- Eigenschappen van anhydriden
- Chemische reacties
- Hydrolyse
- Verestering
- Amidering
- Hoe worden anhydriden gevormd?
- Cyclische anhydriden
- Nomenclatuur
- Toepassingen
- Organische anhydriden
- Voorbeelden
- Barnsteenzuuranhydride
- Glutaarzuuranhydride
- Referenties
De anhydriden zijn chemische verbindingen die voortkomen uit de vereniging van twee moleculen door water vrij te geven. Het kan dus worden gezien als een uitdroging van de oorspronkelijke stoffen; hoewel het niet helemaal waar is.
In de organische en anorganische chemie worden ze genoemd, en in beide takken verschilt hun begrip aanzienlijk. In de anorganische chemie worden de basische en zure oxiden bijvoorbeeld beschouwd als de anhydriden van respectievelijk hun hydroxiden en zuren, aangezien de eerste reageren met water om de laatste te vormen.
Algemene structuur van anhydriden. Bron: DrEmmettBrownie, van Wikimedia Commons
Hier kan verwarring ontstaan tussen de termen 'watervrij' en 'anhydride'. Over het algemeen verwijst watervrij naar een verbinding waaraan het is gedehydrateerd zonder veranderingen in de chemische aard ervan (er is geen reactie); terwijl er met een anhydride een chemische verandering is, weerspiegeld in de moleculaire structuur.
Als de hydroxiden en zuren worden vergeleken met hun overeenkomstige oxiden (of anhydriden), zal men zien dat er een reactie heeft plaatsgevonden. Daarentegen kunnen sommige oxiden of zouten worden gehydrateerd, water verliezen en dezelfde verbindingen blijven; maar zonder water, dat wil zeggen watervrij.
In de organische chemie wordt met anhydride daarentegen de oorspronkelijke definitie bedoeld. Een van de bekendste anhydriden is bijvoorbeeld de anhydriden die zijn afgeleid van carbonzuren (bovenste afbeelding). Deze bestaan uit de vereniging van twee acylgroepen (-RCO) via een zuurstofatoom.
In zijn algemene structuur R 1 is geïndiceerd voor een acylgroep, en R 2 de tweede acylgroep. Omdat R 1 en R 2 verschillend zijn, ze komen uit verschillende carbonzuren en vervolgens een asymmetrisch anhydride. Als beide R-substituenten (al dan niet aromatisch) hetzelfde zijn, spreken we in dit geval van een symmetrisch zuuranhydride.
Wanneer twee carbonzuren binden om het anhydride te vormen, kan water zich wel of niet vormen, evenals andere verbindingen. Alles hangt af van de structuur van deze zuren.
Eigenschappen van anhydriden
De eigenschappen van anhydriden zijn afhankelijk van de soorten waarnaar u verwijst. De meeste hebben gemeen dat ze reageren met water. Echter, voor de zogenaamde basische anhydriden in anorganisch, zijn er in feite verscheidene zelfs onoplosbaar in water (MgO), dus deze verklaring zal zich richten op de anhydriden van carbonzuren.
Het smelt- en kookpunt ligt in de moleculaire structuur en in de intermoleculaire interacties voor (RCO) 2 O, dit is de algemene chemische formule van deze organische verbindingen.
Als de molecuulmassa van (RCO) 2 O laag is, is het waarschijnlijk een kleurloze vloeistof bij kamertemperatuur en druk. Zo is azijnzuuranhydride (of ethaanzuuranhydride), (CH 3 CO) 2 O, een vloeistof en de vloeistof van het grootste industriële belang, aangezien de productie ervan zeer groot is.
De reactie tussen azijnzuuranhydride en water wordt weergegeven door de volgende chemische vergelijking:
(CH 3 CO) 2 O + H 2 O => 2CH 3 COOH
Merk op dat wanneer het watermolecuul wordt toegevoegd, er twee moleculen azijnzuur vrijkomen. De omgekeerde reactie kan echter niet plaatsvinden voor azijnzuur:
2CH 3 COOH => (CH 3 CO) 2 O + H 2 O (Komt niet voor)
Het is noodzakelijk om een andere synthetische route te gebruiken. Dicarbonzuren daarentegen kunnen dit doen door verhitting; maar het zal in de volgende sectie worden uitgelegd.
Chemische reacties
Hydrolyse
Een van de eenvoudigste reacties van anhydriden is hun hydrolyse, die zojuist is aangetoond voor azijnzuuranhydride. Naast dit voorbeeld is er dat van zwavelzuuranhydride:
H 2 S 2 O 7 + H 2 O <=> 2H 2 SO 4
Hier heb je een anorganisch zuuranhydride. Merk op dat voor H 2 S 2 O 7 (ook wel disulfuric acid genoemd) de reactie omkeerbaar is, dus het verhitten van geconcentreerd H 2 SO 4 geeft aanleiding tot de vorming van zijn anhydride. Als, aan de andere kant is een verdunde oplossing van H 2 SO 4 , SO 3 , zwavelzuuranhydride , vrijkomt .
Verestering
Zuuranhydriden reageren met alcoholen, met pyridine ertussen, om een ester en een carbonzuur te geven. Beschouw bijvoorbeeld de reactie tussen azijnzuuranhydride en ethanol:
(CH 3 CO) 2 O + CH 3 CH 2 OH => CH 3 CO 2 CH 2 CH 3 + CH 3 COOH
Aldus de ethylethanoaatester, CH 3 CO 2 CH 2 CH 3 en ethaanzuur (azijnzuur) gevormd.
Wat er praktisch gebeurt, is de vervanging van de waterstof van de hydroxylgroep door een acylgroep:
R 1 -OH => R 1 -OCOR 2
In het geval van (CH 3 CO) 2 O is de acylgroep -COCH 3 . Daarom wordt gezegd dat de OH-groep acylering ondergaat. Acylering en verestering zijn echter geen uitwisselbare concepten; acylering kan direct plaatsvinden op een aromatische ring, bekend als de Friedel-Crafts-acylering.
Zo worden alcoholen in aanwezigheid van zuuranhydriden veresterd door acylering.
Aan de andere kant reageert slechts één van de twee acylgroepen met de alcohol, de andere blijft bij de waterstof en vormt een carbonzuur; dat in het geval van (CH 3 CO) 2 O, dit ethaanzuur is.
Amidering
Zuuranhydriden reageren met ammoniak of aminen (primair en secundair) om amiden te vormen. De reactie lijkt erg op de verestering die zojuist is beschreven, maar de ROH is vervangen door een amine; bijvoorbeeld een secundair amine, R 2 NH.
Nogmaals, de reactie tussen (CH 3 CO) 2 O en diethylamine, Et 2 NH wordt beschouwd als:
(CH 3 CO) 2 O + 2Et 2 NH => CH 3 CONEt 2 + CH 3 COO - + NH 2 Et 2
En diethylaceetamide, CH 3 CONEt 2 , en een gecarboxyleerd ammoniumzout, CH 3 COO - + NH 2 Et 2 worden gevormd .
Hoewel de vergelijking misschien wat moeilijk te begrijpen lijkt, is het voldoende om te zien hoe de groep -COCH 3 de H van een Et 2 NH vervangt om het amide te vormen:
Et 2 NH => Et 2 NCOCH 3
In plaats van amidering is de reactie nog steeds acylering. Alles wordt in dat woord samengevat; deze keer ondergaat het amine een acylering en niet de alcohol.
Hoe worden anhydriden gevormd?
Anorganische anhydriden worden gevormd door het element te laten reageren met zuurstof. Dus als het element metallisch is, wordt een metallisch oxide of basisch anhydride gevormd; en als het niet-metallisch is, wordt een niet-metallisch oxide of zuuranhydride gevormd.
Voor organische anhydriden is de reactie anders. Twee carbonzuren kunnen niet rechtstreeks samenkomen om water af te geven en zuuranhydride te vormen; de deelname van een nog niet genoemde verbinding is noodzakelijk: acylchloride, RCOCl.
Het carbonzuur reageert met het acylchloride en produceert het respectievelijke anhydride en waterstofchloride:
R 1 COCl + R 2 COOH => (R 1 CO) O (COR 2 ) + HCl
CH 3 COCl + CH 3 COOH => (CH 3 CO) 2 O + HCl
Een CH 3 komt uit de acetylgroep, CH 3 CO–, en de andere is al aanwezig in azijnzuur. De keuze voor een specifiek acylchloride, evenals het carbonzuur, kan leiden tot de synthese van een symmetrisch of asymmetrisch zuuranhydride.
Cyclische anhydriden
In tegenstelling tot de andere carbonzuren die een acylchloride vereisen, kunnen dicarbonzuren condenseren tot hun overeenkomstige anhydride. Hiervoor moeten ze worden verwarmd om het vrijkomen van H bevorderen 2 O. Zo wordt de vorming van ftaalzuuranhydride uit ftaalzuur getoond.
Vorming van ftaalzuuranhydride. Bron: Jü, van Wikimedia Commons
Merk op hoe de vijfhoekige ring is voltooid, en de zuurstof die beide C = O-groepen verbindt, maakt er deel van uit; dit is een cyclisch anhydride. Ook kan men zien dat ftaalzuuranhydride een symmetrisch anhydride, aangezien zowel R 1 en R 2 identiek: een aromatische ring.
Niet alle dicarbonzuren zijn in staat hun anhydride te vormen, aangezien wanneer hun COOH-groepen ver van elkaar zijn gescheiden, ze gedwongen worden steeds grotere ringen te maken. De grootste ring die kan worden gevormd is een hexagonale, groter dan dat de reactie niet plaatsvindt.
Nomenclatuur
Hoe worden anhydriden genoemd? Afgezien van de anorganische degenen, die betrekking hebben op problemen oxide, de namen van de organische anhydriden toegelicht voorzover afhankelijk van de identiteit van R 1 en R 2 ; dat wil zeggen, van zijn acylgroepen.
Als de twee R's hetzelfde zijn, vervang dan gewoon het woord 'zuur' door 'anhydride' in de respectievelijke naam van het carbonzuur. En als de twee R's daarentegen verschillend zijn, worden ze in alfabetische volgorde genoemd. Om te weten hoe je het moet noemen, moet je daarom eerst kijken of het een symmetrisch of asymmetrisch zuuranhydride is.
(CH 3 CO) 2 O is symmetrisch, aangezien R 1 = R 2 = CH 3 . Het is afgeleid van azijnzuur of ethaanzuur, dus de naam is, volgens de vorige uitleg: azijnzuur of ethaanzuuranhydride. Hetzelfde geldt voor het zojuist genoemde ftaalzuuranhydride.
Stel dat we het volgende anhydride hebben:
CH 3 CO (O) COCH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3
De acetylgroep aan de linkerkant is afkomstig van azijnzuur en die aan de rechterkant is afkomstig van heptaanzuur. Om dit anhydride een naam te geven, moet u de R-groepen in alfabetische volgorde noemen. De naam is dus: heptaanazijnzuuranhydride.
Toepassingen
Anorganische anhydriden hebben eindeloze toepassingen, van de synthese en formulering van materialen, keramiek, katalysatoren, cementen, elektroden, meststoffen, enz., Tot als een coating van de aardkorst met zijn duizenden ijzer- en aluminiummineralen, en dioxide van door levende organismen uitgeademde koolstof.
Ze vertegenwoordigen de uitgangsbron, het punt waar veel verbindingen die in anorganische syntheses worden gebruikt, worden afgeleid. Een van de belangrijkste anhydriden is kooldioxide, CO 2 . Het is, samen met water, essentieel voor fotosynthese. En op industrieel niveau is SO 3 essentieel omdat het benodigde zwavelzuur daaruit wordt gewonnen.
Misschien is het anhydride met de meeste toepassingen en te hebben (zolang er leven is) er een van fosforzuur: adenosinetrifosfaat, beter bekend als ATP, aanwezig in DNA en de "energiemunt" van het metabolisme.
Organische anhydriden
Zuuranhydriden reageren door acylering, hetzij tot een alcohol, waarbij een ester, een amine wordt gevormd, waardoor een amide of een aromatische ring ontstaat.
Er zijn miljoenen van elk van deze verbindingen en honderdduizenden carbonzuuropties om een anhydride te maken; daarom groeien de synthetische mogelijkheden dramatisch.
Een van de belangrijkste toepassingen is dus om een acylgroep in een verbinding op te nemen en een van de atomen of groepen van zijn structuur te vervangen.
Elk anhydride afzonderlijk heeft zijn eigen toepassingen, maar over het algemeen reageren ze allemaal op dezelfde manier. Om deze reden worden dit soort verbindingen gebruikt om polymere structuren te wijzigen, waardoor nieuwe polymeren ontstaan; d.w.z. copolymeren, harsen, coatings, etc.
Zo wordt azijnzuuranhydride gebruikt om alle OH-groepen van cellulose te acetyleren (onderste afbeelding). Hiermee wordt elke H van de OH vervangen door een acetylgroep, COCH 3 .
Cellulose. Bron: NEUROtiker, van Wikimedia Commons
Op deze manier wordt het celluloseacetaatpolymeer verkregen. Dezelfde reactie kan worden geschetst met andere polymere structuren NH 2 -groepen , ook gevoelig voor acylering.
Deze acyleringsreacties zijn ook nuttig voor de synthese van geneesmiddelen, zoals aspirine ( acetylsalicylzuur ).
Voorbeelden
Enkele andere voorbeelden van organische anhydriden blijken te eindigen. Hoewel er geen melding van zal worden gemaakt, kunnen de zuurstofatomen worden vervangen door zwavel, wat zwavel of zelfs fosforanhydriden oplevert.
-C 6 H 5 CO (O) COC 6 H 5 : benzoëzuuranhydride. De groep C 6 H 5 vertegenwoordigt een benzeenring. Zijn hydrolyse produceert twee benzoëzuren.
-HCO (O) COH: mierenzuuranhydride. Zijn hydrolyse produceert twee mierenzuren.
- C 6 H 5 CO (O) COCH 2 CH 3 : benzoëzuur propaanzuuranhydride. Zijn hydrolyse produceert benzoëzuur en propaanzuur.
-C 6 H 11 CO (O) COC 6 H 11 : cyclohexaancarbonzuuranhydride. In tegenstelling tot aromatische ringen zijn deze verzadigd, zonder dubbele bindingen.
-CH 3 CH 2 CH 2 CO (O) COCH 2 CH 3 : propaanzuur butaanzuuranhydride.
Barnsteenzuuranhydride
Barnsteenzuuranhydride. Bron: Ninjatacoshell, van Wikimedia Commons
Hier heb je nog een cyclisch, afgeleid van barnsteenzuur, een dicarbonzuur. Merk op hoe de drie zuurstofatomen de chemische aard van dit type verbinding onthullen.
Maleïnezuuranhydride lijkt sterk op barnsteenzuuranhydride, met het verschil dat er een dubbele binding is tussen de koolstofatomen die de basis vormen van de vijfhoek.
Glutaarzuuranhydride
Glutaarzuuranhydride. Bron: Choij, van Wikimedia Commons
En tot slot wordt glutaarzuuranhydride getoond. Dit verschilt structureel van alle andere door te bestaan uit een zeshoekige ring. Nogmaals, de drie zuurstofatomen vallen op in de structuur.
Andere anhydriden, meer complex, kunnen altijd worden aangetoond door de drie zuurstofatomen die zeer dicht bij elkaar liggen.
Referenties
- De redactie van Encyclopaedia Britannica. (2019). Anhydride. Enclyclopaedia Britannica. Hersteld van: britannica.com
- Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (8 januari 2019). Zuuranhydride-definitie in de chemie. Hersteld van: thoughtco.com
- Chemie LibreTexts. (sf). Anhydriden. Hersteld van: chem.libretexts.org
- Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organische chemie. Amines. (10 e editie.). Wiley Plus.
- Carey F. (2008). Organische chemie. (Zesde editie). Mc Graw Hill.
- Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Chemie. (8e ed.). CENGAGE Leren.
- Morrison en Boyd. (1987). Organische chemie. (Vijfde editie). Addison-Wesley Iberoamericana.
- Wikipedia. (2019). Organisch zuuranhydride. Hersteld van: en.wikipedia.org