8.5 Organiske reaksjonstyper | Kjemi 2

Syrligheten i eddik og maursyre

Den syrlige smaken i eddik kommer fra etansyre. Det sviende i et maurstikk er maursyre. Begge tilhører karboksylsyrene -- forbindelser med karboksylgruppen (-COOH), en kombinasjon av en karbonylgruppe (C=O) og en hydroksylgruppe (-OH) på samme karbon, med generell struktur R-COOH.

Navnsettingen er grei: finn den lengste kjeden som inkluderer -COOH, som alltid sitter i posisjon 1 (og derfor ikke trenger nummer), og bruk endelsen -syre. Slik blir HCOOH til metansyre (trivialnavn maursyre), $\text{CH}_3\text{COOH}$ til etansyre (eddiksyre), og $\text{C}_6\text{H}_5\text{COOH}$ til benzosyre. Har molekylet to syregrupper, kalles det en dikarboksylsyre -- som oksalsyre (etandisyre, HOOC-COOH) og ravsyre (butandisyre). Men det mest interessante ved disse forbindelsene er nettopp navnet deres: hvorfor er de sure?

Hvorfor de er sure -- og hvor sure

En karboksylsyre er sur fordi den kan gi fra seg et proton: $\text{R-COOH} \rightleftharpoons \text{R-COO}^- + \text{H}^+$ . Hemmeligheten ligger i hva som blir igjen. Karboksylatanionet ( $\text{R-COO}^-$ ) er resonansstabilisert -- den negative ladningen er delokalisert, altså spredt likt over begge oksygenatomene. Denne stabiliteten gjør at protonet lettere gis fra seg, og det er nettopp derfor karboksylsyrene er sure.

Men de er bare svake syrer. Typiske $K_a$ -verdier ligger rundt $10^{-4}$ til $10^{-5}$ -- etansyre har $K_a = 1{,}8 \times 10^{-5}$ (pKa 4,76). Det gjør dem sterkere enn alkoholer (pKa rundt 16-18), men mye svakere enn mineralsyrer (pKa under 0). Syrestyrken kan justeres, og den viktigste faktoren er elektronegative substituenter via induktiv effekt: de trekker elektroner mot seg, stabiliserer anionet ytterligere, og gjør syren sterkere. Se hvordan klor påvirker: etansyre har pKa 4,76, kloreddiksyre ( $\text{ClCH}_2\text{COOH}$ ) 2,86, dikloreddiksyre 1,29 og trikloreddiksyre bare 0,65. Jo flere kloratomer, jo sterkere syre. To andre faktorer spiller også inn: effekten avtar med avstanden fra karboksylgruppen, og resonanseffekter kan gjøre aromatiske syrer sterkere.

📝Oppgave Quiz 1

Høye kokepunkter og kjemiske reaksjoner

Karboksylsyrer har påfallende høye kokepunkter -- enda høyere enn alkoholer. Grunnen er at to syremolekyler binder seg sammen til en dimer via to hydrogenbindinger samtidig. Derfor koker etansyre ved 118 °C, mens propan-1-ol (samme molmasse) koker ved 97 °C og butan ved bare −1 °C. Kortkjedede syrer (C1-C4) er vannløselige takket være hydrogenbindinger og delvis ionisering, mens lengre kjeder blir mindre løselige. De har også karakteristiske lukter: etansyre lukter eddik, mens butansyre lukter harskt smør.

Kjemisk er karboksylsyrer allsidige. De nøytraliseres av baser til vannløselige salter: $\text{CH}_3\text{COOH} + \text{NaOH} \rightarrow \text{CH}_3\text{COO}^-\text{Na}^+ + \text{H}_2\text{O}$ (natriumacetat). De reagerer med karbonater under utvikling av CO₂-bobler -- en god test for syren. Med en alkohol danner de en ester (esterifisering), og med et amin et amid (amiddannelse), begge under fraspaltning av vann. Disse to siste fører oss til en hel familie av karboksylsyrederivater, alle med strukturen R-CO-X der bare X varierer: ester (X = -OR'), amid (X = -NH₂), syreklorid (X = -Cl) og syreanhydrid (X = -OCOR). Reaktiviteten avtar i rekkefølgen syreklorid > anhydrid > ester > amid. Navnsettingen er verdt å merke: estere navngis med alkoholdelen som alkyl pluss syredelen med -oat (etylacetat), og amider med suffikset -amid (etanamid).

📝Oppgave Quiz 2

Oppsummering

Vi har sett at karboksylsyrer har karboksylgruppen -COOH og er svake syrer (pKa rundt 3-5) fordi karboksylatanionet er resonansstabilisert. Syrestyrken øker med elektronegative substituenter som klor -- jo flere og jo nærmere -COOH, jo sterkere syre -- mens effekten avtar med avstanden.

Takket være dimerdannelse via to hydrogenbindinger har karboksylsyrer høye kokepunkter, og de kortkjedede er vannløselige. De reagerer med baser (gir salt), med karbonater (gir CO₂-bobler, en test), med alkoholer (gir estere) og med aminer (gir amider). Disse to siste hører til familien av karboksylsyrederivater -- ester, amid, syreklorid og anhydrid -- med reaktivitet syreklorid > anhydrid > ester > amid. Estere og amider, dannet ved fraspaltning av vann, er nettopp temaet vi går videre med i kondensasjonsreaksjonene.