Karbonskābes

Karbonskābes (organiskās skābes) ir organiskas vielas, kuru molekulas satur karboksilgrupu −COOH. Šķīdumā H atoms var tikt atšķelts, veidojot ūdeņraža jonu jeb protonu.

Karbonskābju iedalījums

Pēc ogļūdeņraža atlikuma:
- Piesātinātās karbonskābes (taukskābes)
- Nepiesātinātās karbonskābes
- Aromātiskās karbonskābes
Pēc karboksilgrupu skaita
- Vienvērtīgās
- Vairākvērtīgās
Pēc aizvietotājiem ogļūdeņraža atlikumā:
- Aminoskābes - viens vai vairāki ūdeņraža atomi ir aizvietoti ar aminogrupu
- Hidroksikarbonskābes - viens vai vairāki ūdeņraža atomi ir aizvietoti ar hidroksilgrupu
- Halogēnkarbonskābes - viens vai vairāki ūdeņraža atomi ir aizvietoti ar halogēna atomu.

Aminoskābju molekulās, ja starp karboksilgrupu un aminogrupu ir pietiekoši liels attālums (pietiekoši gara oglekļa atomu virkne), var izveidoties iekšmolekulārais sāls (betaīns).

Ja karboksilgrupas hidroksilgrupu aizvieto ar aminogrupu, iegūst amīdu, ja to hidroksilgrupu aizvieto ar halogēna atomu, iegūst halogēnanhidrīdu, ja no divām karboksilgrupām atšķeļ ūdeni, iegūst anhidrīdu.

Fizikālās īpašības

Vienkāršākās piesātinātās karbonskābes ir mazviskozi šķidrumi ar asu smaku, tālākās - eļļaini šķidrumi ar nepatīkamu smaku. Sākot no kaprīnskābes (piesātinātā karbonskābe ar 10 oglekļa atomiem molekulā), augstākās karbonskābes ir cietas vielas bez smaržas. Ūdenī neierobežoti šķīst tikai skudrskābe, etiķskābe un propionskābe; tālākajām skābēm šķīdība strauji samazinās. Taukskābes ir ūdenī nešķīstošas.

Kušanas temperatūra karbonskābēm pieaug līdz ar oglekļa atomu skaitu molekulā, taču šis pieaugums nav vienmērīgs. Karbonskābēm, kurām oglekļa atomu skaits molekulā ir pāra skaitlis, kušanas temperatūra ir augstāka nekā aiz tām sekojošām karbonskābēm, kam oglekļa atomu skaits ir par vienu lielāks (nepāra skaitlis). Šāda savdabīga pāra un nepāra karbonskābju atšķirība parādās ne tikai kušanas temperatūrās, bet arī to ķīmiskajās un bioloģiskajās īpašībās.

Ķīmiskās īpašības

Karbonskābes spēj reaģēt ar metāliem vai metālu bāziskajiem hidroksīdiem, veidojot karbonskābju sāļus:

2 CH₃COOH + Mg → (CH₃COO)₂Mg + H₂

CH₃COOH + NaOH → CH₃COONa + H₂O

Karbonskābes var izspiest vājākas skābes no to sāļiem:

CH₃COOH + NaHCO₃ → CH₃COONa + H₂CO₃ (H₂CO₃ pēc tam sadalās par ogļskābo gāzi un ūdeni)

Skāba katalizatora klātienē karbonskābes reaģē ar spirtiem, veidojot esterus:

CH₃COOH + СН₃СН₂ОН → CH₃COOСН₂СН₃ + H₂O

Karsējot karbonskābju amonija sāļus, veidojas karbonskābju amīdi:

CH₃COONH₄ → CH₃CONH₂ + H₂O

Tionilhlorīda SOCl₂ iedarbībā karbonskābes pārvēršas par karbonskābju hloranhidrīdiem.

Karbonskābes var reducēt, t.i. pārvērst tās spirtos, izmantojot LiAlH₄.

Aciditāte

Monokarbonskābēm saites O−H jonizācija notiek vieglāk nekā spirtiem, jo karbonilgrupas ietekmē alkānskābju molekulās šī saite pārtrūkst daudz vieglāk. Alkānskābju ūdens šķīdumos indikators uzrāda skābu vidi, tātad alkānskābes disociē jonos, atšķeļot protonu, kas ūdenī veido hidroksonija jonu. Atbilstošā (sajūgtā) bāze, kas rodas, ir karboksilātjons.

No karboksilātjona struktūrformulas izriet, ka karboksilātjonā, mijiedarbojoties divkāršās saites C=O π elektroniem ar otra skābekļa atoma p elektronu pāri, savstarpēji pārklājas trīs p orbitāles un veidojas vienota, izlīdzināta četru elektronu sistēma. Elektronu orbitāļu pārklāšanās notiek abpus molekulas plaknei. Atšķirībā no brīvas karboksilgrupas elektronu delokalizācijas pakāpes, karboksilātanjonā veidojas pilnībā delokalizēta π elektronu sistēma, kas nodrošina karboksilātjona stabilitāti.

Alkānskābju homologu rindā, pieaugot molekulmasai, skābju stiprums nedaudz samazinās. Visstiprākā no neaizvietotajām alkānskābēm ir skudrskābe. Alkānskābju pKa vērtību atšķirības homologu rindā izskaidrojamas ar alkilgrupu pozitīvo indukcijas efektu (+I), kas samazina O−H saites polaritāti un līdz ar to skābes stiprumu (aciditāti).

Karbonskābēm, kuru pKa ir 4−5, disociācijas reakcijas līdzsvars ūdens šķīdumā ir stipri novirzīts pa kreisi, t. i., nedisociējušās skābes virzienā. Ja alkilgrupā ir aizvietotājs ar negatīvu indukcijas efektu (−I), piemēram, halogēna atoms, tad alkānskābes aciditāte ir lielāka. Alkānskābes, kuru alkilgrupā α-stāvoklī ir vairāki aizvietotāji ar spēcīgu negatīvo indukcijas efektu, stipruma ziņā līdzīgas stiprām neorganiskajām skābēm. Viena no visstiprākajām aizvietotajām alkānskābēm ir trihloretiķskābe. Trihloretiķskābe ir 7000 reižu stiprāka skābe nekā etiķskābe. Šīs likumsakarības darbojas arī arēnkarbonskābju gadījumā, piemēram, 4-metoksibenzoskābe ir vājāka skābe nekā 4-nitrobenzoskābe. Jāņem vērā ir arī aizvietotāju savstarpējais izvietojums. Piemēram, o-hidroksibenzoskābes jeb salicilskābes molekulā veidojas iekšmolekulāra ūdeņraža saite un notiek karboksilātjona stabilizācija — pKa ir 2,98, salīdzinot m- un p- izomēriem, kam pKa ir ~4.

Skābju aciditāte ir svarīga īpašība, kas nosaka vielu transportu caur bioloģiskām membrānām, tajā skaitā arī farmakoloģisko līdzekļu pārvietošanos organismā. Eksperimentāli ir pierādīts, ka skābes parasti iet caur šūnu membrānām nejonizētā formā. Piemēram, aspirīns, kas uzskatāms par vāju skābi (pKa=3,6), kuņģī ir jonizētā formā, bet zarnu traktā nejonizētā formā. Līdz ar to uzsūkšanās notiek tieši no zarnu trakta. Aciditāte nosaka arī vielu izvadīšanos, jo urīnam arī ir vāji skāba reakcija.