Kyslíkaté deriváty uhlovodíků

Pozor: byly tu chybně uvedeny obecné vzorce ketonů. Správně je verze na zaktualizovaném obrázku: C, ze kterého vycházejí kyslík připojený dvojnou vazbou a dva uhlíkaté řetězce připojené vazbou jednoduchou.

hydroxysloučeniny: R–O–H
alkoholy a fenoly
ethery: R–O–R
společně s hydroxysloučeninami se dají považovat za deriváty vody – mají podobné vlastnosti jako voda
aldehydy: R–CH=O
ketony: R–C(=O)–R
dohromady se aldehydům a ketonům říká karbonylové sloučeniny
karboxylové kyseliny: R–COOH

Hydroxysloučeniny

Funkční skupina: –OH, neboli hydroxylová skupina
Rozdělení:

alkoholy:
skupina –OH není vázána na benzenové jádro
např. CH₃OH – methanol
fenoly:
skupina –OH je vázána na benzenové jádro
např. C₆H₅OH – fenol (název látky)
Poznámka: fenol označuje jak název konkrétní látky, tak celou skupiny látek
je to podobný případ, jako u slova sůl (kuchyňská sůl X sůl od libovolné kyseliny)

Alkoholy

Názvosloví

systematické
uhlovodík + ol

CH₃OH: methanol
CH₃–CHOH–CH₃: propan-2-ol (starý název: 2-propanol)
OH–CH₂–CH₂–OH: ethan-1,2-diol
CH₂=CH–OH: ethenol
skupinové
uhlovodíkový zbytek + alkohol

CH₃OH: methylalkohol
CH₃–CHOH–CH₃: isopropylalkohol
CH₂=CH–OH: vinylalkohol

Rozdělení

podle počtu skupin –OH:
jednosytné
vícesytné (dioly, trioly)
podle uhlíku, na který je vázána skupina –OH:
primární: R–CH₂–OH: na uhlík, kde je navázán –OH, je navázán právě jeden řetězec
sekundární: na uhlík, kde je navázán –OH, jsou navázány právě dva řetězce
terciární: na uhlík, kde je navázán –OH, jsou navázány právě tři řetězce

poznámky:

více skupin OH na jednom uhlíku:
nestabilní, odštěpí se voda
dvě OH na jednom uhlíku: vznikají karbonylové sloučeniny
tři OH na jednom uhlíku: vznikají karboxylové kyseliny
skupina OH vázána na uhlík, ze kterého vede dvojná vazba:
není moc stabilní, dojde k přesmyku

CH≡CH + H–OH → CH₂=CH–OH ↔ CH₃–C=O
CH₂=CH–OH (vinylalkohol) je enolforma
CH₃–C=O (acetaldehyd) je ketoforma
mezi enolformou a ketoformou se vytvoří rovnováha

Vlastnosti

nižší alkoholy (s málo uhlíky) kapaliny, vyšší pevné látky
vodíkové můstky – je tam volný elektronový pár i vodík

díky vodíkovým můstkům mají daleko vyšší teplotu tání a varu
neomezeně mísitelné s vodou (díky vodíkovým můstkům mezi molekulami alkoholu a vody)
R–O–H: elektrony mezi O–H jsou blíže k O

amfoterní vlastnosti: jsou jak kyseliny (mohou odštěpit H⁺), tak zásady (mohou H⁺ přijmout)
reakce s alkalickými kovy: projeví se kyselost alkoholu

2CH₃OH + 2Na → 2CH₃ONa (methanolát sodný) + H₂
odštěpí se H⁺, to si od Na vezme elektron
Na⁺ se pak spojí s CH₃O⁻
alkohol + alkalický kov → alkoholát + H₂
reakce se silnou kyselinou: projeví se zásaditost alkoholu

CH₃–CH₂–O–H + H–Cl → [CH₃–CH₂–OH₂]⁺Cl⁻ (ethyloxoniumchlorid)
alkohol + silná kyselina → alkoxoniové soli
oxidace:
primární alkohol → aldehyd → karboxylová kyselina
sekundární alkohol → keton
terciární alkoholy se neoxidují (jde to, ale za velmi specifických podmínek)
esterifikace:
Definice: reakce alkoholu se slabou kyselinou za vzniku esteru dané kyseliny a vody
alkohol + karboxylová kyselina → ester + H₂O
R₁COOH + R₂OH → R₁COOR₂ + H₂O

C₂H₅OH + CH₃COOH → CH₃COOC₂H₅ + H₂O
CH₃OH + CH₃COOH → CH₃COOCH₃ + H₂O
C₂H₅OH + C₂H₅COOH → C₂H₅COOC₂H₅ + H₂O
CH₃OH + HCOOH → HCOOCH₃ + H₂O
dehydratace:

dehydratace C₂H₅OH
CH₃–CH₂–OH → (H₂SO₄) H–OH + CH₂=CH₂ (laboratorní příprava ethenu)

Zástupci

Methanol

CH₃OH, methylalkohol
bezbarvá kapalina (vzhledem stejná jako ethanol)
neomezeně mísitelný s vodou (nelze připravit nasycený roztok)
obzvlášť nebezpečný jed (smrtelná dávka je 10–100 ml, v menší dávce může způsobit oslepnutí)
oxidace: CH₃OH → HCHO → HCOOH
methanol → formaldehyd → kyselina mravenčí
užití:

výroba formaldehydu a kyseliny mravenčí
rozpouštědlo
zvyšování oktanového čísla paliv

Ethanol

C₂H₅OH, etyhalkohol, líh, „alkohol“
bezbarvá kapalina
neomezeně mísitelný s vodou
alkoholismus
příprava:

alkoholové kvašení cukerných roztoků:
C₆H₁₂O₆ → (kvasinky) 2C₂H₅OH + 2CO₂
hydratace ethenu:
CH₂=CH₂ + H₂O → CH₃–CH₂OH

oxidace: C₂H₅OH → CH₃CHO → CH₃COOH
ethanol → acetaldehyd → kyselina octová
užití:

výroba acetaldehydu a kyseliny octové
výroba alkoholických nápojů
rozpouštědlo
lékařství: desinfekce, konzervace anatomických preparátů

denaturace lihu – líh se upravuje, aby byl nepoživatelný

Ethylenglykol

CH₂OH–CH₂OH, ethan-1,2-diol
bezbarvá kapalina se sladkou chutí
toxický
užití:

přísada do nízkotuhnoucích směsí (např. Fridex)
výroba polyurethanu a polyesteru

Glycerol

starší název: glycerin
CH₂OH–CHOH–CH₂OH, propan-1,2,3-triol
bezbarvá kapalina, není toxická
je chemicky vázán v tucích a olejích
užití:

výroba kosmetických přípravků
výroba glyceroltrinitrátu

Glyceroltrinitrát

známější, ale chemicky špatný název: nitroglycerin
příprava: nitrace glycerolu

při nárazu exploduje
užití:

výroba dynamitu
výroba léků

poznámka: název „nitroglycerin“ je špatně, protože NO₂ není vázáno přímo na uhlík
nitráty – látky se skupinou –O–NO₂
glyceroltrinitrát objevil Alfréd Nobel
peníze za objev uložil do banky, z úroků se platí Nobelova cena

DÚ: Názvosloví

butan-1,4-diol
2-methylbutan-1-ol
prop-2-en-1-ol
4-methylpentan-2-ol
cyklohex-2-en-1-ol
ethylalkohol
benzylalkohol
isopropylalkohol

Fenoly

používá se triviální názvosloví

fenol: C₆H₅OH, na benzenovém jádru je navázáno OH
hydroxytolueny: (kresoly):
o-kresol: na prvním uhlíku je navázáno CH₃, na druhém OH
m-kresol: na prvním uhlíku je navázáno CH₃, na třetím OH
p-kresol: na prvním uhlíku je navázáno CH₃, na čtvrtém OH (naproti)
benzendioly:
pyrokatechol: na prvním a druhém uhlíku je navázáno OH
resorcinol: na prvním a třetím uhlíku je navázáno OH
hydrochinon: OH je navázáno na prvním a čtvrtém uhlíku (naproti)

rozdělení:

jednosytné: jedna skupina OH; fenol, …
dvojsytné: dvě skupiny OH; benzendioly

Chemické vlastnosti

podobné jako u alkoholů

amfoterita: v některých reakcích se chovají jako kyseliny (odštěpují H⁺), v jiných jako zásady (přijímají H⁺)
fenoly jsou kyselejší než voda, ta je ale kyselejší než alkoholy – fenol > voda > alkohol
reakce s hydroxidy alkalických kovů: projeví se kyselost fenolů
fenol + hydroxid → fenolát + H₂O
fenolát – obdoba alkoholátu u alkoholů

C₆H₅OH + NaOH → C₆H₅O⁻Na⁺ (fenolát sodný) + H₂O
oxidace:
jednosytné fenoly se neoxidují
dvojsytné fenoly se oxidují na chinony – při oxidaci se naruší aromatické jádro ⇒ chinony už nejsou aromatické látky
esterifikace:
stejná jako u alkoholů

fenol + kyselina octová
C₆H₅OH + CH₃COOH → CH₃COOC₆H₅ + H₂O

Zástupci

Fenol

C₆H₅OH
starší název: kyselina karbolová
krystalická látka
bezbarvý, na vzduchu červený
leptavé ůčinky
toxický
v nemocnicích dříve používaný k desinfekci
výroba: oxidace kumenu

užití:

výroba plastů
výroba některých syntetických vláken

Hydrochinon

benzenové jádro s OH na prvním a čtvrtém uhlíku
fotografická výbojka
při oxidaci se mění na 1, 4-benzochinon (p-benzochinon), to už není aromatická látka (je narušeno benzenové jádro)
Oprava: benzochinon

Ethery

alkoxyderiváty uhlovodíku
obecný vzorec: R–O–R

Názvosloví

alkoxylová skupina: R–O–

CH₃–O–: methoxylová skupina (methoxyl) – slovním základem je methyl
C₂H₅–O–: ethoxylová skupina (ethoxyl) – slovním základem je ethyl
C₆H₅–O–: fenoxylová skupina (fenoxyl) – slovním základem je fenyl (ne benzen, ne fenol)

systematické názvosloví:

CH₃–O–CH₃ – methoxymethan
CH₃–O–C₂H₅ – methoxyethan
C₂H₅–O–C₂H₅ – ethoxyethan
CH₃–O–C₆H₅ – methoxybenzen
základem vždy vezmeme delší uhlíkatý řetězec
druhý řetězec s O si představíme jako alkoxylovou skupinu
alkoxy + uhlovodík
skupinové názvosloví: používanější (jednodušší, přehlednější)

CH₃–O–CH₃ – dimethylether
CH₃–O–C₂H₅ – ethylmethylether
C₂H₅–O–C₂H₅ – diethylether
CH₃–O–C₆H₅ – ethylfenylether
zbytek₁ + zbytek₂ + ether
zbytky řadíme podle abecedy

Vlastnosti

plyny, kapaliny, pevné látky
značně těkavé (dobře se odpařují)
charakteristicky voní
silně hořlavé
chemické vlastnosti:

izomery:

CH₃–O–CH₃: C₂H₆O
CH₃–CH₂–OH: C₂H₆O
obě látky jsou ze stejného materiálu
ethery a alkoholy jsou skupinové izomery
srovnání izomerů:

teplota varu by měla být téměř stejná, ale není
CH₃–O–CH₃: t_v = −24 °C
CH₃–CH₂–OH: t_v = 78 °C
estery mají nižší teplotu varu a nejsou rozpustné ve vodě
důvodem je, že alkoholy mohou tvořit vodíkové můstky a estery nemohou
reakce s kyslíkem:
při reakci s kyslíkem vznikají peroxidy (explozivní)
tato reakce je katalyzována světlem ⇒ uchovávání v tmavých nádobách

Zástupci

Diethylether

C₂H₅–O–C₂H₅, ethoxyethan, „ether“
značně těkavá kapalina (teplota varu: 35 °C)
páry se vzduchem explozivní
narkotické účinky, inhalační anestetikum

Ethylenoxid

cyklický ether
CH₂, CH₂, O do trojúhelníku

Dioxan

také cyklický ether
šestiúhelník CH₂, místo horního a spodního CH₂ je O
způsobuje ekologickou zátěž
odvozují se od něj dioxiny – rakovinotvorné, kumulují se v lidském těle

Fenylmethylether

anisol
C₆H₅–O–CH₃
příjemně voní po anýzu ⇒ výroba voňavek

Příprava etherů

alkohol + alken
alkohol je nějaké R–O–H, v podstatě proběhne adice na alken – na jednu stranu se naváže R–O, na stranu druhou samotné H ⇒ vznikne ether

CH₃–O–H + CH₂=CH₂ → CH₃–O–CH₂–CH₃

Karbonylové sloučeniny

obsahují karbonylovou skupinu – –C=O

aldehydy: z jedné strany je na uhlík v C=O navázán vodík, z druhé strany je tam nějaký uhlovodíkový zbytek
vzorec: R–CHO
ketony: z obou stran jsou na uhlík v C=O navázány nějaké uhlovodíkové zbytky (a žádný z nich není jen H)

Aldehydy

Poznámka: alcohol dehydrogenatus – dají se vyrobit dehydrogenací alkoholů
Funkční skupina: –CHO (viz kousek výše)

Názvosloví

systematické:

H–CHO: methanal (představme si, že jsme z methanu (CH₄) nahradili dva vodíky za jedno =O)
CH₃–CH–O: ethanal
CH₂=CH–CHO: propenal
uhlovodík + al
triviální: známější
Jak se na tyto názvy přišlo? Oxidací aldehydů vznikají nějaké karboxylové kyseliny, ty mají své latinské názvy (např. z formaldehydu vznikne kyselina mravenčí – acidum formicum). Z těchto názvů vezmeme základ a přidáme -aldehyd.

H–CHO: formaldehyd
CH₃–CHO: acetaldehyd
C₂H₅–CHO: propionaldehyd
C₆H₅–CHO: benzaldehyd

Vlastnosti

vazba C=O je polární, elektrony jsou blíže k O

tato vazba je zároveň dobře polarizovatelná – elektrony se v ní mohou dobře pohybovat
⇒ látky jsou velmi reaktivní
chemické reakce:

hydrogenace (redukce):

R–CHO (aldehyd) + H₂ → R–CH₂OH (primární alkohol)
oxidace: oxidují se na karboxylové kyseliny (viz oxidace alkoholů)
R–CHO (aldehyd) → (+O) R–COOH

HCHO → (+O) HCOOH
CH₃CHO → (+O) CH₃COOH
C₆H₅CHO → (+O) C₆H₅COOH
adice alkoholů:

aldehyd + alkohol → poloacetal
poloacetal + alkohol (ten samý) → acetal

acetaldehyd + ethanol

Zástupci

Formaldehyd

methanal, HCHO (CH₂O)
toxický a karcinogenní plyn
vyvolává slzení
dobře rozpustný ve vodě – rozpuštěním vzniká formalín (ca 40%☉)
oxidací vzniká kyselina mravenčí (HCOOH)
výroba: oxidace methanolu
užití: konzervace biologického materiálu (formalín), výroba plastů

Acetaldehyd

ethanal, CH₃CHO
bezbarvá kapalina pronikavého zápachu
dobře rozpustná ve vodě
paraldehyd – trimer acetaldehydu (nějaké spojení tří molekul acetaldehydu), sedativum (tlumící účinek)
výroba:

oxidace ethanolu:
C₂H₅OH → (+O, -H₂O) CH₃CHO
Kučerovova adice – acetylen + voda
CH≡CH + H–OH → CH₂=CH–OH (vinylalkohol) , vinylalkohol není stabilní (OH je navázáno na uhlík, ze kterého vede dvojná vazba)
CH₂=CH–OH ↔ CH₃–CH=O

užití:

léčiva (paraldehyd)
výroba kyseliny octové – oxidace

poznámka: acetaldehyd je látka způsobující kocovinu (viz oxidace ethanolu)

Benzaldehyd

C₆H₅CHO
kapalina, voní po hořkých mandlích
vyskytuje se např. v peckách broskve
výroba: oxidace toluenu (C₆H₅CH₃)
poznámka: toluen → (oxidace) objektbenzaldehyd → (oxidace) kyselina benzoová
užití: výroba kyseliny benzoové (viz výše)

Glyceraldehyd

2,3-dihydroxypropanal
důležitý mezikrok při metabolismu sacharidů
vznik: oxidací glycerolu

Akrolein

CH₂=CH–CHO, propenal
toxický
vznik. dehydratace glycerolu – např. při přepalování tuků

Ketony

obecný vzorec: R–CO–R

Názvosloví

systematické:
CH₃–CO–CH₃ – propanon
C₂H₅–CO–CH₃ – butanon
CH₃–CO–C₃H₇ – pentan-2-on
najdeme, od čeho je celá látka odvozena
uhlovodík + on
skupinové:
CH₃–CO–CH₃ – dimethylketon
CH₃–CO–C₂H₅ – ethylmethylketon (zbytky řadíme abecedně)
CH₃–CO–C₃H₇ – methylpropylketon
pojmenujeme oba zbytky navázané na CO, přidáme keton
zbytek₁ + zbytek₂ + keton
triviální:
CH₃–CO–CH₃: aceton

Vlastnosti

kapaliny, pevné látky
výborná rozpouštědla
chemické vlastnosti jsou velmi podobné jako u aldehydů
vazba C=O je polární a dobře polarizovatelná ⇒ ketony jsou značně reaktivní (ale o trochu méně reaktivní než aldehydy)

hydrogenace (=redukce)
R–CO–R + H₂ → R–CHOH–R
keton + H₂ → sekundární alkohol

CH₃–CO–CH₃ + H₂ → CH₃–CHOH–CH₃
oxidace – běžnými oxidačními činidly neprobíhá
adice alkoholu – viz také aldehydy
keton + alkohol → poloacetal
poloacetal + alkohol (ten samý) → acetal

Zástupci

Aceton

CH₃–CO–CH₃
kapalina
hořlavina, páry jsou ve směsi se vzduchem explozivní
při některých onemocněních se vyskytuje v organismu (v krvi a moči) – diabetes
výroba:

oxidace propan-2-olu:
CH₃–CHOH–CH₃ → (+O, -H₂O) CH₃–CO–CH₃
oxidace kumenu:
tepelný rozklad octanu vápenatého:
(CH₃COO)₂Ca → (t) CH₃–CO–CH₃ + CaCO₃ (uhličitan vápenatý)

užití:

ředidlo
výroba plastů
slzný plyn

Karboxylové kyseliny

funkční skupina: –COOH – karboxylová skupina

poznámka: karboxylová skupina se skláda z –C=O (karbonylová skupina) a –O–H (hydroxyl) ⇒ název karboxyl
obecný vzorec: RCOOH

Názvosloví

systematické:
CH₃–COOH: ethanová kyselina
CH₂=CH–COOH: propenová kyselina
uhlovodík + ová
triviální:

CH₃COOH: kyselina octová

acyl – RCO–, uhlovodíkový zbytek od karboxylové kyseliny vzniklý odebráním –OH
důležité acyly:

formyl: HCO–, od HCOOH (kyseliny mravenčí)
acetyl: CH₃CO–, od CH₃COOH (kyseliny octové)
benzoyl: C₆H₅CO–, od C₆H₅COOH (kyseliny benzoové)

Rozdělení karboxylovách kyselin

podle počtu karboxylových skupin:
- monokarboxylové kyseliny: 1
- dikarboxylové kyseliny: 2
- polykarboxylové kyseliny: více
podle řetězce:
- nasycené
- nenasycené
- aromatické

Přehled vzorců

viz též toto přehledné PDFko od p. Voseckého

Monokarboxylové kyseliny

Nasycené

obecný vzorec: C_nH_2n+1COOH

mravenčí: HCOOH
octová: CH₃COOH
propionová: C₂H₅COOH
máselná: C₃H₇COOH
valerová: C₄H₉COOH
…
palmitová: C₁₅H₃₁COOH
stearová: C₁₇H₃₅COOH

(Mrazík octem proměnil Marfušu v palmovitý stromek)
kyselina palmitová a kyselina stearová patří mezi vyšší mastné kyseliny

Nenasycené

akrylová: CH₂=CH–COOH
methylakrylová (methakrylová): CH₂=C(–CH₃)–COOH (jako akrylová, ale na prostředním C je methyl)
olejová: C₁₇H₃₃–COOH (má jednu dvojnou vazbu)
linolová: C₁₇H₃₁–COOH (má dvě dvojné vazby)

kyselina olejová a linolová také patří mezi vyšší mastné kyseliny

Aromatické

benzoová: C₆H₅COOH

Dikarboxylové kyseliny

Nasycené

šťavelová – HOOC–COOH
malonová – HOOC–CH₂–COOH
jantarová – HOOC–(CH₂)₂–COOH (což je to samé jako HOOC–CH₂–CH₂–COOH)
glutarová – HOOC–(CH₂)₃–COOH
adipová – HOOC–(CH₂)₄–COOH

Nenasycené

maleinová – HOOC–CH=CH–COOH
fumarová – HOOC–CH=CH–COOH

obě kyseliny mají stejný molekulový vzorec (jsou to dokonce cis-trans izomery), liší se ve tvaru – viz obrázek
kyselina maleinová je cis, kyselina fumarová trans

Aromatické

ftalová – benzen, na kterém jsou navázány dvě skupiny –COOH: jedna na prvním, druhá na druhém uhlíku
tereftalová – benzen, na kterém jsou také navázány dvě skupiny –COOH: jedna na prvním, druhá na čtvrtém uhlíku (tedy naproti sobě)

Fyzikální vlastnosti

skupenství:
- monokarboxylové kyseliny: nižší jsou kapaliny štiplavého zápachu, vyšší krystalické pevné látky
- dikarboxylové kyseliny: pevné látky
vodíkové můstky:

v plynném skupenství se karboxylové kyseliny vyskytují jako dimery
rozpustnost ve vodě: s délkou řetězce se rozpustnost snižuje – zatímco nižší karboxylové kyseliny jsou ve vodě velmi dobře rozpustné (kyselina octová je dokonce neomezeně mísitelná), vyšší jsou ve vodě nerozpustné

Chemické vlastnosti

kyselost:
kyselina je tím kyselejší, čím snáze odštěpuje H⁺ – to odštěpuje tím snáze, čím je vazba –OH polárnější
COOH: skupina CO zvyšuje polaritu vazby –OH ⇒ karboxylové kyseliny jsou velmi kyselé
síla:
mezi organickými kyselinami jsou silné, celkově to však jsou slabé kyseliny (stále jsou ale silnější než H₂CO₃)

CaCO₃ + 2CH₃COOH → CO₂ + H₂O + (CH₃COO)₂Ca
odstranění vodního kamene
tato reakce proběhne, protože CH₃COOH je silnější kyselina než H₂CO₃ (vytěsnění slabší kyseliny kyselinou silnější)
disociace:
RCOOH + H₂O → RCOO⁻ (karboxylátový anion) + H₃O⁺ (oxonium)
ovlivnění kyselosti:
alkyly snižují kyselost – působí kladným indukčním efektem – posouvají elektrony od sebe ⇒ u C v COOH je menší δ⁺ ⇒ vazba OH je méně polární ⇒ karboxylová kyselina s alkylem je méně kyselá
v homologické řadě směrem dolů se kyselost snižuje

kyselina octová X kyselina chloroctová
chlor způsobuje záporný indukční efekt ⇒ vazba OH je (více) polární ⇒ kyselina chloroctová je více kyselá
chlór (popř. jiné halogeny) kyselost zvyšují

Chemické reakce

neutralizace:
kyselina + zásada → sůl + H₂O

CH₃COOH (kyselina octová) + NaOH (hydroxid sodný) → CH₃COONa (octan sodný) + H₂O
princip: H⁺ + OH⁻ → H₂O – z výsledné látky vymizí částice způsobující kyselost (H⁺) resp. zásaditost (OH⁻) ⇒ výsledná látka je neutrální
zpětná reakce: hydrolýza soli – reakce sůl + voda → kyselina + zásada
esterifikace:
kyselina + zásada → (H⁺) ester + voda
aby reakce proběhla, je potřeba kyselé prostředí
zpětná reakce: kyselá hydrolýza esteru
R₁COOH + R₂OH → R₁COOR₂ + H₂O

CH₃COOH + C₂H₅OH → CH₃COOC₂H₅ + H₂O
dekarboxylace:
z molekuly karboxylové kyseliny se odštěpí CO₂

kyselina propionová → (−CO₂) ethan
CH₃–CH₂COOH → (−CO₂) CH₃–CH₃
dehydratace:
odebrání molekuly vody ze dvou molekul karboxylové kyseliny za vzniku anhydridů
R–COOH + HOOC–R → (-H₂O, P₂O₅) R–CO–O–CO–R

Zástupci

Kyselina mravenčí

HCOOH, kyselina methanová. acidum formicum
výskyt: v těle mravenců, komárů, včel; v kopřivách
patří mezi nejsilnější karboxylové kyseliny
bezbarvá kapalina štiplavého zápachu
leptá pokožku
je schopna se oxidovat (je to redukční činidlo):
HCOOH → (+O, oxidace) H₂CO₃ → CO₂ + H₂O

užití:

konzervace potravin
koželužství – odvápňování kůží
textulní průmysl – leptání do barev
srážení latexu

Soli

mravenčany – formiáty

HCOO^−INa^I: mravenčan sodný, natrium-formiát
(HCOO)₂^−ICa^II: mravenčan vápenatý, kalcium-formiát

Kyselina octová

CH₃COOH, kyselina ethanová, acidum aceticum
výskyt:

volná – moč, pot, …
vázaná – v podobě esteru

výroba:

octové kvašení:
C₂H₅OH + O₂ → (kvasinky) CH₃COOH + H₂O
(viz oxidace ethanolu)
oxidace acetaldehydu:
CH₃CHO + 1/2O₂ → CH₃COOH

slabší než kyselina mravenčí
bezbarvá kapalina štiplavého zápachu
leptá pokožku
při 17 °C tuhne, vzniká tzv. ledová kyselina octová
užití:

potravinářství – výroba octa (8% kyselina octová)
farmacie – výroba kyseliny acetylsalicylové (aspirin)
octany: otoky
výroba některých barev (např. indigo – džíny)
výroba některých syntetických látek (např. acetátové hedvábí)

Soli

octany – acetáty

CH₃COONa: octan sodný, natrium-acetát

Kyselina máselná

C₃H₇COOH, kyselina butanová
je vázána v másle – v podobě esteru s glycerolem
žluknutí ⇒ zápach

Kyselina palmitová a kyselina stearová

kyselina palmitová: C₁₅H₃₁COOH, kyselina hexadekanová
kyselina stearová: C₁₇H₃₅COOH, kyselina oktadekanová
patří mezi VMK – vyšší mastné kyseliny: v podobě esteru s glycerolem jsou vázány v tucích

Kyselina akrylová, kyselina methylakrylová

kyselina akrylová: CH₂=CH–COOH, kyselina propenová
kyselina methylakrylová (methakrylová): CH₂=C(–CH₃)–COOH
kyselina methylakrylová se používá k výrobě polymerů – polymethylmethakrylát – plexisklo

Kyselina olejová

C₁₇H₃₃COOH; CH₃–(CH₂)₇–CH=CH–(CH₂)₇–COOH

kyselina cis-9-oktadecenová
dohromady má 18 uhlíků (⇒ oktadecen), dvojná vazba je na devátém uhlíku v řetězci (⇒ 9-oktadecen), vodíky po stranách této dvojné vazby jsou na stejné straně; zbytky řetězců také (⇒ cis-9-oktadecenová)
také patří mezi vyšší mastné kyseliny: v podobě esteru s glycerolem je vázána v tucích

Kyselina benzoová

C₆H₅COOH
výroba: oxidací toluenu
užití:

potravinářství – konzervace
omezuje vznik plísní
výroba jiných organických látek
výroba mastí

Kyselina šťavelová

HOOC–COOH, (COOH)₂, kyselina methandiová; acidum oxalicum
krystalická látka
toxická
má leptavé účinky
užití: v analytické chemii

Soli

šťavelany, oxaláty

Cvičení

Jak připravit octan hlinitý, jak methylester kyseliny octové?
octan hlinitý: (CH₃COO)₃Al^III
methylester kyseliny octové: CH₃COOCH₃
3CH₃COOH + Al(OH)₃ → (CH₃COO)₃Al + 3H₂O
CH₃COOH + CH₃OH → CH₃COOCH₃ + H₂O

Propočítejte následující rovnici přes mechanismus redoxní reakce:
(C^IIIOOH)₂ + KMn^VIIO₄ + H₂SO₄ → C^IVO₂ + K₂SO₄ + Mn^IISO₄ + H₂O
C₂^III − 2e⁻ → 2C^IV    ox.
Mn^VII + 5e⁻ → Mn^II    red.
rovnice roznásobíme, aby nám počty přijatých a odevzdaných elektronů souhlasily:
5C₂^III − 10e⁻ → 10C^IV    ox.
2Mn^VII + 10e⁻ → 2Mn^II    red.
nyní už můžeme rovnici dopočítat:
5(C^IIIOOH)₂ + 2KMn^VIIO₄ + 3H₂SO₄ → 10C^IVO₂ + 1K₂SO₄ + 2Mn^IISO₄ + 8H₂O

Deriváty karboxylových kyselin

funkční – vznikají nahrazením skupiny OH v karboxylu jinou skupinou
vzniklé látky už nemohou odštěpit H⁺ ⇒ nejsou kyselinami
R–CO–X
substituční – vznikají nahrazením vodíku v uhlovodíkovém zbytku jinou skupinou
skupina COOH zůstane celá, vzniklé látky zůstávají kyselinami

Funkční deriváty karboxylových kyselin

obecný vzorec: R–CO–X (kde X zastupuje libovolný atom/skupinu)
přehled:

soli: R–CO–OM
estery: R–CO–OR’
amidy: R–CO–NH₂
acylhalogenidy: R–CO–X (kde X tentokrát symbolizuje halogen)
anhydridy: R–CO–O–CO–R

Soli

RCOOM, kde M je nějaký kov
iontová vazba
příprava: neutralizace (viz výše)
názvosloví:

kyselinan prvek
prvek latinsky-kyselina latinskyát

HCOONa – mravenčan sodný/natrium-formiát
CH₃COOK – octan draselný/kalium-acetát
C₁₅H₃₁COONa – palmitan sodný/natrium-palmitát
(CH₃COO)₂Ca – octan vápenatý/calcium-acetát

poznámka: latinské názvy solí kyselin:

kyselina mravenčí ⇒ formiát
kyselina octová ⇒ acetát
kyselina propionová ⇒ propionát
kyselina máselná ⇒ butyrát

Estery

RCOOR’ – R a R’ nemusí být stejný uhlovodíkový zbytek
příprava: esterifikace: alkohol + karboxylová kyselina → ester + H₂O
názvosloví:

česky: uhl. zbytekester kyseliny nějaké
latinsky: uhl. zbytek-kyselina latinskyát

CH₃COOC₂H₅: ethylester kyseliny octové/ethyl-acetát
HCOOCH₃: methylester kyseliny mravenčí/methyl-formiát
ethyl-butyrát: C₃H₇COOC₂H₅

Vlastnosti

kapaliny
příjemně vonící ⇒ dochucování potravin

Amidy

RCONH₂
názvosloví:

amid kyseliny nějaké
kyselina latinskyamid

HCONH₂: amid kyseliny mravenčí/formamid
CH₃CONH₂: amid kyseliny octové/acetamid
C₆H₅CONH₂: amid kyseliny benzoové/benzamid

Vlastnosti

skupenství: pouze formamid kapalina, ostatní amidy pevné látky
jsou zásadité – N v NH₂ má volný elektronový pár, na ten se může navázat H⁺
málo reaktivní – nejméně ze všech funkčních derivátů
příprava: reakcí acylhalogenidů s amoniakem

výroba benzamidu:
C₆H₅COCl + NH₂–H → C₆H₅CONH₂ + HCl

Nitrily

obecný vzorec: R–C≡N
vznikají dehydratací amidů: R–CO–NH₂ → (-H₂O) R–C≡N

Kyanovodík

H–C≡N
těkavá kapalina
prudce toxický
odvozují se od něj kyanidy

Akrylonitril

CH₂=CH–CN (odvození od kyseliny akrylové – CH₂=CH–COOH)
používá se k výrobě polyakrylonitrilu (PAN) – ten se používá k výrobě syntetických látek

Acylhalogenidy

obecný vzorec: R–COX
názvosloví: halogenid kyseliny nějaké

HCOCl: chlorid kyseliny mravenčí
C₆H₅COBr: bromid kyseliny benzoové

Vlastnosti

nejreaktivnější funkční deriváty – halogeny mají vysokou elektronegativitu, vazba C–X je hodně polární (elektrony jsou blíže k X) ⇒ snadno se štěpí X⁻
chemické reakce:

hydratace: RCOX + H–OH → RCOOH + HX

CH₃COCl + H–OH → CH₃COOH + HCl
reakce s alkoholem: RCOX + H–O–R’ → RCOOR’ + HX
vznikají estery

CH₃COCl + CH₃OH → CH₃COOCH₃ + HCl
reakce s amoniakem: RCOX + NH₂–H → RCONH₂ + HX
vznikají amidy (viz výše)
reakce se solí: RCOX + R’COOM → R–CO–O–CO–R’ + MX
vznikají anhydridy

CH₃–COCl + C₂H₅COONa → CH₃–CO–O–CO–C₂H₅ + NaCl

Anhydridy

obecný vzorec: R–CO–O–CO–R
názvosloví:

CH₃–CO–O–CO–CH₃ – anhydrid kyseliny octové

vznik: dehydratací karboxylových kyselin

ze dvou monokarboxylových
z jedné dikarboxylové

Substituční deriváty

definice: vznikají nahrazení vodíku nebo vodíků v uhlovodíkovém řetězci
skupina COOH zůstane neporušená, látky jsou stále kyselé

halogenkyseliny
hydroxykyseliny
oxokyseliny
aminokyseliny

Halogenkyseliny

substituenty: halogeny (fluór, chlór, brom, jód)
číslování uhlíků:

arabskými číslicemi – uhlík v COOH očíslujeme jako 1, další uhlíky číslujeme vzestupně
řeckými písmeny – uhlík v COOH nečíslujeme, uhlík vedle něj je α, další uhlík je β atd.

názvosloví:

CH₃–CHCl–COOH: 2-chlorpropionová kyselina/α-chlorpropionová kyselina
CH₂Cl–COOH: chloroctová kyselina (zde nemá smysl psát číslo, na žádném jiném uhlíku než na druhém/α nic být nemůže)
CF₃–COOH: trifluoroctová kyselina (opět nemá smysl číslovat)

užití: příprava jiných substitučních derivátů

Chemické vlastnosti

síla kyselin

kyselina octová X kyselina 2-chloroctová:
CH₃–CH₂–COOH X CH₃–CHCl–COOH
kyselina chloroctová je silnější, protože chlor má vysokou elektronegativitu a přitahuje k sobě elektrony ⇒ vazba –OH v COOH je více polární a jde snáze odštěpit
halogenkyseliny jsou silnější než kyseliny nesubstituované (halogen ale musí být blízko COOH, jinak už je síla indukčního efektu na COOH zanedbatelná)

kyselina chloroctová X kyselina fluoroctová:
CH₂Cl–COOH X CH₂F–COOH
kyselina fluoroctová je silnější, protože fluor má větší elektronegativitu
síla kyseliny je ovlivněna tím, jaký halogen jsme na ni navázali – ty výše v periodické tabulce mají větší elektronegativitu a tím pádem způsobují větší indukční efekt

CCl₃–COOH X CH₂Cl–COOH:
CCl₃–COOH je silnější, protože indukční efekt se zesílí (dílčí účinky jednotlivých chlorů se sečtou)
síla je ovlivněna i počtem substituovaných halogenů
funkční skupiny: halogenkyseliny mají jak skupinu COOH, tak skupinu X (halogen) – probíhají s nimi tedy některé reakce, které probíhají s karboxylovými kyselinami a halogenderiváty
COOH: neutralizace, esterifikace
X: odštěpení – nahrazení

CH₃–CHCl–COOH + H–OH → CH₃–CHOH–COOH (nějaká hydroxykyselina) + HCl
CH₃–CHCl–COOH + NH₂–H → CH₃–CHNH₂–COOH (nějaká aminokyselina) + HCl

DÚ: zopakovat si izomery

Odbočka: optická izomerie

izomery – látky mající stejný molekulový vzorec, ale lišící se strukturou a/nebo prostorovým uspořádáním
dělení izomerů: (viz dřívější zápisek)

strukturní (konstituční):
řetězcové, skupinové, polohové, tautomery
prostorové (stereoizomery):
geometrické, optické

nyní se budeme zabývat optickými izomery

Nepolarizované a polarizované světlo

světlo při svém šíření nějak kmitá

nepolarizované světlo – elektromagnetické vlnění, jehož paprsky kmitají v různých rovinách – např. jeden paprsek vůči nám kmitá nahoru–dolů, jeden doleva–doprava, jeden šikmo–šikmo atd.
polarizované světlo – elektromagnetické vlnění, jehož paprsky kmitají v jedné rovině – např. všechny paprsky kmitají nahoru–dolů

Optické izomery

(opticky aktivní látky)
tyto látky jsou schopny stáčet rovinu polarizovaného světla o určitý úhel doprava nebo doleva
pustíme-li tedy polarizované světlo kmitající např. směrem nahoru–dolů touto látkou, po průchodu touto látkou bude světlo kmitat např. napravo-nahoru–nalevo-dolů
opticky aktivní látky:

pravotočivé: značíme je znaménkem + (pomůcka: čísla napravo od nuly jsou kladná)
levotočivé: značíme je znaménkem −

příčina optické aktivity: v opticky aktivní látce je přítomný chirální uhlík (asymetrický uhlík) – uhlík, na který jsou vázány čtyři různé substituenty
chirální uhlík ve vzorci značíme hvězdičkou

CH₃–CHOH–COOH: kyselina mléčná, je to opticky aktivní látka: prostřední uhlík je chirální; jeho substituenty jsou H, OH, CH₃, COOH

Optické antipody

(enantiomery)
poznámka: z chirálního uhlíku vychází čtyři jednoduché vazby, je v hybridizaci sp³ – orbitaly jsou rozmístěny do vrcholů pravidelného čtyřstěnu; vazebný úhel je 109°28’
máme-li čtyři různé substituenty, máme právě dvě možnosti, jak je na chirálním uhlíku rozmístit – ostatní možnosti jsou s těmito dvěmi shodné, liší se pouze otočením
optické antipody – dvě sloučeniny, jejichž molekuly jsou ve vztahu vzor–zrcadlový obraz; vždy je jedna z látek levotočivá a druhá pravotočivá
racemická směs (racemát) – směs stejného množství pravotočivého a levotočivého optického antipodu, je tedy opticky neaktivní (pravotočivý a levotočivý účinek se zároveň vyruší)
polarimetr – zařízení schopné měřit optickou izomerii

Fischerovy vzorce optických izomerů

nakreslíme si chirální uhlík a čtyři vazby z něj vycházející
nejdůležitější skupinu napojíme nahoru, další dolů; rozhoduje umístění důležitějšího ze dvou zbylých substituentů – pokud tento substituent umístíme napravo, látka dostane předponu D- (např. D-glyceraldehyd), v opačném případě dostane látka předponu L- (např. L-glyceraldehyd)
to, která skupina je jak důležitá, určují složitá pravidla, my se jimi nebudeme zabývat – stačí nám pouze vědět, že CHO > CH₂OH > OH > H; samotný vodík bude téměř vždy (úplně vždy?) nejméně důležitý

3D projekce: vazby označené plnými trojúhelníky vystupují směrem k nám, vazby označené pruhovanými trojúhelníky jdou směrem od nás

poznámka: předpony D a L se vztahují pouze ke vzorci (k tomu, jak jsou rozmístěny substituenty) – neříká nám ale nic o tom, jestli je látka levotočivá nebo pravotočivá, to se musí zjistit experimentálně
poznámka 2: pokud je ve vzorci více chirálních uhlíků, ten poslední (nejspodnější) rozhoduje o tom, jestli je látka D nebo L

Hydroxykyseliny

substituent: –OH (hydroxylová skupina)
názvosloví:

CH₃–CHOH–COOOH: kyselina α-hydroxypropionová/α-hydroxypropanová/2-hydroxypropionová/2-hydroxypropanová
HOOC–CHOH–CHOH–COOH: kyselina 2,3-dihydroxyjantarová/α,β-dihydroxyjantarová

Chemické vlastnosti

kyselost: jsou silnější než nesubstituované karboxylové kyseliny, ale slabší než halogenkyseliny

kyselina propionová × kyselina α-chlorpropionová × kyselina α-hydroxypropionová
CH₃–CH₂–COOH, CH₃–CHCl–COOH, CH₃–CHOH–COOH
nejkyselejší je CH₃–CHCl–COOH, další je CH₃–CHOH–COOH, nejslabší z nich je CH₃–CH₂–COOH
funkční skupiny: mají jak skupinu COOH, tak skupinu OH ⇒ ty způsobují, že s hydroxykyselinami probíhají některé reakce:
COOH ⇒ neutralizace, esterifikace
OH ⇒ oxidace, esterifikace
oxidace hydroxylové skupiny: viz také oxidaci alkoholů

CH₃–CHOH–COOH → (+O, -H₂O) CH₃–CHO–COOH (oxokyselina – ketokyselina)
CH₂OH–COOH → (+O, -H₂O) CHO–COOH (oxokyselina – aldehydokyselina)

vznikají oxokyseliny – ketokyseliny a aldehydokyseliny
esterifikace hydroxylové skupiny:

kyselina salicylová + kyselina octová → kyselina acetylsalicylová + H₂O
vnitřní esterifikace – vznikají laktony
hydroxykyselina reaguje sama se sebou – esterifikuje sama sebe
nejstálejší jsou laktony mající cyklus délky 5–6

vnitřní esterifikace kyseliny γ-hydroxymáselné:

Zástupci

Kyselina mléčná

kyselina α-hydroxypropionová
CH₃–C^∗HOH–COOH
je opticky aktivní – má chirální uhlík

výskyt: kyselé zelí, kyselé mléko, jogurty, tvarohy
vznik: mléčné kvašení cukrů, svalová činnost
anion kyseliny mléčné: laktát, CH₃–CHOH–COO⁻

Kyselina jablečná

kyselina α-hydroxyjantarová
HOOC–CH₂–C^∗HOH–COOH
je opticky aktvní
výskyt: v nezralém ovoci
anion: malát

Kyselina vinná

kyselina α,β-dihydroxyjantarová
HOOC–CHOH–CHOH–COOH
užití:

kypřící prášek do pečiva
analytická chemie – k výrobě Fehlingova činidla se používá vinan draselno-sodný (KOOC–CHOH–CHOH–COONa)

Kyselina citronová

2-hydroxypropan-1,2,3-trikarboxylová kyselina

užití:

potravinářství – příprava nápojů
lékařství – konzervace krve: váže Ca²⁺ z krve a zabraňuje tak jejímu srážení

Kyselina salicylová

2-hydroxybenzoová kyselina
odvozuje se z ní:

kyselina acetylsalicylová – účinná složka aspirinu, ten sráží horečku, má protizánětlivé a protirevmatické účinky
kyselina p-aminosalicylová (PAS) – lék proti tuberkulóze

Oxokyseliny

funkční skupiny:

COOH – karboxylová skupina
C=O – karbonylová skupina

rozdělení:

aldehydokyseliny: –CHO
ketokyseliny: –CO–

názvosloví:

CH₃–CO–COOH: kyselina 2-oxopropionová
CHO–COOH: kyselina oxooctová

Chemické vlastnosti

redukce oxokyseliny (hydrogenace) – reakce s H₂
vznikají hydroxykyseliny

CH₃–CO–COOH → (+H₂) CH₃–CHOH–COOH
ketoforma, enolforma:

CH₃–CO–COOH ↔ CH₂=COH–COOH

Zástupci

Kyselina pyrohroznová

kyselina 2-oxopropionová, CH₃–CO–COOH
důležitý meziprodukt v látkovém metabolismu – metabolismus cukru
anion: pyruvát – CH₃–CO–COO⁻

Aminokyseliny

(AA)
funkční skupiny:

COOH: karboxylová skupina
NH₂: aminoskupina

názvosloví:

CH₃–CHNH₂–COOH: kyselina 2-aminopropionová/alanin

používají se triviální názvy
význam: α-aminokyseliny jsou stavebními jednotkami bílkovin
příprava:

reakce halogenkyselin s amoniakem:

CH₃–CHCl–COOH + NH₂–H → CH₃–CHNH₂–COOH + HCl
hydrolytický rozklad proteinu v kyselém prostředí nebo pomocí enzymů:
proteiny (řetězec více aminokyselin) se rozloží na jednotlivé aminokyseliny, ze který se skládá

optická izomerie: jsou opticky aktivní

chemické vlastnosti:

amfoterita – díky COOH mohou být aminokyseliny kyselé (mohou odštěpit H⁺)
NH₂ je ale schopno H⁺ i přijmout (koordinačně-kovalentní vazba)
amfion (amfoterní ion):

CH₃–CHNH₃⁺–COO⁻
formy AA: kationtová, aniontová, amfion