Οι Στόχοι

Στο τέλος αυτής της διδακτικής ενότητας θα πρέπει να μπορείς:

• Να ταξινομείς τα καρβοξυλικά οξέα σε διάφορες κατηγορίες π.χ. ανάλογα με τον αριθμό των καρβοξυλίων που περιέχουν στο μόριό τους.
• Να αναφέρεις τις σημαντικότερες παρασκευές και χημικές ιδιότητες των κορεσμένων μονοκαρβοξυλικών οξέων (ειδικότερα του οξικού οξέος), γαλακτικού οξέος και βενζοϊκού οξέος, γράφοντας τις αντίστοιχες χημικές εξισώσεις. Να επιλύεις προβλήματα στοιχειομετρίας που βασίζονται στις προηγούμενες χημικές εξισώσεις.
• Nα εκθέτεις τις σημαντικότερες χρήσεις των παραπάνω οξέων.

Εισαγωγή

Σε προηγούμενα κεφάλαια αναφερθήκαμε σε οργανικές ενώσεις που παρουσιάζουν όξινο χαρακτήρα (π.χ. φαινόλες). Όμως αναμφισβήτητα τα σημαντικότερα οργανικά οξέα είναι αυτά που περιέχουν τη ρίζα καρβοξύλιο -COOH. Τα οργανικά αυτά οξέα ονομάζονται καρβοξυλικά οξέα.

Μία από τις χαρακτηριστικές ιδιότητες των οξέων είναι η ξινή (όξινη) γεύση, από την οποία πήραν και το όνομά τους. Από τα οργανικά οξέα πολύ γνωστά είναι:
το αιθανικό ή οξικό οξύ που βρίσκεται στο ξίδι	CH3COOH
το 2-υδροξυπροπανικό οξύ ή γαλακτικό οξύ που βρίσκεται στο γιαούρτι
το βενζοϊκό οξύ είναι αρωματικό οξύ και χρησιμοποιείται ως συντηρητικό τροφίμων (με τον κωδικό Ε120)
το τρυγικό οξύ βρίσκεται στο κρασί και στα αναψυκτικά.
το κιτρικό οξύ βρίσκεται στους χυμούς των εσπεριδοειδών και στα αναψυκτικά.

Ταξινόμηση

Τα καρβοξυλικά οξέα μπορούν να διακριθούν

• Σε μονοκαρβοξυλικά, δικαρβοξυλικά, τρικαρβοξυλικά κ.λπ., ανάλογα με τον αριθμό των καρβοξυλίων που περιέχουν στο μόριό τους,
  

  π.χ. CH3COOH αιθανικό ή οξικό οξύ (μονοκαρβοξυλικό)

  αιθανοδιικό ή οξαλικό οξύ (δικαρβοξυλικό)

• Σε κορεσμένα ή ακόρεστα ανάλογα με τον τρόπο που συνδέονται τα άτομα του άνθρακα μεταξύ τους.
  

  π.χ. CH3CH2CH2COOH και βουτανικό ή βουτυρικό οξύ  (κορεσμένο μονοκαρβοξυλικό)

  CH2=CHCOOH προπενικό ή ακρυλικό οξύ (ακόρεστο μονοκαρβοξυλικό)

• Σε αλειφατικά (άκυκλα) και αρωματικά ανάλογα αν έχουν βενζολικό ή όχι δακτύλιο

  π.χ. CH3CH2CH2COOH βουτανικό ή βουτυρικό οξύ

  C6Η5COOH ή βενζοϊκό οξύ

Τέλος, υπάρχουν διάφορα παράγωγα των καρβοξυλικών οξέων ανάλογα με τη χαρακτηριστική ομάδα (εκτός του καρβοξυλίου) που έχουν. Παράδειγμα τέτοιων οξέων είναι τα:

Κορεσμένα υδροξυκαρβοξυλικά οξέα, που περιέχουν υδροξύλιο:

π.χ. 2-υδροξυπροπανικό οξύ ή γαλακτικό οξύ

Αμινοξέα: π.χ. αμινοαιθανικό οξύ ή γλυκίνη

Χλωροξέα: π.χ. χλωροαιθανικό οξύ

Γενικά

Τα κορεσμένα μονοκαρβοξυλικά οξέα προκύπτουν θεωρητικά από τα αλκάνια, αν αντικαταστήσουμε ένα άτομο υδρογόνου με τη ρίζα καρβοξύλιο -COOH. Έχουν το γενικό τύπο:

Για την ονομασία κατά IUPAC ενός οξέος δεν πρέπει να ξεχνάμε ότι το άτομο άνθρακα του καρβοξυλίου αποτελεί μέρος της ανθρακικής αλυσίδας και χαρακτηρίζει την υπ´ αριθμό 1 θέση αυτής. Επίσης ότι η χαρακτηριστική κατάληξη της ονομασίας για τα οξέα είναι -ικό οξύ.

π.χ.	2-μεθυλοπεντανικό οξύ
	2-αιθυλοπεντανικό οξύ

Πολλά από τα αλειφατικά καρβοξυλικά οξέα ήταν γνωστά εδώ και πολλά χρόνια γι´ αυτό και έχουν κοινά ονόματα (εμπειρικά), που αναφέρονται πολλές φορές στην προέλευσή τους και όχι στη χημική τους δομή. Η «εμπειρική» αυτή ονομασία είναι σε ορισμένες περιπτώσεις επίσημα αποδεκτή από την IUPAC. Τα σημαντικότερα κορεσμένα μονοκαρβοξυλικά οξέα αναφέρονται στον ακόλουθο πίνακα:

ΠΙΝΑΚΑΣ 4.1: Ονομασίες κορεσμένων μονοκαρβοξυλικών οξέων

Τύπος	Όνομα IUPAC	Κοινό Όνομα
HCOOH	μεθανικό οξύ	μυρμηκικό
CH3COOH	αιθανικό οξύ	οξικό
CH3CH2COOH	προπανικό οξύ	προπιονικό
CH3CH2CH2COOH	βουτανικό οξύ	βουτυρικό
	μεθυλοπροπανικό οξύ	ισοβουτυρικό
CH3(CH2)14COOH	δεκαεξανικό οξύ	παλμιτικό
CH3(CH2)16COOH	δεκαοκτανικό οξύ	στεατικό

Το σημαντικότερο μέλος της σειράς είναι το αιθανικό ή οξικό οξύ (CH₃COOH), το οποίο και θα εξεταστεί αναλυτικότερα

Παρασκευές

Βιομηχανική παρασκευή

• Το «βιομηχανικό» οξικό οξύ, που αποβλέπει στη σύνθεση άλλων προϊόντων, όπως π.χ. του πολυοξικού βινυλεστέρα παρασκευάζεται 
α. με καταλυτική οξείδωση αλκανίων (π.χ. βουτάνιο C₄H₁₀)
β. με καταλυτική οξείδωση ακεταλδεΰδης.
CH₃CHO + ½O₂→ CH₃COOH
γ. από μεθανόλη με επίδραση CO παρουσία καταλυτών

• Το ξίδι είναι διάλυμα οξικού οξέος, το οποίο παρασκευάζεται από τη ζύμωση κρασιού ή άλλου αλκοολούχου ποτού μικρής περιεκτικότητας σε οινόπνευμα (περίπου 5%-8%). Κατά τη διεργασία αυτή λαμβάνει χώρα οξείδωση της αιθυλικής αλκοόλης προς οξικό οξύ παρουσία του ενζύμου αλκοολοξειδάση.

CH₃CH₂OH + O₂ CH₃COOH + H₂O

αιθανόλη (στο κρασί) οξικό οξύ (στο ξίδι)

• Από τα ζωικά ή φυτικά λίπη μπορούμε με κατάλληλη διεργασία να πάρουμε τα ανώτερα μέλη της σειράς με μεγάλη καθαρότητα.

Στο εργαστήριο

• Με οξείδωση της αιθυλικής αλκοόλης με τα κατάλληλα οξειδωτικά μέσα.

CH₃CH₂OH + 2[O] ---> CH₃COOH + H₂0

• Με υδρόλυση του CH₃CN (αιθανονιτρίλιο ή μεθυλοκυανίδιο). Η υδρόλυση γίνεται παρουσία οξέος ή βάσης.

CH₃CN + 2H₂0 CH₃COOH + NH₃↑

Οι δύο αυτές παρασκευές οξικού οξέος μπορούν κάλλιστα να εφαρμοστούν για την παρασκευή κι άλλων κορεσμένων μονοκαρβοξυλικών οξέων.

Φυσικές Ιδιότητες

Το οξικό οξύ και τα κατώτερα μέλη της ομόλογης σειράς, όπως το HCOOH (μεθανικό) και CH₃CH₂COOH (προπανικό) είναι υγρά που διαλύονται εύκολα στο νερό και έχουν χαρακτηριστική οσμή ξιδιού. Τα μέσα μέλη C₄-C₈ είναι υγρά με βαριά δυσάρεστη οσμή (το βουτυρικό οξύ μυρίζει σαν ταγγισμένο βούτυρο) και λίγο διαλυτά στο νερό. Τα ανώτερα μέλη είναι στερεά, αδιάλυτα στο νερό και άοσμα. Τα καρβοξυλικά οξέα γενικά διαλύονται στον αιθέρα και σε άλλους οργανικούς διαλύτες.

ΣΧΗΜΑ 3.3 Το οξικό οξύ εμφανίζει ασυνίθιστα υψηλό σημείο τήξεως σε σχέση με άλλες ενωσεις με τον ίδιο αριθμό ατόμων άνθρακα.

Χημικές Ιδιότητες

• Όξινος χαρακτήρας. Αυτός εκφράζει το σύνολο των ιδιοτήτων που οφείλονται στην ικανότητα των οξέων να δημιουργούν σε υδατικά διαλύματα κατιόντα Η⁺. Οι ιδιότητες αυτές των οξέων είναι:

1 Έχουν ξινή γεύση και αλλάζουν το χρώμα των δεικτών.

2 Αντιδρούν με βάσεις και βασικά οξείδια.

CH₃COOH + NaOH → CH₃COONa + H₂O

Γενικά RCOOH + NaOH → RCOONa + H₂O

2CH₃COOH + CaO → (CH₃COO)₂Ca + H₂O

Γενικά 2RCOOH + CaO → (RCOO)₂Ca + H₂O

3 Διασπούν τα ανθρακικά άλατα και ελευθερώνουν CO₂ (ανίχνευση οξέων).

2CH₃COOH + Na₂CO₃ → 2CH₃COONa + H₂O + CO₂↑

Γενικά 2RCOOH + Na₂CO₃ → 2RCOONa + H₂O + CO₂↑

4 Αντιδρούν με μέταλλα δραστικότερα από το Η.

2CH₃COOH + Mg → (CH₃COO)₂Mg + H₂↑

Γενικά 2RCOOH + Mg → (RCOO)₂Mg + H₂↑

• Εστεροποίηση. Τα κορεσμένα μονοκαρβοξυλικά οξέα, όπως ήδη γνωρίζουμε, αντιδρούν με αλκοόλες σε όξινο περιβάλλον και δίνουν εστέρες π.χ.

Χρήσεις

Το ξίδι, που χρησιμοποιούμε καθημερινά στο τραπέζι μας, είναι διάλυμα οξικού οξέος (περίπου 5% w/v). Το ξίδι χρησιμοποιείται επίσης στη βιομηχανία τροφίμων για τη συντήρηση τροφίμων (τουρσιά, ελιές κ.λπ.)

Το οξικό οξύ χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανία ως πρώτη ύλη:

α. στη βαφική για τη στερέωση των χρωμάτων στις ίνες.

β. στην παρασκευή τεχνητής μέταξας (οξική κυτταρίνη).

γ. στη βιομηχανία φαρμάκων (ασπιρίνη) και άλλων χημικών ουσιών (ακετόνη, εστέρες κ.α.)

Στον πίνακα που ακολουθεί συνοψίζονται οι σημαντικότερες βιομηχανικές παρασκευές και χρήσεις του οξικού οξέος.