- Свойства ангидридов
- Химические реакции
- Гидролиз
- эстерификация
- амидирование
- Как образуются ангидриды?
- Циклические ангидриды
- Номенклатура
- Приложения
- Органические ангидриды
- Примеры
- Янтарный ангидрид
- Глутаровый ангидрид
- Ссылки
Эти ангидриды представляют собой химические соединения , происходящие из объединения двух молекул, выпуская воду. Таким образом, это можно рассматривать как обезвоживание исходных веществ; хотя это не совсем так.
Они упоминаются в органической и неорганической химии, и в обеих отраслях их понимание значительно различается. Например, в неорганической химии основные и кислотные оксиды рассматриваются как ангидриды их гидроксидов и кислот соответственно, поскольку первые реагируют с водой с образованием вторых.
Общая структура ангидридов. Источник: DrEmmettBrownie, Wikimedia Commons.
Здесь может возникнуть путаница между терминами «безводный» и «ангидрид». Как правило, безводный относится к соединению, до которого оно было дегидратировано без изменений в его химической природе (нет реакции); в то время как с ангидридом происходит химическое изменение, отражающееся в молекулярной структуре.
Если гидроксиды и кислоты сравнить с их соответствующими оксидами (или ангидридами), будет видно, что реакция произошла. Напротив, некоторые оксиды или соли могут гидратироваться, терять воду и оставаться такими же соединениями; но без воды, то есть безводный.
В органической химии, с другой стороны, ангидрид является первоначальным определением. Например, одними из самых известных ангидридов являются ангидриды, полученные из карбоновых кислот (верхнее изображение). Они состоят из объединения двух ацильных групп (-RCO) через атом кислорода.
В его общей структуре R 1 указан для одной ацильной группы и R 2 для второй ацильной группы. Поскольку R 1 и R 2 различны, они происходят из разных карбоновых кислот, и тогда это ангидрид асимметричной кислоты. Когда оба заместителя R (независимо от того, являются ли они ароматическими) одинаковы, в данном случае он упоминается как ангидрид симметричной кислоты.
Когда две карбоновые кислоты связываются с образованием ангидрида, вода может образовываться, а может и не образовываться, а также другие соединения. Все будет зависеть от состава этих кислот.
Свойства ангидридов
Свойства ангидридов будут зависеть от того, какие из них вы имеете в виду. Общим для большинства из них является то, что они реагируют с водой. Однако, что касается так называемых основных ангидридов в неорганических соединениях, на самом деле некоторые из них даже нерастворимы в воде (MgO), поэтому это утверждение будет касаться ангидридов карбоновых кислот.
Точки плавления и кипения зависят от молекулярной структуры и межмолекулярных взаимодействий для (RCO) 2 O, что является общей химической формулой этих органических соединений.
Если молекулярная масса (RCO) 2 O низкая, вероятно, это бесцветная жидкость при комнатной температуре и давлении. Например, уксусный ангидрид (или этановый ангидрид), (CH 3 CO) 2 O, представляет собой жидкость, имеющую наибольшее промышленное значение, поскольку его производство очень обширно.
Реакция между уксусным ангидридом и водой представлена следующим химическим уравнением:
(CH 3 CO) 2 O + H 2 O => 2CH 3 COOH
Обратите внимание, что при добавлении молекулы воды выделяются две молекулы уксусной кислоты. Однако для уксусной кислоты обратная реакция невозможна:
2CH 3 COOH => (CH 3 CO) 2 O + H 2 O (не встречается)
Необходимо прибегнуть к другому синтетическому маршруту. С другой стороны, дикарбоновые кислоты могут делать это при нагревании; но это будет объяснено в следующем разделе.
Химические реакции
Гидролиз
Одна из простейших реакций ангидридов - их гидролиз, который только что был показан для уксусного ангидрида. В дополнение к этому примеру есть ангидрид серной кислоты:
H 2 S 2 O 7 + H 2 O <=> 2H 2 SO 4
Вот вам ангидрид неорганической кислоты. Обратите внимание, что для H 2 S 2 O 7 (также называемой дисерной кислотой) реакция обратима, поэтому нагревание концентрированной H 2 SO 4 приводит к образованию ее ангидрида. Если, с другой стороны, это разбавленный раствор H 2 SO 4 , выделяется SO 3 , серный ангидрид.
эстерификация
Ангидриды кислот реагируют со спиртами, между которыми находится пиридин, с образованием сложного эфира и карбоновой кислоты. Например, рассмотрим реакцию между уксусным ангидридом и этанолом:
(CH 3 CO) 2 O + CH 3 CH 2 OH => CH 3 CO 2 CH 2 CH 3 + CH 3 COOH
Таким образом образуется этиловый эфир этаноата, CH 3 CO 2 CH 2 CH 3 , и этановая кислота (уксусная кислота).
На практике происходит замещение водорода гидроксильной группы ацильной группой:
R 1 -ОН => R 1 -OCOR 2
В случае (CH 3 CO) 2 O его ацильной группой является -COCH 3 . Следовательно, говорят, что группа ОН подвергается ацилированию. Однако ацилирование и этерификация не являются взаимозаменяемыми понятиями; ацилирование может происходить непосредственно на ароматическом кольце, известное как ацилирование Фриделя-Крафтса.
Таким образом, спирты в присутствии ангидридов кислот этерифицируются ацилированием.
С другой стороны, только одна из двух ацильных групп реагирует со спиртом, другая остается с водородом, образуя карбоновую кислоту; что в случае (CH 3 CO) 2 O это этановая кислота.
амидирование
Ангидриды кислот реагируют с аммиаком или аминами (первичными и вторичными) с образованием амидов. Реакция очень похожа на только что описанную этерификацию, но ROH заменяется амином; например, вторичный амин R 2 NH.
Опять же, рассматривается реакция между (CH 3 CO) 2 O и диэтиламином, Et 2 NH:
(CH 3 CO) 2 O + 2Et 2 NH => CH 3 CONEt 2 + CH 3 COO - + NH 2 Et 2
При этом образуются диэтилацетамид , CH 3 CONEt 2 , и карбоксилированная соль аммония, CH 3 COO - + NH 2 Et 2 .
Хотя уравнение может показаться немного трудным для понимания, достаточно наблюдать, как группа –COCH 3 заменяет H в Et 2 NH с образованием амида:
Et 2 NH => Et 2 NCOCH 3
Реакция не амидирования, а ацилирования. Все резюмируется в этом слове; на этот раз ацилированию подвергается амин, а не спирт.
Как образуются ангидриды?
Неорганические ангидриды образуются при реакции элемента с кислородом. Таким образом, если элемент является металлическим, образуется оксид металла или основной ангидрид; и если он неметаллический, образуется неметаллический оксид или ангидрид кислоты.
Для органических ангидридов реакция иная. Две карбоновые кислоты не могут соединиться напрямую с выделением воды и образованием ангидрида кислоты; необходимо участие еще не упомянутого соединения: ацилхлорида, RCOCl.
Карбоновая кислота реагирует с ацилхлоридом с образованием соответствующего ангидрида и хлористого водорода:
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 происходит от ацетильной группы, CH 3 CO–, а другой уже присутствует в уксусной кислоте. Выбор конкретного ацилхлорида, а также карбоновой кислоты может привести к синтезу симметричного или асимметричного ангидрида кислоты.
Циклические ангидриды
В отличие от других карбоновых кислот, для которых требуется ацилхлорид, дикарбоновые кислоты могут конденсироваться в соответствующий им ангидрид. Для этого их необходимо нагреть, чтобы способствовать высвобождению H 2 O. Например, показано образование фталевого ангидрида из фталевой кислоты.
Образование фталевого ангидрида. Источник: Ю, из Wikimedia Commons.
Обратите внимание, как завершено пятиугольное кольцо, и кислород, который соединяет обе группы C = O, является его частью; это циклический ангидрид. Кроме того, следует понимать, что фталевый ангидрид является симметричным ангидридом, поскольку оба R 1 и R 2 идентичны: ароматическое кольцо.
Не все дикарбоновые кислоты способны образовывать свой ангидрид, поскольку, когда их группы COOH широко разделены, они вынуждены образовывать все большие и большие кольца. Самое большое кольцо, которое может быть образовано, - это гексагональное кольцо, большего размера, чем то, что реакция не происходит.
Номенклатура
Как называются ангидриды? Оставляя в стороне неорганические, имеющие отношение к проблемам оксидов, названия органических ангидридов, объясненные до сих пор, зависят от идентичности R 1 и R 2 ; то есть его ацильных групп.
Если два R одинаковы, просто замените слово «кислота» на «ангидрид» в соответствующем названии карбоновой кислоты. И если, наоборот, два R различны, они называются в алфавитном порядке. Следовательно, чтобы знать, как его назвать, вы должны сначала увидеть, является ли он симметричным или асимметричным ангидридом кислоты.
(CH 3 CO) 2 O симметричен, так как R 1 = R 2 = CH 3 . Он происходит от уксусной или этановой кислоты, поэтому его название, следуя предыдущему объяснению: уксусный или этановый ангидрид. То же верно и в отношении только что упомянутого фталевого ангидрида.
Предположим, у нас есть следующий ангидрид:
CH 3 CO (O) COCH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3
Ацетильная группа слева происходит от уксусной кислоты, а справа - от гептановой кислоты. Чтобы назвать этот ангидрид, вы должны назвать его R-группы в алфавитном порядке. Итак, его название: гептановый уксусный ангидрид.
Приложения
Неорганические ангидриды находят бесконечное применение: от синтеза и создания материалов, керамики, катализаторов, цементов, электродов, удобрений и т. Д. До покрытия земной коры тысячами минералов железа и алюминия, а также диоксида. углерода, выдыхаемого живыми организмами.
Они представляют собой исходный источник, точку, где образуются многие соединения, используемые в неорганических синтезах. Одним из наиболее важных ангидридов является диоксид углерода CO 2 . Наряду с водой он необходим для фотосинтеза. А на промышленном уровне SO 3 необходим, поскольку из него получают требуемую серную кислоту.
Возможно, наиболее часто применяемый ангидрид (пока есть жизнь) - это ангидрид фосфорной кислоты: аденозинтрифосфат, более известный как АТФ, присутствует в ДНК и является «энергетической валютой» метаболизма.
Органические ангидриды
Кислотные ангидриды реагируют посредством ацилирования либо до спирта, с образованием сложного эфира, амина, с образованием амида, либо ароматического кольца.
Существуют миллионы каждого из этих соединений и сотни тысяч вариантов карбоновых кислот для получения ангидрида; поэтому синтетические возможности резко возрастают.
Таким образом, одним из основных применений является включение ацильной группы в соединение с замещением одного из атомов или групп его структуры.
У каждого отдельного ангидрида есть свои применения, но, вообще говоря, все они реагируют одинаково. По этой причине эти типы соединений используются для модификации полимерных структур, создания новых полимеров; то есть сополимеры, смолы, покрытия и т. д.
Например, уксусный ангидрид используется для ацетилирования всех ОН-групп целлюлозы (нижнее изображение). При этом каждый H группы OH заменяется ацетильной группой COCH 3 .
Целлюлоза. Источник: NEUROtiker, Wikimedia Commons.
Таким образом получают полимер ацетата целлюлозы. Эту же реакцию можно описать с другими полимерными структурами с группами NH 2 , также чувствительными к ацилированию.
Эти реакции ацилирования также полезны для синтеза лекарств, таких как аспирин ( ацетилсалициловая кислота).
Примеры
Показаны некоторые другие примеры органических ангидридов. Хотя о них не будет упоминания, атомы кислорода могут замещать серу, давая серу или даже ангидриды фосфора.
-C 6 H 5 CO (O) COC 6 H 5 : бензойный ангидрид. Группа C 6 H 5 представляет собой бензольное кольцо. Его гидролиз дает две бензойные кислоты.
-HCO (O) COH: муравьиной ангидрид. Его гидролиз дает две муравьиной кислоты.
- C 6 H 5 CO (O) COCH 2 CH 3 : бензойный пропановый ангидрид. Его гидролиз дает бензойную и пропановую кислоты.
-C 6 H 11 CO (O) COC 6 H 11 : ангидрид циклогексанкарбоновой кислоты. В отличие от ароматических колец они насыщенные, без двойных связей.
-CH 3 CH 2 CH 2 CO (O) COCH 2 CH 3 : пропановый бутановый ангидрид.
Янтарный ангидрид
Янтарный ангидрид. Источник: Ninjatacoshell, Wikimedia Commons
Здесь у вас есть еще один цикл, производный от янтарной кислоты, дикарбоновой кислоты. Обратите внимание, как три атома кислорода раскрывают химическую природу соединений этого типа.
Малеиновый ангидрид очень похож на янтарный ангидрид с той разницей, что между атомами углерода, образующими основание пятиугольника, существует двойная связь.
Глутаровый ангидрид
Глутаровый ангидрид. Источник: Чой, из Wikimedia Commons.
И, наконец, показан ангидрид глутаровой кислоты. Конструктивно он отличается от всех остальных тем, что состоит из шестиугольного кольца. И снова в структуре выделяются три атома кислорода.
Другие ангидриды, более сложные, всегда могут быть подтверждены тремя атомами кислорода, очень близкими друг к другу.
Ссылки
- Редакторы энциклопедии Британника. (2019). Ангидрид. Enclyclopaedia Britannica. Получено с: britannica.com
- Хельменстин, Энн Мари, доктор философии. (8 января 2019 г.). Определение ангидрида кислоты в химии. Получено с: thinkco.com
- Химия LibreTexts. (SF). Ангидриды. Получено с: chem.libretexts.org
- Грэм Соломонс Т.В., Крейг Б. Фрайл. (2011). Органическая химия. Амины. (10- е изд.). Wiley Plus.
- Кэри Ф. (2008). Органическая химия. (Издание шестое). Мак Гроу Хилл.
- Уиттен, Дэвис, Пек и Стэнли. (2008). Химия. (8-е изд.). CENGAGE Обучение.
- Моррисон и Бойд. (1987). Органическая химия. (Издание пятое). Аддисон-Уэсли Ибероамерикана.
- Wikipedia. (2019). Ангидрид органической кислоты. Получено с: en.wikipedia.org