду. Джерело: Jü, з Wikimedia Commons
Зверніть увагу, як завершено п’ятикутне кільце, і кисень, який приєднується до обох груп C = O, є його частиною; це циклічний ангідрид. Також можна зрозуміти, що фталевий ангідрид є симетричним ангідридом, оскільки і R 1, і R 2 однакові: ароматичне кільце.
Не всі дикарбонові кислоти здатні утворювати свій ангідрид, оскільки коли їх групи СООН широко відокремлюються, вони змушені утворювати більші та більші кільця. Найбільше кільце, яке може утворитися, - гексагональне, більше, ніж реакція не відбувається.
Номенклатура
Як називають ангідриди? Залишаючи осторонь неорганічні, що стосуються оксидних питань, назви пояснених до цього часу органічних ангідридів залежать від ідентичності R 1 та R 2 ; тобто його ацильних груп.
Якщо два R однакові, просто замініть слово "кислота" на "ангідрид" у відповідній назві карбонової кислоти. І якщо, навпаки, обидва РЗ різні, вони називаються в алфавітному порядку. Тому, щоб знати, як його назвати, спершу потрібно переконатися, що це симетричний або асиметричний ангідрид кислоти.
(CH 3 CO) 2 O симетричний, оскільки R 1 = R 2 = CH 3 . Він походить від оцтової або етанової кислоти, тому його назва - за попереднім поясненням: оцтовий або етановий ангідрид. Те саме стосується щойно згаданого фталевого ангідриду.
Припустимо, у нас є наступний ангідрид:
CH 3 CO (O) COCH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3
Ацетильна група зліва походить від оцтової кислоти, а праворуч - від гептанової кислоти. Щоб назвати цей ангідрид, ви повинні назвати його R групи в алфавітному порядку. Отже, його назва така: гептановий оцтовий ангідрид.
Програми
Неорганічні ангідриди мають нескінченне застосування - від синтезу та формування матеріалів, кераміки, каталізаторів, цементів, електродів, добрив тощо, до покриття земної кори з її тисячами мінералів заліза та алюмінію та діоксиду вуглецю, що видихається живими організмами.
Вони являють собою вихідне джерело, точку, з якої отримано багато сполук, що використовуються в неорганічних синтезах. Одним з найважливіших ангідридів є вуглекислий газ, CO 2 . Він, поряд з водою, важливий для фотосинтезу. А на промисловому рівні SO 3 є важливим, оскільки потрібна сірчана кислота отримується з неї.
Можливо, ангідрид, який має найбільшу кількість застосувань та має (поки є життя), є фосфорною кислотою: аденозинтрифосфатом, більш відомим як АТФ, присутній у ДНК та "енергетичній валюті" метаболізму.
Органічні ангідриди
Кислотні ангідриди реагують ацилуванням, або спиртом, утворюючи ефір, амін, утворюючи амід або ароматичне кільце.
Існує мільйони кожної з цих сполук та сотні тисяч варіантів карбонової кислоти, щоб зробити ангідрид; отже, синтетичні можливості різко зростають.
Таким чином, одним із основних застосувань є включення ацилової групи до сполуки, замінюючи один з атомів або груп її структури.
Кожен окремий ангідрид має свої додатки, але загалом кажучи, всі вони реагують аналогічно. З цієї причини ці типи сполук використовуються для модифікації полімерних структур, створюючи нові полімери; тобто сополімери, смоли, покриття тощо.
Наприклад, оцтовий ангідрид використовується для ацетилювання всіх ОН груп целюлози (нижнє зображення). При цьому кожен Н ОН замінюється ацетильною групою COCH 3 .
Клітковина. Джерело: NEUROtiker, з Wikimedia Commons
Таким чином отримують ацетатний полімер целюлози. Таку ж реакцію можна окреслити з іншими полімерними структурами з групами NH 2 , також чутливими до ацилування.
Ці реакції ацилювання корисні також для синтезу лікарських препаратів, таких як аспірин ( ацетилсаліцилова кислота).
Приклади
Показано деякі інші приклади органічних ангідридів. Хоча про них не згадується, атоми кисню можуть бути заміщені сіркою, даючи сірку або навіть фосфорні ангідриди.
-C 6 H 5 CO (O) COC 6 H 5 : ангідрид бензою. Група C 6 H 5 являє собою бензольне кільце. При його гідролізі утворюються дві бензойні кислоти.
-HCO (O) COH: мурашиний ангідрид. При його гідролізі утворюються дві мурашині кислоти.
- C 6 H 5 CO (O) COCH 2 CH 3 : бензойний пропановий ангідрид. При його гідролізі утворюються бензойні та пропанові кислоти.
-C 6 H 11 CO (O) COC 6 H 11 : циклогексанкарбоновий ангідрид. На відміну від ароматичних кілець, вони насичені, без подвійних зв’язків.
-CH 3 CH 2 CH 2 CO (O) COCH 2 CH 3 : пропановий бутановий ангідрид.
Вугільний ангідрид
Вугільний ангідрид. Джерело: Ninjatacoshell, від Wikimedia Commons
Тут у вас є ще один циклічний, похідний від янтарної кислоти, дикарбонової кислоти. Зверніть увагу, як три атоми кисню розкривають хімічну природу цього типу сполуки.
Малеїновий ангідрид дуже схожий на янтарний ангідрид, з тією різницею, що між вуглецями, що утворюють основу п’ятикутника, існує подвійний зв’язок.
Глютаровий ангідрид
Глютаровий ангідрид. Джерело: Choij, з Wikimedia Commons
І нарешті, показаний ангідрид глутарової кислоти. Це структурно відрізняється від усіх інших тим, що складається з шестикутного кільця. Знову в структурі виділяються три атоми кисню.
Інші ангідриди, більш складні, завжди можна засвідчити трьома атомами кисню, дуже близькими один до одного.
Список літератури
- Редактори Encyclopeedia Britannica. (2019). Ангідрид. Enclyclopeedia Britannica. Відновлено: britannica.com
- Гельменстін, Анна Марі, к.т.н. (8 січня 2019 р.). Визначення кислотного ангідриду в хімії. Відновлено з: thinkco.com
- Хімія LibreTexts. (sf). Ангідриди. Відновлено з: chem.libretexts.org
- Грем Соломон TW, Крейг Б. Фріхле. (2011 р.). Органічна хімія. Аміни. (10- е видання.) Wiley Plus.
- Кері Ф. (2008). Органічна хімія. (Шосте видання). Mc Graw Hill.
- Віттен, Девіс, Пек і Стенлі. (2008). Хімія. (8-е видання). CENGAGE Навчання.
- Моррісон і Бойд. (1987). Органічна хімія. (П’яте видання). Аддісон-Уеслі Ібероамерикана.
- Вікіпедія. (2019). Ангідрид органічної кислоти. Відновлено з: en.wikipedia.org