-9تفاعلات الأحماض الكربوكسيلية

-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 .

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 :

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)

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

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 .

(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

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 :

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 و يرجع ذلك الى التأثيرات الفراغية ( كيف ؟ .( و لا تتفاعل الفينولات مع الأحماض الكربوكسيلية مباشرة (لماذا؟).

-3 التفاعل 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

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

-4 تكوين الأنهيدريدات عند تسخين حامض كربوكسيليك 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 .

-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 .

-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 .

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 .

-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 .

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

-2 الأسترة 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.

-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 .

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

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

-11 تفاعلات الأمينات

-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) = 3.40 pKb(aniline) = 9.40

(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 .

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

-2تكوين الأملاح RNH2 + HCl  RN+H3 Cl- 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

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 +

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؟(

-4 السلفونيلة (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-

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 .

-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 :

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 .

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.

و تتفاعل الأمينات الثانوية سواء كانت آروماتية أو أليفاتية و تعطى مشتقات N- 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 .

أما الأمينات الثالثية الآروماتية فتتفاعل مع حامض النيتروز و تعطى مشتقات p- نيتروزو المقابلة .

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)

(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 :

(2) تفاعلات الأستبدال الألكتروفيلى الآروماتى ( تفاعلات تزاوج ألأزو) (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) و p)- 4- سلفوكسى فنل آزو ) - N,N - داى ميثايل أنيلين (B) فى المخطط التالى .

-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)

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

(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 .

(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)

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.

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 .

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 .

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 .

و يمكن أستبدال مجموعة السلفو فى حامض السلفونيك بذرة هيدروجين بتسخين الحامض مع بخار الماء. كذلك يمكن أستبدال مجموعة السلفو هذه بمجموعة هيدروكسى و ذلك بصهرالحامض مع صوديوم هيدروكسيد و معادلة ملح الفينول الناتج بحامض معدنى .