- Propietats dels anhídrids
- reaccions químiques
- hidròlisi
- esterificació
- Amidación
- Com es formen els anhídrids?
- anhídrids cíclics
- Nomenclatura
- aplicacions
- anhídrids orgànics
- exemples
- anhídrid succínic
- anhídrid glutárico
- referències
Els anhídrids són compostos químics que s'originen de la unió de dues molècules mitjançant l'alliberament d'aigua. Així, es podria veure com una deshidratació de les substàncies inicials; encara que no és precisament cert.
En química orgànica i inorgànica es fa esment d'ells, i en les dues branques la seva comprensió difereix en un grau apreciable. Per exemple, en química inorgànica es consideren els òxids bàsics i àcids com els anhídrids dels seus hidròxids i àcids respectivament, ja que els primers reaccionen amb l'aigua per formar els segons.
Estructura general dels anhídrids. Font: DrEmmettBrownie, from Wikimedia Commons
Aquí pot generar una confusió entre els termes 'anhidre' i 'anhídrid'. Generalment, anhidre al·ludeix a un compost a el qual s'ha deshidratat sense canvis en la seva naturalesa química (no hi ha reacció); mentre que amb un anhídrid, sí que hi ha un canvi químic, reflectit en l'estructura molecular.
Si es comparen els hidròxids i àcids amb els seus òxids (o anhídrids) corresponents, s'observarà que sí hi va haver una reacció. En canvi, alguns òxids o sals poden estar hidratats, perdre aigua, i continuar sent els mateixos compostos; però, sense aigua, és a dir, anhidres.
En química orgànica, d'altra banda, el que s'entén per anhídrid és la definició inicial. Per exemple, un dels anhídrids més coneguts són els derivats dels àcids carboxílics (imatge superior). Aquests consisteixen en la unió de dos grups acil (-RCO) mitjançant un àtom d'oxigen.
En la seva estructura general s'indica R 1 per a un grup acil, i R 2 per al segon grup acil. A causa de que R 1 i R 2 són diferents, provenen d'àcids carboxílics diferents i es tracta llavors d'un anhídrid àcid asimètric. Quan tots dos substituents R (siguin o no aromàtics) són iguals, es parla en aquest cas d'un anhídrid àcid simètric.
A l'hora d'enllaçar-dos àcids carboxílics per formar l'anhídrid, pot o no formar-aigua, així com altres compostos. Tot dependrà de l'estructura d'aquests àcids.
Propietats dels anhídrids
Les propietats dels anhídrids dependran de a quals s'està referint. Gairebé tots tenen en comú que reaccionen amb l'aigua. No obstant això, per als anomenats anhídrids bàsics en inorgànica, realment diversos d'ells són fins i tot insolubles en aigua (MgO), de manera que es centrarà aquesta afirmació per als anhídrids dels àcids carboxílics.
Els punts de fusió i ebullició recauen en l'estructura molecular i en les interaccions intermoleculars per al (RCO) 2 O, sent aquesta la fórmula química general d'aquests compostos orgànics.
Si la massa molecular de (RCO) 2 O és baixa, probablement sigui un líquid incolor a temperatura i pressió ambient. Per exemple, l'anhídrid acètic (o anhídrid etanoic), (CH 3 CO) 2 O, és un líquid i el de major importància industrial, sent molt vasta seva producció.
La reacció entre l'anhídrid acètic i l'aigua ve representada per la següent equació química:
(CH 3 CO) 2 O + H 2 O => 2CH 3 COOH
Notese que a l'addicionar la molècula d'aigua, s'alliberen dues molècules d'àcid acètic. La reacció inversa, però, no pot donar-se per a l'àcid acètic:
2CH 3 COOH => (CH 3 CO) 2 O + H 2 O (No passa)
Cal recórrer a una altra ruta sintètica. Els àcids dicarboxílics, d'altra banda, sí que poden fer-ho mitjançant escalfament; però s'explicarà en el proper apartat.
reaccions químiques
hidròlisi
Una de les reaccions més simples dels anhídrids és la seva hidròlisi, la qual s'acaba de mostrar per l'anhídrid acètic. A més d'aquest exemple, es té el de l'anhídrid àcid sulfúric:
H 2 S 2 O 7 + H 2 O <=> 2H 2 SO 4
Aquí es té un anhídrid àcid inorgànic. Cal notar que per l'H 2 S 2 O 7 (anomenat també àcid disulfúrico), la reacció sí que és reversible, de manera que escalfant H 2 SO 4 concentrat dóna lloc a la formació del seu anhídrid. Si, d'altra banda, es tracta d'una dissolució diluïda d'H 2 SO 4, s'allibera SO 3, anhídrid sulfúric.
esterificació
Els anhídrids àcids reaccionen amb els alcohols, amb piridina en el medi, per donar lloc a un èster i un àcid carboxílic. Per exemple, es considera la reacció entre l'anhídrid acètic i l'etanol:
(CH 3 CO) 2 O + CH 3 CH 2 OH => CH 3 CO 2 CH 2 CH 3 + CH 3 COOH
Formant-se així el èster acetat d'etil, CH 3 CO 2 CH 2 CH 3, i l'àcid etanoic (àcid acètic).
Pràcticament, el que passa és la substitució de l'hidrogen de el grup hidroxil, per un grup acil:
R 1 -OH => R 1 -OCOR 2
En el cas del (CH 3 CO) 2 O, el seu grup acil és el -COCH 3. Per tant, es diu que el grup OH està patint acilació. No obstant això, la acilació i esterificació no són conceptes intercanviables; la acilació pot ocórrer directament en un anell aromàtic, coneguda amb el nom de acilació de Friedel-Crafts.
Així, els alcohols en presència dels anhídrids àcids s'esterifiquen mitjançant una acilació.
D'altra banda, només un dels dos grups acil reacciona amb l'alcohol, l'altre es queda amb l'hidrogen formant un àcid carboxílic; que per al cas del (CH 3 CO) 2 O, és l'àcid etanoic.
Amidación
Els anhídrids àcids reaccionen amb l'amoníac o amb les amines (primàries i secundàries), per donar lloc a amides. La reacció és molt similar a la esterificació recentment descrita, però se substitueix el ROH per una amina; per exemple, una amina secundària, R 2 NH.
Novament, es considera la reacció entre (CH 3 CO) 2 O i la dietilamina, Et 2 NH:
(CH 3 CO) 2 O + 2Et 2 NH => CH 3 Conet 2 + CH 3 COO - + NH 2 Et febrer
I es formen dietilacetamida, CH 3 Conet 2, i una sal de carboxilado d'amoni, CH 3 COO - + NH 2 Et febrer.
Encara que l'equació que pugui semblar una mica difícil de comprendre, només cal observar com el grup -COCH 3 substitueix l'H d'un Et febrer NH per formar l'amida:
Et febrer NH => Et febrer NCOCH 3
Més que una amidación, la reacció segueix tractant-se d'una acilació. Tot es resumeix en aquesta paraula; aquesta vegada, l'amina pateix la acilació i no l'alcohol.
Com es formen els anhídrids?
Els anhídrids inorgànics es formen reaccionant l'element amb l'oxigen. Així, si l'element és metàl·lic, es forma un òxid metàl·lic o anhídrid bàsic; i si és no metàl·lic, es forma un òxid no metàl·lic o anhídrid àcid.
Per als anhídrids orgànics, la reacció és una altra. Dos àcids carboxílics no poden unir-se directament per a alliberar aigua i formar l'anhídrid àcid; és necessària la participació d'un compost de què no s'ha fet esment encara: el clorur d'acil, RCOCl.
L'àcid carboxílic reacciona amb el clorur d'acil, produint el respectiu anhídrid i clorur d'hidrogen:
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
Un CH 3 prové de el grup acetil, CH 3 CO-, i l'altre ja està present en l'àcid acètic. L'elecció d'un clorur d'acil específic, així com de l'àcid carboxílic, pot donar origen a la síntesi d'un anhídrid àcid simètric o asimètric.
anhídrids cíclics
A diferència dels altres àcids carboxílics que requereixen d'un clorur d'acil, els àcids dicarboxílics poden condensar-se en la seva anhídrid corresponent. Per a això, cal escalfar-los per promoure l'alliberament de l'H 2 O. Per exemple, es mostra la formació de l'anhídrid ftàlic a partir de l'àcid ftàlic.
Formació de l'anhídrid ftàlic. Font: Ju, from Wikimedia Commons
Cal notar com es completa l'anell pentagonal, i l'oxigen que uneix els dos grups C = O forma part d'ell mateix; aquest és un anhídrid cíclic. Així mateix, es pot apreciar que l'anhídrid ftàlic és un anhídrid simètric, ja que tant R 1 com R 2 són idèntics: un anell aromàtic.
No tots els àcids dicarboxílics són capaços de formar el seu anhídrid, ja que quan els seus grups COOH estan molt separats, es veuen obligats a completar anells cada vegada més grans. L'anell més gran que pot formar-se és un hexagonal, més grans que aquest la reacció no pren lloc.
Nomenclatura
Com es nomenen els anhídrids? Deixant de banda els inorgànics, pertinents a temes d'òxids, els noms dels anhídrids orgànics fins ara explicats depenen de la identitat de R 1 i R 2; és a dir, dels seus grups acil.
Si els dos R són iguals, només cal substituir la paraula 'àcid' per 'anhídrid' al nom respectiu de l'àcid carboxílic. I si, per contra, els dos R són diferents, s'anomenen en ordre alfabètic. Per tant, per saber com dir-cal veure primerament si es tracta d'un anhídrid àcid simètric o asimètric.
El (CH 3 CO) 2 O és simètric, ja que R 1 = R 2 = CH 3. Deriva de l'àcid acètic o etanoic, pel que el seu nom és, seguint l'explicació anterior: anhídrid acètic o etanoic. El mateix succeeix amb l'anhídrid ftàlic recentment esmentat.
Suposem que es té el següent anhídrid:
CH 3 CO (O) COCH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3
El grup acetil de l'esquerra prové de l'àcid acètic, i el de la dreta, de l'àcid enàntic. Per nomenar a aquest anhídrid ha de nomenar els seus grups R en ordre alfabètic. Llavors, el seu nom és: anhídrid acètic heptanoico.
aplicacions
Els anhídrids inorgànics tenen una infinitat d'aplicacions, des de la síntesi i formulació de materials, ceràmiques, catalitzadors, ciments, elèctrodes, fertilitzants, etc., fins com a recobriment de l'escorça terrestre amb els seus milers de minerals de ferro i alumini, i el diòxid de carboni exhalat pels organismes vius.
Representen la font de partida, el punt on deriven molts compostos utilitzats en síntesi inorgàniques. Un dels anhídrids més important és el de l'carbònic, CO 2. És, juntament amb l'aigua, imprescindible per a la fotosíntesi. I a nivell industrial, el SO 3 és primordial donat que a partir d'ell s'obté el demandat àcid sulfúric.
Potser, l'anhídrid amb més aplicacions hagudes i per haver (mentre hi hagi vida) és un provinent de l'àcid fosfòric: adenosina trifosfat, millor conegut com ATP, present en l'ADN i "moneda energètica" de l'metabolisme.
anhídrids orgànics
Els anhídrids àcids reaccionen mitjançant una acilació, ja sigui a un alcohol, formant un èster, a una amina, donant lloc a una amida, o un anell aromàtic.
Hi ha milions de cada un d'aquests compostos, i centenars de milers d'opcions d'àcids carboxílics per preparar un anhídrid; per tant, les possibilitats sintètiques creixen dràsticament.
Sent així, un de les principals aplicacions és el d'incorporar un grup acil a un compost, substituint un dels àtoms o grups de la seva estructura.
Cada anhídrid per separat té les seves pròpies aplicacions, però en termes generals tots reaccionen d'una manera semblant. Per aquesta raó aquest tipus de compostos s'utilitzen per modificar les estructures polimèriques, creant polímers nous; és a dir, copolímers, resines, recobriments, etc.
Per exemple, l'anhídrid acètic s'utilitza per acetilar tots els grups OH de la cel·lulosa (imatge inferior). Amb això, cada H dels OH es substitueix per un grup acetil, COCH 3.
Cel·lulosa. Font: NEUROtiker, from Wikimedia Commons
D'aquesta manera s'obté el polímer acetat de cel·lulosa. La mateixa reacció pot bosquejarse amb altres estructures polimèriques amb grups NH 2, també susceptibles davant de la acilació.
Aquestes reaccions de acilació són útils també per a la síntesi de fàrmacs, com l'aspirina (àcid acetil salicílic).
exemples
Es mostren per finalitzar alguns altres exemples de anhídrids orgànics. Tot i que no es farà esment d'ells, els àtoms d'oxigen poden substituir-se per sofre, donant anhídrids sulfurats, o inclusivament fosforats.
-C 6 H 5 CO (O) COC 6 H 5: anhídrid benzoic. El grup C 6 H 5 representa un anell benzènic. La seva hidròlisi produeix dos àcids benzoic.
-HCO (O) COH: anhídrid fòrmic. La seva hidròlisi produeix dos àcids fórmicos.
- C 6 H 5 CO (O) COCH 2 CH 3: anhídrid benzoic propanoic. La seva hidròlisi produeix els àcids benzoic i propanoic.
-C 6 H 11 CO (O) COC 6 H 11: anhídrid ciclohexanocarboxílico. A diferència dels anells aromàtics, aquests estan saturats, sense dobles enllaços.
-CH 3 CH 2 CH 2 CO (O) COCH 2 CH 3: anhídrid butanoico propanoic.
anhídrid succínic
Anhídrid succínic. Font: Ninjatacoshell, from Wikimedia Commons
Aquí es té un altre cíclic, derivat de l'àcid succínic, un àcid dicarboxílic. Cal notar com els tres àtoms d'oxigen delaten la naturalesa química d'aquest tipus de compost.
L'anhídrid maleic és molt semblant a el de l'succínic, amb la diferència que hi ha un doble enllaç entre els carbonis que formen la base de l'pentàgon.
anhídrid glutárico
Anhídrid glutárico. Font: Choij, from Wikimedia Commons
I per finalitzar es mostra l'anhídrid de l'àcid glutárico. Aquest estructuralment es distingeix de tots els altres per consistir d'un anell hexagonal. Novament, els tres àtoms d'oxigen ressalten en l'estructura.
Altres anhídrids, més complexos, poden sempre evidenciar pels tres àtoms d'oxigen molt propers entre si.
referències
- The Editors of Encyclopaedia Britannica. (2019). Anhydride. Enclyclopaedia Britannica. Recuperat de: britannica.com
- Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (08 d'gener de al 2019). Acid Anhydride Definition in Chemistry. Recuperat de: thoughtco.com
- Chemistry LibreTexts. (Sf). Anhydrides. Recuperat de: chem.libretexts.org
- Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organic Chemistry. Amines. (10 th edition.). Wiley Plus.
- Carey F. (2008). Química Orgànica. (Sisena edició). Mc Graw Hill.
- Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Química. (8va ed.). Cengage Learning.
- Morrison i Boyd. (1987). Química orgànica. (Cinquena edició). Addison-Wesley Iberoamericana.
- Wikipedia. (2019). Organic acid anhydride. Recuperat de: en.wikipedia.org