حمض الكربوكسيليك

الأحماض الكربوكسيلية مركبات قطبية . ولأنها مستقبلة للروابط الهيدروجينية (مجموعة الكربونيل -C(=O)- ) ومانحة لها (مجموعة الهيدروكسيل -OH- )، فإنها تشارك أيضًا في تكوين هذه الروابط . تشكل مجموعتا الهيدروكسيل والكربونيل معًا مجموعة الكربوكسيل الوظيفية. توجد الأحماض الكربوكسيلية عادةً على شكل ثنائيات في الأوساط غير القطبية نظرًا لميلها إلى التجمع الذاتي. تذوب الأحماض الكربوكسيلية الصغيرة (من 1 إلى 5 ذرات كربون) في الماء، بينما تتميز الأحماض الكربوكسيلية الأكبر حجمًا بذوبانية محدودة بسبب ازدياد كراهية الماء في السلسلة الألكيلية. تميل هذه الأحماض ذات السلاسل الأطول إلى الذوبان في المذيبات الأقل قطبية مثل الإيثرات والكحولات. ^{[ 4 ]} يتفاعل هيدروكسيد الصوديوم المائي مع الأحماض الكربوكسيلية، حتى الكارهة للماء منها، لإنتاج أملاح الصوديوم القابلة للذوبان في الماء. على سبيل المثال، حمض الإينانثيك لديه قابلية ذوبان منخفضة في الماء (0.2 جم/لتر)، لكن ملح الصوديوم الخاص به قابل للذوبان بشكل كبير في الماء.

تميل الأحماض الكربوكسيلية إلى امتلاك درجات غليان أعلى من الماء، وذلك بسبب مساحة سطحها الأكبر وميلها لتكوين ثنائيات مستقرة عبر الروابط الهيدروجينية . ولكي يحدث الغليان، يجب إما كسر روابط الثنائيات أو تبخير ترتيب الثنائيات بالكامل، مما يزيد بشكل كبير من متطلبات إنثالبي التبخر .

الأحماض الكربوكسيلية هي أحماض برونستد-لوري لأنها مانحة للبروتونات (H ⁺ ). وهي أكثر أنواع الأحماض العضوية شيوعاً . ^{[ 5 ]}

الأحماض الكربوكسيلية عادةً ما تكون أحماضًا ضعيفة ، أي أنها تتفكك جزئيًا _فقط إلى كاتيونات [ H₃O ] ^⁺ وأنيونات R−CO₂⁻ في المحلول المائي المتعادل . على سبيل المثال، عند درجة حرارة الغرفة، في محلول حمض الخليك بتركيز 1 مولار ، يتفكك 0.001% فقط من الحمض (أي 10⁻⁵ ^مول من 1 مول). تعطي المجموعات الساحبة للإلكترونات، مثل مجموعة ثلاثي فلورو ميثيل ( -CF₃ ₎ ، أحماضًا أقوى (قيمة pKa لحمض _الخليك هي 4.76، بينما حمض ثلاثي فلورو أسيتيك، الذي يحتوي على مجموعة ثلاثي فلورو ميثيل ، له قيمة pKa _تساوي 0.23). أما المجموعات المانحة للإلكترونات فتعطي أحماضًا أضعف (قيمة pKa _لحمض الفورميك هي 3.75، بينما حمض الخليك، الذي يحتوي على مجموعة ميثيل ، له قيمة pKa _تساوي 4.76) ^{[ 6 ].} 

يؤدي نزع البروتون من الأحماض الكربوكسيلية إلى تكوين أنيونات الكربوكسيلات؛ وهي أنيونات مستقرة بالرنين ، لأن الشحنة السالبة موزعة على ذرتي الأكسجين، مما يزيد من استقرار الأنيون. تتميز كل رابطة بين الكربون والأكسجين في أنيون الكربوكسيلات بطابع رابطة ثنائية جزئية. كما أن الشحنة الموجبة الجزئية لذرة الكربون الكربونيلية تضعف بفعل الشحنات _{السالبة} ^-1/2 على ذرتي الأكسجين.

غالباً ما تتميز الأحماض الكربوكسيلية برائحة حامضة قوية. أما إسترات الأحماض الكربوكسيلية فتميل إلى امتلاك روائح فاكهية لطيفة، ويستخدم الكثير منها في صناعة العطور . ^{[ 9 ]}

يمكن التعرف على الأحماض الكربوكسيلية بسهولة باستخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء . إذ تُظهر حزمة حادة مرتبطة باهتزاز رابطة الكربونيل C=O ( νC _=O ) بين 1680 و1725  سم⁻¹ . وتظهر حزمة νO _–H المميزة كقمة عريضة في نطاق 2500 إلى 3000 سم⁻¹. ^{[ 4 ] [ 10 ] وباستخدام مطيافية} الرنين النووي المغناطيسي للبروتون ( ^¹H NMR) ، يظهر هيدروجين الهيدروكسيل في نطاق 10-13 جزءًا في المليون، على الرغم من أنه غالبًا ما يكون متسعًا أو غير مرئي بسبب التبادل مع آثار الماء. 

إنزيم ريبولوز-1،5-ثنائي فوسفات كربوكسيلاز/أوكسيجيناز (المعروف أيضًا باسم روبيسكو)، وهو البروتين الأكثر وفرة، يحفز عملية الكربنة لإنتاج الأحماض الكربوكسيلية. يُعد هذا التحويل خطوة تثبيت الكربون في عملية التمثيل الضوئي . ^{[ 12 ]} تتضمن مسارات إنتاج الأحماض الكربوكسيلية الأخرى الشائعة بيولوجيًا - مثل حمض الستريك، وحمض الأكساليك، والأحماض الأمينية، وغيرها - تحلل ثيوإسترات وإسترات الفوسفات.

وعلى النقيض من الطرق المستخدمة على نطاق المختبر، فإن الطرق الصناعية لإنتاج الأحماض الكربوكسيلية غالباً ما تتطلب معدات متخصصة للضغوط العالية ودرجات الحرارة العالية.

• تُعدّ عملية كربنة الكحولات مثالاً على ذلك، كما يتضح من عملية كاتيفا لإنتاج حمض الأسيتيك. أما حمض الفورميك فيُحضّر عبر مسار كربنة مختلف، يبدأ أيضاً من الميثانول.
• أكسدة الألدهيدات بالهواء باستخدام محفزات الكوبالت والمنغنيز. ويمكن الحصول على الألدهيدات المطلوبة من الألكينات عن طريق الهدرجة الفورمية .
• أكسدة الهيدروكربونات باستخدام الهواء. بالنسبة للألكانات البسيطة، تُعد هذه الطريقة غير مكلفة، ولكنها ليست انتقائية بما يكفي لتكون مفيدة. تخضع المركبات الأليلية والبنزيلية لأكسدة أكثر انتقائية. تتأكسد مجموعات الألكيل على حلقة البنزين إلى حمض الكربوكسيل، بغض النظر عن طول سلسلتها. يُعد حمض البنزويك من التولوين ، وحمض التيريفثاليك من البارا - زيلين ، وحمض الفثاليك من الأورثو - زيلين أمثلة توضيحية على التحويلات واسعة النطاق. يُنتج حمض الأكريليك من البروبين . ^{[ 13 ]}
• تفاعل الهيدروكربوكسيل للألكينات. هذه الطريقة فعالة للألكينات التي تُنتج كاتيونات كربونية ثانوية وثالثية ، مثل تحويل الأيزوبوتيلين إلى حمض البيفاليك . في تفاعل كوخ ، يُحفز إضافة الماء وأول أكسيد الكربون إلى الألكينات أو الألكاينات بواسطة أحماض قوية. أما تفاعلات الهيدروكربوكسيل فتتضمن إضافة الماء وأول أكسيد الكربون في آنٍ واحد . تُعرف هذه التفاعلات أحيانًا باسم " كيمياء ريبي ".

HC≡CH + CO + H2O _→ CH 2 ₌ CH−CO ₂ H

• تحلل الإسترات. الدهون الثلاثية ، التي يتم الحصول عليها من الزيوت النباتية أو الحيوانية، هي مواد أولية للأحماض الكربوكسيلية طويلة السلسلة وترتبط بصناعة الصابون .
• تخمير الإيثانول. تُستخدم هذه الطريقة في إنتاج الخل .
• الكربنة ، مثل تفاعل كولبه-شميت كطريق لحمض الساليسيليك ، وهو المادة الأولية للأسبرين .

غالباً ما تستخدم طرق التحضير للتفاعلات الصغيرة لأغراض البحث أو لإنتاج المواد الكيميائية الدقيقة مواد كيميائية استهلاكية باهظة الثمن.

• أكسدة الكحولات الأولية أو الألدهيدات باستخدام مؤكسدات قوية مثل ثنائي كرومات البوتاسيوم ، أو كاشف جونز ، أو برمنجنات البوتاسيوم ، أو كلوريت الصوديوم . هذه الطريقة أنسب للظروف المختبرية من استخدام الهواء في الصناعة، وهو ما يُعدّ "أكثر صداقة للبيئة" لأنه يُنتج كميات أقل من المنتجات الجانبية غير العضوية مثل أكاسيد الكروم أو المنغنيز. ^{[ 14 ]}
• الانشطار التأكسدي للأوليفينات بواسطة الأوزونوليز ، أو برمنجنات البوتاسيوم ، أو ثنائي كرومات البوتاسيوم .
• التحلل المائي للنتريلات أو الإسترات أو الأميدات ، عادة باستخدام التحفيز الحمضي أو القاعدي.
• كربنة كاشف غرينيارد ^{[ 15 ] [ 16 ]} وكواشف الليثيوم العضوية :

RLi + CO ₂ → RCO − 2 Li ⁺

RCO − 2 Li ⁺ + HCl → RCO ₂ H + LiCl

• الهلجنة متبوعة بتحلل ميثيل الكيتونات في تفاعل الهالوفورم
• الانشطار المحفز بالقاعدة للكيتونات غير القابلة للتحول إلى إينول، وخاصة كيتونات الأريل : ^{[ 17 ]}

R−C(=O)− Ar + H ₂ O → R−CO ₂ H + ArH

تنتج العديد من التفاعلات أحماض الكربوكسيل، ولكنها تستخدم فقط في حالات محددة أو تكون ذات أهمية أكاديمية في المقام الأول.

• عدم تناسب الألدهيد في تفاعل كانيزارو
• إعادة ترتيب ثنائي الكيتونات في إعادة ترتيب حمض البنزيل
• تتضمن عملية توليد أحماض البنزويك تفاعل فون ريختر من النيتروبنزين وتفاعل كولبه-شميت من الفينولات .

تتفاعل الأحماض الكربوكسيلية مع القواعد لتكوين أملاح الكربوكسيلات، حيث يُستبدل الهيدروجين في مجموعة الهيدروكسيل (–OH) بأيون فلزي . على سبيل المثال، يتفاعل حمض الأسيتيك الموجود في الخل مع بيكربونات الصوديوم (صودا الخبز) لتكوين أسيتات الصوديوم وثاني أكسيد الكربون والماء.

CH ₃ COOH + NaHCO ₃ → CH ₃ COO ⁻ Na ⁺ + CO ₂ + H ₂ O

تُحوّل التفاعلات الشائعة الأحماض الكربوكسيلية إلى إسترات ، وأميدات ، وأملاح الكربوكسيلات ، وكلوريدات الأحماض ، والكحولات . ويُستخدم تحويلها إلى إسترات على نطاق واسع، كما في إنتاج البوليسترات . وبالمثل، تُحوّل الأحماض الكربوكسيلية إلى أميدات ، ولكن هذا التحويل لا يحدث عادةً عن طريق تفاعل مباشر بين الحمض الكربوكسيلي والأمين. بل تُعدّ الإسترات عادةً طليعةً للأميدات. ويُعدّ تحويل الأحماض الأمينية إلى ببتيدات عمليةً كيميائيةً حيويةً مهمةً تتطلب جزيئات ATP .

تحويل حمض الكربوكسيل إلى أميد ممكن، ولكنه ليس بالأمر السهل. فبدلاً من أن يعمل الأمين ككاشف نيوكليوفيلي، يتفاعل كقاعدة في وجود حمض الكربوكسيل لإنتاج ملح كربوكسيلات الأمونيوم . تسخين الملح إلى ما فوق 100  درجة مئوية يُزيل الماء ويؤدي إلى تكوين الأميد. تُعد هذه الطريقة لتخليق الأميدات ذات أهمية صناعية، ولها تطبيقات مخبرية أيضاً. ^{[ 18 ]} في وجود عامل حفاز حمضي قوي، يمكن أن تتكثف أحماض الكربوكسيل لتكوين أنهيدريدات الأحماض. ينتج عن التكثيف ماء، والذي يمكن أن يُحلل الأنهيدريد مائياً عائداً إلى أحماض الكربوكسيل الأصلية. لذا، فإن تكوين الأنهيدريد عن طريق التكثيف هو عملية متوازنة.

في ظل ظروف التحفيز الحمضي، تتفاعل الأحماض الكربوكسيلية مع الكحولات لتكوين الإسترات عبر تفاعل أسترة فيشر ، وهو تفاعل متوازن أيضًا. وبدلاً من ذلك، يمكن استخدام ديازوميثان لتحويل الحمض إلى إستر. وعلى الرغم من أن تفاعلات الأسترة باستخدام ديازوميثان غالبًا ما تعطي نواتج كمية، إلا أن ديازوميثان يُستخدم فقط لتكوين إسترات الميثيل. ^{[ 18 ]}

مثل الإسترات ، يمكن اختزال معظم الأحماض الكربوكسيلية إلى كحولات عن طريق الهدرجة ، أو باستخدام عوامل نقل الهيدريد مثل هيدريد الليثيوم والألومنيوم . وتؤدي عوامل نقل الألكيل القوية، مثل مركبات الليثيوم العضوية (وليس كواشف غرينيارد )، إلى اختزال الأحماض الكربوكسيلية إلى كيتونات مع نقل مجموعة الألكيل.

يُعدّ كاشف فيلسمير ( كلوريد N ، N- ثنائي ميثيل (كلوروميثيلين) الأمونيوم؛ [ ClHC=N ⁺ (CH3 ₎ 2 _] Cl− ⁾ عاملًا انتقائيًا كيميائيًا عاليًا لاختزال الأحماض الكربوكسيلية. فهو يُنشّط الحمض الكربوكسيلي بشكل انتقائي لإنتاج ملح كاربوكسي ميثيلين الأمونيوم، والذي يُمكن اختزاله بواسطة عامل اختزال معتدل مثل هيدريد الليثيوم ثلاثي ( ثلاثي بوتوكسي) الألومنيوم لإنتاج الألدهيد في تفاعل أحادي الخطوة. ومن المعروف أن هذا التفاعل يتحمل مجموعات الكربونيل النشطة مثل الكيتون، بالإضافة إلى مجموعات الإستر والأوليفين والنتريل والهاليد متوسطة النشاط. ^{[ 19 ]}

يمكن استبدال مجموعة الهيدروكسيل في الأحماض الكربوكسيلية بذرة كلور باستخدام كلوريد الثيونيل لإنتاج كلوريدات الأسيل . في الطبيعة، تتحول الأحماض الكربوكسيلية إلى ثيوإسترات . يمكن استخدام كلوريد الثيونيل لتحويل الأحماض الكربوكسيلية إلى كلوريدات الأسيل المقابلة لها. أولًا، يهاجم الحمض الكربوكسيلي 1 كلوريد الثيونيل، ويغادر أيون الكلوريد. أيون الأوكسونيوم الناتج 2 نشط تجاه الهجوم النيوكليوفيلي ويحتوي على مجموعة مغادرة جيدة، مما يميزه عن الحمض الكربوكسيلي العادي. في الخطوة التالية، يهاجم أيون الكلوريد المركب 2 لإنتاج المركب الوسيط رباعي السطوح 3 ، وهو كلوروسلفيت. ينهار المركب الوسيط رباعي السطوح بفقدان ثاني أكسيد الكبريت وأيون الكلوريد، مما ينتج عنه كلوريد الأسيل البروتوني 4 . يمكن لأيون الكلوريد إزالة البروتون من مجموعة الكربونيل، مما يعطي كلوريد الأسيل 5 مع فقدان HCl .

يحوّل كلوريد الفوسفور الثلاثي (PCl₃ ₎ وكلوريد الفوسفور الخماسي (PCl₅ ₎ الأحماض الكربوكسيلية إلى كلوريدات الأحماض، بآلية مشابهة. يتفاعل مكافئ واحد من PCl₃ مع ثلاثة مكافئات من الحمض، منتجًا مكافئًا واحدًا من حمض _{الفوسفوريك} ( _H₃PO₃ ) ، بالإضافة إلى كلوريد الحمض المطلوب. يتفاعل PCl₅ _مع الأحماض الكربوكسيلية بنسبة 1:1، وينتج _أوكسي كلوريد الفوسفور الخماسي (POCl₃ ) _{وكلوريد} الهيدروجين (HCl) كمنتجات ثانوية.

تتفاعل الأحماض الكربوكسيلية مع كواشف غرينيارد ومركبات الليثيوم العضوية لتكوين الكيتونات. يعمل المكافئ الأول من النيوكليوفيل كقاعدة وينزع بروتون الحمض. يهاجم المكافئ الثاني مجموعة الكربونيل لتكوين أنيون ألكوكسيد ثنائي الشحنة ، والذي يُبرتَن عند المعالجة ليعطي هيدرات الكيتون. ولأن معظم هيدرات الكيتونات غير مستقرة مقارنةً بالكيتونات المقابلة لها، فإن التوازن بينهما يميل بشدة لصالح الكيتون. على سبيل المثال، ثابت التوازن لتكوين هيدرات الأسيتون من الأسيتون هو 0.002 فقط. تُعد مجموعة الكربوكسيل الأكثر حمضية في المركبات العضوية. ^{[ 20 ]}

• كما هو الحال مع جميع مركبات الكربونيل، فإن البروتونات الموجودة على ذرة الكربون ألفا غير مستقرة بسبب عملية التماكب الكيتو-إينولي . وبالتالي، فإن ذرة الكربون ألفا تخضع للهلجنة بسهولة في تفاعل هيل-فولهارد-زيلينسكي للهلجنة .
• يحوّل تفاعل شميدت الأحماض الكربوكسيلية إلى أمينات .
• يتم نزع الكربوكسيل من الأحماض الكربوكسيلية في تفاعل هونسديكر .
• يحوّل تفاعل داكين -ويست حمضًا أمينيًا إلى الكيتون الأميني المقابل.
• في تفاعل باربييه-ويلاند ، يمكن تقصير سلسلة حمض كربوكسيلي مرتبط بسلسلة أليفاتية تحتوي على جسر ميثيلين بسيط في الموقع ألفا بمقدار ذرة كربون واحدة. أما الإجراء العكسي فهو تفاعل أرندت-إيسترت ، حيث يُحوّل الحمض إلى هاليد أسيل، ثم يُفاعل مع ديازوميثان لإضافة مجموعة ميثيلين أخرى إلى السلسلة الأليفاتية.
• تخضع العديد من الأحماض لعملية نزع الكربوكسيل التأكسدي . تُعرف الإنزيمات التي تحفز هذه التفاعلات باسم الكربوكسيلاز ( EC  6.4.1) والديكاربوكسيلاز (EC  4.1.1).
• يتم اختزال الأحماض الكربوكسيلية إلى ألدهيدات عبر الإستر و DIBAL ، وعبر كلوريد الحمض في اختزال روزنموند وعبر الثيوإستر في اختزال فوكوياما .
• في عملية نزع الكربوكسيل الكيتوني، يتم تحويل الأحماض الكربوكسيلية إلى كيتونات.
• تتفاعل كواشف الليثيوم العضوية (>2 مكافئ) مع الأحماض الكربوكسيلية لإعطاء ثنائي الليثيوم 1،1-ديولات، وهو وسيط رباعي السطوح مستقر يتحلل لإعطاء كيتون عند المعالجة الحمضية.
• يُعدّ التحليل الكهربائي لكولبي تفاعلاً كهربائياً لإزالة الكربوكسيل وتكوين ثنائي الجزيئات. فهو يتخلص من مجموعات الكربوكسيل لجزيئين من الحمض، ويربط الأجزاء المتبقية معاً.