náhled|vpravo|Obecný vzorec karboxylové kyseliny Karboxylové kyseliny jsou organické kyseliny, které obsahují karboxylovou skupinu −COOH. Karboxylové kyseliny, společně se svými solemi, tvoří nezbytnou součást všech živých organismů. Jsou to substráty klíčových metabolických dějů a aminokyselin, tedy kyselin, které kromě karboxylové skupiny obsahují ještě skupinu aminovou (NH2), jsou základním stavebním kamenem bílkovin.
Charakteristika V porovnání s minerálními kyselinami jsou kyselinami výrazně slabšími. Pro srovnání: (první) disociační konstanta pKa nejsilnější karboxylové kyseliny, kyseliny šťavelové, je 1,27 zatímco pKa kyseliny sírové je −3,0. Míra kyselosti ještě klesá u vyšších homologů karboxylových kyselin. Je to dáno tím, že methylové skupiny působí kladným indukčním efektem, který stabilizuje protonovanou formu. Naopak destabilizuje iontovou formu kyseliny, protože zvětšuje její záporný náboj.
Při disociaci se odštěpuje proton z karboxylové skupiny a vzniká karboxylátový anion:
R−COOH + OH− → R−COO− + H2O
Hydroxylový aniont OH− vznikl disociací vody, druhým vzniklým iontem je oxoniový kationt H3O+. Po přídavku karboxylové kyseliny do vody se tedy disociací kyseliny a vznikem karboxylátového iontu odstraní část hydroxylových aniontů a vznikne přebytek oxoniových kationtů.
Protože koncentrace (přesněji aktivita) oxoniových iontů určuje pH roztoku, čím větší aktivita H3O+, tím nižší pH, jsou vodné roztoky karboxylových kyselin kyselé. Disociační konstanta vyjadřuje ochotu sloučeniny disociovat; protože karboxylové kyseliny disociují málo, výsledné pH nebude ale nikdy příliš nízké. Disociační konstantu lze poněkud zvýšit přítomností silných elektronegativních skupin na atomu uhlíku přímo sousedícího s karboxylovou skupinou, jako jsou halogenidy. To totiž způsobí posun náboje v molekule a atom vodíku se snadněji odštěpuje (např. kyselina trichloroctová je silnější než kyselina octová).
Fyzikální vlastnosti karboxylových kyselin jsou závislé na délce řetězce: Délka řetězce Skupenství Zápachkrátký řetězectěkavá kapalinazapáchajícídelší řetězechustá, olejovitá kapalina zapáchajícídlouhý řetězecpevná krystalická látka bez zápachu
Karboxylová skupina je polární a vytváří proto vodíkové můstky. Ty mají přímý vliv na body varu i tání. Body varu rostou s délkou řetězce. Kyseliny se sudým počtem uhlíků mají vyšší bod varu než nejbližší vyšší a nižší karboxylové kyseliny s lichým počtem uhlíků.
Podle podobnosti vyšších karboxylových kyselin s alkany získaly triviální název mastné kyseliny. Převažuje u nich lipofilní charakter a jsou tedy ve vodě nerozpustné. Dikarboxylové (např. kyselina šťavelová) nebo aromatické kyseliny (např. kyselina benzoová) jsou za laboratorních podmínek tuhé. Nasycené kyseliny – jsou kyseliny odvozené od nasycených uhlovodíků (mají ve svém řetězci pouze jednoduché vazby) Nenasycené kyseliny – jsou kyseliny odvozené od nenasycených uhlovodíků (mají ve svém řetězci alespoň jednu dvojnou nebo trojnou vazbu) Aromatické kyseliny – jsou kyseliny odvozené od aromatického jádra (např. benzen – kyselina benzoová)
Názvosloví Karboxylová skupina je v chemickém názvosloví organických sloučenin nejdůležitější skupinou. Proto se systematický název každé látky, která tuto skupinu obsahuje, skládá ze slova kyselina a přídavného jména s koncovkou -ová, resp. karboxylová. Jen když některá karboxylová skupina není započítána do základního řetězce, používá se předpona karboxy-.
Jejich molekuly mohou obsahovat také jiné funkční skupiny (substituční deriváty), např. již zmíněnou aminovou skupinu (aminokyseliny), hydroxylovou skupinu −OH (hydroxykyseliny), nebo halogen. Kyseliny, které mají více než jednu karboxylovou skupinu se nazývají polykarboxylové kyseliny.
Mnoho karboxylových kyselin má své triviální, častěji používané názvy. Například kyselina ethanová je častěji známa jako kyselina octová.
Vznik Karboxylové kyseliny vznikají z uhlovodíků postupnou oxidací přes alkohol a aldehyd: R−CH3 → R−CH2−OH → R−CH=O → R−COOH
Reakce karboxylových kyselin
Neutralizace Kromě výše popsané disociace mají karboxylové kyseliny ještě jednu schopnost neutralizace vlastní kyselým látkám: reagují se zásadou v reakci, při které vzniká voda a sůl kyseliny. Jedná se o vratnou reakci, sůl je totiž rozkládána vzniklou vodou. Soli vyšších karboxylových kyselin se nazývají mýdla. R−COOH + NaOH → R−COONa + H2O
Dekarboxylace Při dekarboxylaci karboxylová kyselina ztrácí karboxylovou skupinu:
HOOC−CH2−COOH → CH3−COOH + CO2
stejně tak při kvašení kyseliny pyrohroznové (ethanolové kvašení) dochází k zániku karboxylové skupiny a vzniku alkoholu (ethanolu): CH3COCOOH (+kvasinky, energie) → CH3CH2OH
Esterifikace
S alkoholy karboxylové kyseliny reagují za vzniku esterů. Reakce je zvláštní tím, že vodík OH skupiny alkoholů je kyselejší než karboxylová skupina, karboxylová kyselina se tedy v reakci chová jako zásada:
R−COOH + R'−OH → R−COOR' + H2O
Mezi estery patří velké množství látek používaných jako chuťové esence v potravinách, například rumová esence je chemicky ethylformiát. Naprostá většina lipidů jsou estery, nejčastější složka tuků a olejů je triacylglycerol, ester vyšších – mastných kyselin a trojsytného alkoholu glycerolu. Všeobecně známé jsou tyto tři vyšší mastné kyseliny – palmitová, stearová a olejová.
Dehydratace kys. ftalová za dodání tepla reaguje a vzniká anhydrid (ftalanhydrid) této kyseliny a voda
Oxidace oxiduje pouze kyselina mravenčí (HCOOH) za vzniku vody a CO2. Meziproduktem je kyselina uhličitá.
Redukce opačný „chod“ vzniku karbonylových sloučenin
Výskyt v přírodě Karboxylové kyseliny jsou nepostradatelnou složkou živých organismů. Aminokyseliny jsou základem proteinů, tedy i enzymů, které umožňují složité metabolické procesy. Estery ve formě triacylglycerolů i dalších – tedy tuky a oleje – mají zásobní i strukturní funkci. Kyselina mravenčí je obsažena v kopřivách a jako svůj jed ji používají mravenci, včely a vosy. Kyselina octová vzniká při hnití rostlinných i živočišných produktů. Mnoho těchto kyselin je obsaženo také v ovoci a zelenině, například kyselina šťavelová, jablečná nebo vinná.
Jedna z metabolických drah, cyklus trikarboxylových kyselin, je ústředním centrem anabolických i katabolických procesů v těle. Aktivovaná kyselina octová, acetyl-CoA, je klíčovým substrátem nesoucím energii.
Využití
Potravinářství Mnoho karboxylových kyselin a jejich esterů má využití v potravinářství: zředěná kyselina octová – ocet – se používá jako okyselující i konzervační přísada. Hrušková a malinová esence jsou estery octové kyseliny. Kyselina mléčná dodává chuť kysanému zelí i kyselým okurkám. Kyselina vinná, která se nachází ve zralém ovoci, se používá jako ochucovadlo ovocných nápojů, kterým dodává ovocnou chuť. Podobně se používá kyselina citrónová, která slouží i jako konzervační prostředek.
Výroba léčiv Farmaceutický průmysl využívá kyseliny octové i mléčné, kyselina vinná slouží jako dávivý kámen. Kyselina salicylová a zvláště její ester, kyselina acetylsalicylová, jsou významným lékem proti zánětu a horečce (nesteroidní antiflogistika). Kyselina acetylsalicylová je účinnou látkou aspirinu.
Textilní průmysl Umělé, acetátové hedvábí je esterem kyseliny octové. Z kyseliny tereftalové se vyrábí umělé vlákno terilen.
Přehled karboxylových kyselin
Nasycené monokarboxylové kyseliny Triviální název Systematický název Latinský název Vzorec Anion* kyselina mravenčí methanová kyselina acidum formicum HCOOH formiát kyselina octováethanová kyselina acidum aceticum CH3COOH acetát kyselina propionovápropanová kyselina acidum propionicum CH3CH2COOH propionát kyselina máselnábutanová kyselina acidum butyricum CH3[CH2]2COOH butyrát kyselina valerovápentanová kyselina acidum valericum CH3[CH2]3COOH valerát kyselina kapronováhexanová kyselina acidum capronicum CH3[CH2]4COOH kapronát kyselina enanthováheptanová kyselina acidum enanthicum CH3[CH2]5COOH enanthát kyselina kaprylováoktanová kyselina acidum caprylicum CH3[CH2]6COOH kaprylát kyselina pelargonovánonanová kyselina acidum pelargonicum CH3[CH2]7COOH pelargonát kyselina kaprinovádekanová kyselina acidum caprinicum CH3[CH2]8COOH kaprinát kyselina undecylováundekanová kyselina acidum undecylicum CH3[CH2]9COOH undecylát kyselina laurovádodekanová kyselina acidum lauricum CH3[CH2]10COOH laurát kyselina tridecylová kyselina tridekanová acidum tridecylicum CH3[CH2]11COOH tridecylát kyselina myristovátetradekanová kyselina acidum myristicum CH3[CH2]12COOH myristát kyselina pentadecylová kyselina pentadekanová acidum pentadecylicum CH3[CH2]13COOH pentadecylát kyselina palmitováhexadekanová kyselina acidum palmiticum CH3[CH2]14COOH palmitát kyselina heptadecylová kyselina heptadekanová acidum heptadecylicum CH3[CH2]15COOH heptadecylát kyselina stearováoktadekanová kyselina acidum stearicum CH3[CH2]16COOH stearát kyselina nonadecylová kyselina nonadekanová acidum nonadecylicum CH3[CH2]17COOH nonadecylát kyselina arachidová ikosanová kyselina acidum arachidicum CH3[CH2]18COOH arachidát tyto názvy jsou odvozené od latinských názvů kyselin, názvy odvozené od českých názvů mají koncovku „-an“ (např.: octan)
Nasycené dikarboxylové kyseliny Triviální název Systematický název Latinský název Vzorec Anion* kyselina šťavelová ethandiová kyselina acidum oxalicum (COOH)2 oxalát kyselina malonová propandiová kyselina acidum malonicum HOOCCH2COOH malonát kyselina jantarová butandiová kyselina acidum succinicum HOOC[CH2]2COOH sukcinát kyselina glutarová pentandiová kyselina acidum glutaricum HOOC[CH2]3COOH glutarát kyselina adipová hexandiová kyselina acidum adipicum HOOC[CH2]4COOH adipát kyselina pimelová heptandiová kyselina acidum pimelicum HOOC[CH2]5COOH pimelát kyselina suberová oktandiová kyselina acidum subericum HOOC[CH2]6COOH suberát kyselina azelaová nonandiová kyselina acidum azelaicum HOOC[CH2]7COOH azelát kyselina sebaková dekandiová kyselina acidum sebacicum HOOC[CH2]8COOH sebakát tyto názvy jsou odvozené od latinských názvů kyselin, názvy odvozené od českých názvů mají koncovku „-an“ (např.: šťavelan)
Mononenasycené monokarboxylové kyseliny Triviální název Systematický název Latinský název Vzorec Anion kyselina akrylová propenová kyselina acidum acrylicum CH2=CH−COOH akrylát kyselina methakrylová2-methylpropenová kyselina acidum methacrylicum CH2=C(CH3)COOH methakrylát kyselina krotonovátrans-but-2-enová kyselina acidum crotonicum CH3−CH=CH−COOH krotonát kyselina palmitoolejovácis-hexadec-9-enová kyselina acidum palmitooleicum CH3[CH2]5CH=CH[CH2]7COOH palmitooleát kyselina olejovácis-oktadec-9-enová kyselina acidum oleicum CH3[CH2]7CH=CH[CH2]7COOH oleát kyselina elaidovátrans-oktadec-9-enová kyselina acidum elaidicum CH3[CH2]7CH=CH[CH2]7COOH elaidát kyselina erukovácis-dokos-13-enová kyselina acidum erucicum CH3[CH2]7CH=CH[CH2]11COOH erukát
Polynenasycené monokarboxylové kyseliny Triviální název Systematický název Latinský název Vzorec Anion kyselina linolová cis,cis-oktadeka-9,12-dienová kyselina acidum linoleicum CH3[CH2]4CH=CHCH2CH=CH[CH2]7COOH linoleát kyselina gama-linolenovácis,cis,cis-oktadeka-6,9,12-trienová kyselina acidum gama-linolenicum CH3[CH2]4CH=CH−CH2CH=CHCH2CH=CH[CH2]4COOH gama-linolenát kyselina alfa-linolenovácis,cis,cis-oktadeka-9,12,15-trienová kyselina acidum alfa-linolenicum CH3CH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH[CH2]7COOH alfa-linolenát kyselina arachidonovácis,cis,cis,cis-eikosa-5,8,11,14-tetraenová kyselina acidum arachidonicum CH3[CH2]4CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH[CH2]3COOH extra zkráceně: CH3[CH2]4[CH=CHCH2]4[CH2]2COOH arachidonát
Nenasycené polykarboxylové kyseliny Triviální název Systematický název Latinský název Vzorec Anion kyselina maleinová cis-butendiová kyselina acidum maleinicum HOOC−CH=CH−COOH maleinát kyselina fumarovátrans-butendiová kyselina acidum fumaricum HOOC−CH=CH−COOH fumarát kyselina akonitovápropen-1,2,3-trikarboxylová kyselina acidum aconiticum HOOC−CH2(COOH)C=CH−COOH akonitát
Aromatické karboxylové kyseliny