-9 تفاعلات الأحماض الكربوكسيلية

1. -9تفاعلات الأحماض الكربوكسيلية

2. -1 الحامضية (Acidity) • تتأين الأحماض الكربوكسيلية جزئيا فى الماء و تقاس حامضية الحامض بثابت التأين (Ka) و هو يعطى بالمعادلة : • R-COOH + H2O  R-COO- + H3O+ • Ka = [H3O+] [RCOO-] / [RCOOH] • و يعزى التأين التلقائى لأى حامض كربوكسيليك الى :(1) التأثير الألكترونى لمجموعة الكربونيل المرتبطة بها مجموعة (H-O) و (2) الأستقرارية العالية لأيون الكربوكسيلات بسبب الرنين .

3. التركيب و الحامضية : أوضحت الدراسات أن قوة الحامضية للحامض الكربوكسيلى (R-COOH) تتوقف على تركيب المجموعة (R) المتصلة بها مجموعة (-COOH) و يوضح ذلك أمثلة الأحماض الأليفاتيةالتالية : • HCOOH (pKa = 3.75) • CH3COOH (pKa = 4.75) • CH3CH2COOH (pKa = 4.87) • ClCH2COOH (pKa = 2.87) • Cl2CHCOOH (pKa = 1.26) • Cl3CCOOH (pKa = 0.66) • و كذلك الأحماض الآروماتية التالية :

5. و يرجع السبب لأختلاف قيمة ثابت التأين من حامض الى آخر الى التأثير الألكترونى (تأثير الحث أو تأثير الرنين) لمجموعة أو مجموعات الأستبدال الموجودة . فالمجموعات الساحبة للألكترونات سواء بالحث أو الرنين أو كلاهما معا ترفع الحامضية و بالتالى تقل قيمة (pKa) و العكس بالعكس فمثلا. • pKa (FCH2COOH) < pKa (ClCH2COOH) < pKa (BrCH2COOH) < pKa (ICH2COOH) < pKa CH3COOH • و يزداد التأثير كلما زاد عدد المجموعات . فمثلا • pKa (Cl3CCOOH) < pKa (Cl2CHCOOH) < pKa (ClCH2COOH) < pKa (CH3COOH)

6. و يقل تأثير الحث على تأين الحامض كلما زادت المسافة بين المجموعة الساحبة للألكترونات و مجموعة الكربوكسيليك كما فى الأمثلة التالية : • pKa (CH3CH2CH(Cl)COOH) 2.85 < pKa (CH3CH(Cl)CH2COOH 4.05 < pKa (ClH2CH2CH2COOH) 4.52 < pKa (CH3CH2CH2COOH) 4.819

7. و الأحماض الداى كربوكسيلية مثل حامض مالونيك يتأين كل منها فى مرحلتين كالتالى : • HOOC-CH2-COOH + H2O  -OOC-CH2-COOH + H3O+ pK1 = 2.81 • -OOC-CH2-COOH + H2O  -OOC-CH2-COO- + H3O+ pK2 = 5.69 و فى مثل هذه الحالات وجد أن ثابت التأين الأول (Ka1) أكثر من الثانى.(Ka2) و يرجع السبب الى أن الربط الهيدروجينى الداخل جزيئى بين مجموعة (COOH) وأيون الكربوكسيلات (COO-) يؤدى الى صعوبة التأين الثانى و بالتالى تقل الحامضية . و يقل هذا التأثير كلما زادت المسافة بين مجموعتى الكربوكسيل فى الحامض .

9. (pK1) (pK2) الحامض • HOOC-COOH 1.2 4.2 • HOOC-CH2-COOH 2.8 5.7 • HOOC-(CH2)2-COOH 4.2 5.6 • HOOC-(CH2)3-COOH 4.3 5.4 • HOOC-(CH2)4-COOH 4.5 5.4

10. 2-الأسترة (Esterification) • تتكاثف الأحماض الكربوكسيلية مع الألكحولات و تعطى الأسترات المقابلة وهذا التفاعل تفاعل عكوس و لذلك يجرى فى وجود حامض كبريتيك مركز كحافز و أيضا لنزع الماء الناتج من وسط التفاعل و يسمى هذا التفاعل بالأسترة المباشرة. و يتم التفاعل بالميكانيكية الموضحة :

11. و يتضح من هذا المخطط أن و ظيفة حامض الكبريتيك هى بروتنة الحامض الكربوكسيلى أولا ليزيد من أستقطاب مجموعة الكربونيل فيسهل أضافة الألكحول ثم حذف الماء الناتج ليسير التفاعل نحو الأستر. • و أوضحت الدراسات أن معدل التفاعل يتوقف على نوع كل من الحامض و الألكحول كما يلى : • HCOOH > CH3COOH > RCH2COOH > R2CHCOOH > R3C-COOH معدل الأسترة يزداد فى أتجاه السهم • CH3OH > RCH2OH > R2CHOH > R3COH معدل الأسترة يزداد فى أتجاه السهم و يرجع ذلك الى التأثيرات الفراغية ( كيف ؟ .( • و لا تتفاعل الفينولات مع الأحماض الكربوكسيلية مباشرة (لماذا؟).

12. -3التفاعل مع كلوريدات الأحماض المعدنية • عند تسخين حامض كربوكسيلي أليفاتى أو آروماتى مع ثيونايل كلوريد (SOCl2) أو فوسفر تراى كلوريد (PCl3) أو فوسفور بنتا كلوريد (PCl5) ينتج آسايل كلوريد المقابل . • CH3CH2COOH + SOCl2 CH3CH2COCl + HCl + SO2 • (CH3)2CHCOOH + PCl3 (CH3)2CHCOCl + HCl + H2PO3 • C6H5COOH + SOCl2 C6H5COCl + HCl + SO2

13. و قد ثبت أن هذا التفاعل يتم بميكانيكية أستبدال نيوكليوفيلى داخل جزيئى كما فى المخطط :

14. -4 تكوين الأنهيدريدات • عند تسخين حامضكربوكسيليك مع أستيك أنهيدريد يحدث تفاعل عكوس يؤدى الى تكوين أنهيدريد الحامض المستخدم ويمكن أزاحة الأتزان ناحية الأنهيدريد وذلك بتقطير حامض أستيك مباشرة أثناء التسخين . • و أنهيدريدات الأحماض الداى كربوكسيلية يمكن تكوينها بتسخين الحامضي بمفرده أو مع أستيك أنهيدريد .

15. -5الإختزال • تختزل الأحماض الكربوكسيلية بسهولة عند معالجتها بليثيوم ألومنيوم هيدريد و تعطى املاح الألكحولات الأولية المقابلة و يتم تحرير الألكحولات من هذه الأملاح بمعالجتها بالماء . • و ميكانيكية الأختزال فى هذه الحالة مشابهه لميكانيكية أختزال مركبات الكربونيل بنفس الكاشف .

16. -10 تفاعلات مشتقات الأحماض الكربوكسيلية • تتميز مشتقات الأحماض الكربوكسيلية بأنها أكثر نشاطا من الناحية الكيميائية من الأحماض نفسها و ترتيب هذه المشتقات حسب فاعليتها كالآتى : • RCOCl > (RCO)2O > RCOOR’ > RCONH2 تزداد الفاعلية فى أتجاه السهم • و السبب فى ذلك هولأختلاف التأثير الألكترونى للمجموعة المتصلة بمجموعة الكربونيل .

17. و معظم تفاعلات هذه المشتقات تفاعلات أستبدال نيوكليوفيلية تتم بميكانيكية تشمل مرحلتين : أضافة النيوكليوفيل على مجموعة الكربونيل و تكوين وسيط أضافة هرمى رباعى ثم يلى ذلك حذف جزئ.(HZ) • و أهم تفاعلات تلك المشتقات هى: (1) التميه (2) الأسترة غير المباشرة (3) الأمونيلة و الأمينيلة (4) الأختزال .

18. -1 التميه (Hydrolysis) • تتميه المشتقات الوظيفية للأحماض فى وجود حامض أو قاعدة و تعطى الأحماض المقابلة و الحامض المقترن (HZ) المقابل للمجموعة.(Z) • و يتم التميه القاعدى لهذه المشتقات بميكانيكية الأضافة و الحذف كما فى المخطط و ينتج ملح الحامض و (HZ) و يحرر الحامض الكربوكسيلى الناتح من ملحه و ذلك بمعالجة الأخير بحامض معدنى .

19. و يتم التميه الحامضى لهذه المشتقات بميكانيكية الأضافة و الحذف أيضا كما فى المخطط و ينتج الحامض الكربوكسيليك المقابل و .(HZ)

20. -2الأسترة غير المباشرة • تتفاعل الآسايل كلوريدات و الأنهيدريدات مع الألكحولات و الفينولات فى وجود قاعدة كحافز و تكون الأسترات المقابلة و يعرف هذا التفاعل بأسم الأسترةغير المباشرة . • وظيفة القاعدة الحافزة هى أصطياد الحامض الناتج (HCl) أو (RCOOH) و زيادة الخاصية النيوكليوفيلية للألكحول او الفينول المستخدم بتحويل كل منهما الى القاعدة المقترنة المقابلة.

21. -3 الأمونيلة (Ammonolysis) و ألأمينيلة (Aminolysis) • تتفاعل الآسايل كلوريدات و الأنهيدريدات و الأسترات مع الأمونيا و تعطى مشتقات الأميد الأولى و يسمى التفاعل باسم أمونيلة. • R-COZ + NH3 RCONH2 + HZ • كذلك تتفاعل هذه المشتقات مع الأمينات الأولية و الثانوية و تكون الأميدات الثانوية و الثالثية على التوالى و يسمى التفاعل أمينيلة: • R-COZ + R’NH2 RCONHR’ + HZ • RCOZ + R’2NH  RCONR’2 + HZ Z = Cl; RCOO; RO • و مثل هذه التفاعلات تتم بميكانيكية الأضافة و الحذف التى تشمل تكوين وسيط الأضافة الهرمى الرباعى .

23. 4-الإختزال • تختزل جميع المشتقات الأسترات و الآسايل كلوريدات و الأنهيدريدات بليثيوم ألومنيوم هيدريد و تعطى الألكحولات الأولية المقابلة و يتم التفاعل على ثلاثة مراحل. • 4 RCOZ + LiAlH4 4 [ RCHO ] • 4[ RCHO] + LiAlH4 [ (RCH2O)4AlLi ] • [(RCH2O)4AlLi] + H2O + H+ 4 RCH2OH • و يمكن أختزال الآسايل كلوريدات الى الألدهيدات المقابلة بأستخدام ليثيوم تراى-t- بيوتوكسي ألومنيوم هيدريد . • RCOCl + LiAl [OC(CH3)3]3H  RCHO

24. و إختزال الأميدات بأنواعها تعطى الأمينات المقابلة : • RCONH2 + LiAlH4 RCH2NH2 + HOH • RCONHR’ + LiAlH4  RCH2NHR’ + HOH • RCONR’2 + LiAlH4  RCH2NR’2 + HOH

25. -11 تفاعلات الأمينات

26. -1 القاعدية • القاعدية (Basicity) : لوجود زوج من الألكترونات اللارابطة على ذرة النيتروجين تتفاعل الأمينات كقواعد فعند أذابتها فى الماء تكتسب بروتون منه و يتحرر أيون هيدروكسيد و هذا التفاعل عكوس و ثابت الأتزان (Kb) يطلق عليه ثابت القاعدية للأمين المذاب : • RNH2 + H2O = RN + H3 + HO- • Kb = [RN+H3] [ HO-] / [RNH2] • و يعتبر هذا الثابت مقياس لقاعدية الأمين . و لقد أوضحت الدراسات ما يلى • (1) الأمينات الأليفاتية أقوى قاعدية من الأمينات الآروماتية فمثلا : • pKb (n-BuNH2) = 3.40pKb(aniline) = 9.40

27. (2) قاعدية الأمينات الثانوية أقوى من قاعدية الأمينات الأولية • (3) قاعدية الأمينات الثالثية تساوى تقريبا قاعدية الأمينات الأولية و يرجع السبب الى تأثير الأزداحام الفراغى بين المجموعات فى أيون الأمونيوم المقابل الذى يؤدى الى عدم أستقراريته : • pKb CH3CH2NH2 = 3.20 • pKb (CH3CH2)2NH = 2.91 • pKb (CH3CH2)3N = 3.22 • (4) قاعدية الأمينات الآروماتية تزداد عند وجود مجموعات مانحة للألكترونات فى المواقع بارا- و أرثو - و تقل بالمجموعات الساحبة للألكترونات بسبب التأثيرات الألكترونية لتلك المجموعات .

28. فالمجموعات المانحة للألكترونات تزيد الكثافة الألكترونية على ذرة النيتروجين بفعل الرنين و بالتالى تزداد القاعدية . أما المجموعات الساحبة فتقلل الكثافة الألكترونية عليها فتقل القاعدية .

29. -2تكوين الأملاح • بسبب سلوكها كقواعد تتفاعل الأمينات مع الأحماض المعدنية و تكون أملاح الأمونيوم المقابلة التى تذوب فى الماء . • RNH2 + HCl  RN+H3 Cl- • C6H5NH2 + H2SO4 C6H5N + H3 + HSO4- • عند معالجة محلول ملح الأمونيوم بقاعدة قوية مثل صوديوم هيدروكسيد يتحرر الأمين مرة أخرى . • RNH3+ Cl- + NaOH  RNH2 + NaCl + H2O • C6H5N+H3 +HSO4- + KOH C6H5NH2 + K2SO4 + H2O

30. 3 -الألكلة (Alkylation) • تتفاعل الأمينات ككواشف نيوكليوفيلية فعند أضافة أمين أولى الى ألكايل كلويد يحدث أستبدال نيوكليوفيلى و ينتج ملح داى ألكايل أمونيوم هيدروكلوريد الذى يمكن تحرير الأمين منه بأضافة محلول صوديوم كربونات. • RNH2 + RCl  RN+HR’.HCl  RNHR’ + NaCl + CO2 + H2O • كذلك يتفاعل الأمين الثانوى مع ألكايل كلوريد و ينتج ملح تراى ألكايل أمونيوم هيدروكلوريد الذى يمكن تحرير الأمين منه بأضافة محلول صوديوم كربونات. • R2NH + R’Cl  R2N+R’. HCl  R2NR’ + NaCl + CO2 + H2O

31. و كذلك يتفاعل الأمين الثالثى مع ألكايل هاليد و ينتج ملح تترا ألكايل أمونيوم هاليد . • R3N + R’Cl  R3N+R’ Cl- • و تكتسب الأمينات الآروماتية نفس التفاعلات الا أن فاعليتها نحو الألكايل هاليدات أقل من فاعلية الأمينات الأليفاتية (لماذا؟(

32. -4السلفونيلة (Sulfonylation) • تتفاعل كل من الأمينات الأولية و الثانوية عند معالجة كل منها بآرايل سلفونايل كلوريد فى وجود قاعدة و يتم أستبدال ذرة هيدروجين و ينتج مشتق السلفوناميد المقابل . أما الأمينات الثالثية فلا تتفاعل (لماذا؟). • RNH2 + ArSO2Cl + HO- RNHSO2Ar + H2O + Cl- • R2NH + ArSO2Cl + HO- R2NSO2Ar + H2O + Cl-

33. إختبار هنزبرج • يستخدم تفاعل السلفونيلة هذا فى التعرف على نوع أمين مجهول و ذلك لأن السلفوناميد الناتج من تفاعل أمين أولى يتفاعل كحامض و هو يذوب فى محلول صوديوم هيدروكسيد . • RNHSO2Ar + NaOH  RN-SO2Ar Na+ + H2O • أما السلفوناميد الناتج من تفاعل أمين ثانوى فلا يتفاعل كحامض (لماذا؟) و يعرف هذا الأختبار بأسم أختبار هنزبرج (Hinsburg test) . • فى هذا الأختبار يضاف بنزين سلفونايل كلويد الى الأمين المجهول فأذا حدث تفاعل و نتج راسب من سلفوناميد كان الأمين المجهول أولى أو ثانوى و أذا لم يحدث تفاعل كان الأمين ثالثى . • نضيف بعد ذلك محلول صوديوم هيدروكسيد الى راسب السلفوناميد فأذا ذاب كان الأمين أولى و أذا لم يذب كان الأمين ثانوى .

34. -5 الدياستزة (Diaztotization) • تتفاعل الأمينات الأليفاتية و الآروماتية الأولية مع حامضي النيتروز فى وجود حامض معدنى عند درجة 0 - 5 درجة مئوى و تكون أملاح الديازونيوم المقابلة و يتم التفاعل بالميكانيكية الموضحة :

35. و أيونات الديازونيوم الأليفاتية عادة تكون غير مستقرة حيث يفقد كل منها جزئ نيتروجين و ينتج أيون الكربوكاتيون المقابل و هذا الأخير يتفاعل مع النيوكليوفيلات (Cl- ; -OH) الموجودة فى خليط التفاعل أو تفقد بروتون -أذا سمح تركيبه بذلك - و يعطى الألكين أو الألكينات المقابلة .

36. أما أملاح اليازونيوم الآروماتية تكون أكثر أستقرارا و ذلك بسبب أقتران الشحنة الموجبة على النيتروجين مع الروابط باى على الحلقة الآروماتية و هذا الأقتران يؤدى الى عدم تمركز الشحنة الموجبة عن طريق الرنين و لذلك يمكن الأحتفاظ بها عند درجات الحرارة المنخفضة و أستخدامها فى تفاعلات أخرى سيأتى ذكرها فيما بعد.

37. و تتفاعل الأمينات الثانوية سواء كانت آروماتية أو أليفاتية و تعطى مشتقاتN- نيتروزوأمينات المقابلة التى تنفصل من وسط التفاعل على هيئة زيت أصفر اللون و يسمى التفاعل فى هذه الحالة بأسم تفاعل نترزة و يجب الحرص فى التعامل مع هذه المواد لأنها مواد سرطانية .

38. أما الأمينات الثالثية الآروماتية فتتفاعل مع حامض النيتروز و تعطى مشتقاتp- نيتروزو المقابلة .

39. 6 - تفاعلات أملاح الديازونيوم الأروماتية • تتميز أملاح الديازونيوم الآروماتية بالعديد من التفاعلات والتى عادة تقسم الى قسمين كالآتى : • (1) تفاعلات الأستبدال النيوكليوفيلى الآروماتى • (2) تفاعلات الأستبدال الألكتروفيلى الآروماتى (تفاعلات تزاوج الآزو)

40. (1) تفاعلات الأستبدال النيوكليوفيلى الآروماتى : • تتم هذه التفاعلات على الحلقة الآروماتية و فيها يحل النيوكليوفيل محل جزئ النيتروجين فى أيون الديازونيوم و هى تفاعلات هامة فى الأصطناع العضوى كما يتضح فى المخطط التالى :

41. (2) تفاعلات الأستبدال الألكتروفيلى الآروماتى ( تفاعلات تزاوج ألأزو) • تتفاعل أملاح الدايازونيوم مع الفينولات فى وسط قاعدى و كذلك مع الأمينات الآروماتية و تعطى نواتج آرايل آزوفينولات وآرايل آزوأمينات على التوالى. و المركبات الناتجة تكون ملونة و الكثير منها يستخدم فى صباغة الأقمشة بمختلف أنواعها وتعرف عادة بأسم صبغات الآزو و من أمثلتها 4- فنل آزوفينول (A) وp)- 4- سلفوكسى فنل آزو ) - N,N - داى ميثايل أنيلين (B) فى المخطط التالى .

43. -12 تفاعلات مركبات الكبريت • مركبات الكبريت التى سنتناول دراسة تفاعلا تها هى : • (1) الثيولات (R-SH) • (2) الثيو أسترات (R-CO-SH) • (3) أحماض سلفونيك (R-SO3H)

44. 12-1 الثيولات • (1) الحامضية : • تتأين الثيول فى الماء و ثابت التأين لها أكبر من ثابت تأين الألكحول المقابل • RSH  RS- + H3O+ • Ka = [RS-] [H3O+] / [RSH] • pKa (CH3CH2SH) = 8 ; pKa(CH3CH2OH) = 16

45. (2) الأكسدة : • تتأكسد الثيولات باليود و تعطى الداى كبريتيدات المقابلة . • 2 RSH + I2 R-S - S - R + 2HI • و تتأكسد الثيوأيثرات بهيدروجين بروكسيد عند (o25) و تعطى السلفوكسيدات و عند ( (o100 تعطى السلفونات المقابلة .

46. (3) الخاصية النيوكليوفيلية : • تتفاعل الثيولات كنيوكليوفيلات قوية فى الوسط القاعدى و تكون مركبات الأستبدال المقابلة فمثلا مع تتفاعل مع الألكايل هاليدات و تعطى الثيوأيثرات (A) و مع الآسايل كلوريدات و تعطى الثيوأسترات.(B)

47. و تتفاعل أيضا الثيوأيثرات كنيوكليوفيلات وتعطى أملاح السلفونيوم المقابلة . و تشبه تلك الأملاح أملاح الأمونيوم فعند تسخينها مع قاعدة قوية تعطى الألكينات المقابلة و تتبع فى ذلك قاعدة هوفمان حيث يتكون الألكين الأقل أستبدالا كما فى المثال التالى.

48. 2 -الثيوأسترات (Thioesters) • تتفاعل الثيوأسترات مثل الأسترات المقابلة حيث تتفاعل مع الأمينات و تكون الأميدات المقابلة و تتميه فى الماء فى وجود قاعدة كحافز و تعطى الثيولات و الأحماض المقابلة .

49. 3 -أحماض سلفونيك (Sulfonic Acids) • تكتسب الأحماض السلفونية تفاعلات مشابهة لتفاعلات الأحماض الكربوكسيلية : • فمثلا تتفاعل الأحماض مع القواعد و تكون الأملاح المقابلة . و حامضية الأحماض السلفونية أقوى من حامضية حامض الكربونيك .

50. و عند تسخين حامض سلفونيك مع ثيونايل كلوريد ينتج السلفونايل كلوريد المقابل و هذا الأخير يتفاعل مثل الآسايل كلوريدات مع الألكحولات و أمينات و الفينولات و يكون مركبات الأستبدال المقابلة .