פרק 3. תרכובות אורגניות מכילות חמצן

3.1. כוהלים רוויים (saturated alcohols)

בין התרכובות האורגניות מכילות החמצן, המורכבות מאטומי פחמן, מימן וחמצן, נמנים כוהלים, פנולים, אלדהידים, קטונים, חומצות קרבוקסיליות, אתרים פשוטים ואסטרים, פחמימות (סוכרים) ועוד. תכונותיהן הכימיות נקבעות על ידי נוכחות קבוצות פונקציונליות שונות במולקולות.

כוהלים (alcohols) הם תרכובות אורגניות שבמולקולותיהן קיימת קבוצה הידרוקסילית אחת או יותר, מחוברת לרדיקל פחמימני. ניתן לראותם כנגזרות של פחמימנים, שבמולקולותיהם אטום מימן אחד או יותר הוחלפו בקבוצות הידרוקסיליות.

נומנקלטורה ואיזומריה של כוהלים. שמות הכוהלים נגזרים משמות הרדיקלים, וכן משמות הפחמימנים בתוספת הסיומת ‎-ol (שמות בין־לאומיים): CH₃OH — כוהל מתילי, או מתנול (methanol); C₂H₅OH — כוהל אתילי, או אתנול (ethanol); C₃H₇OH — כוהל פרופילי, או פרופנול (propanol), וכן הלאה. כוהלים אלה יוצרים טור הומולוגי, שכן הרכב מולקולותיהם נבדל בהפרש ההומולוגי (CH₂). הנוסחה הכללית של הטור ההומולוגי היא CₙH₂ₙ₊₁OH, או R—OH, כאשר R הוא רדיקל פחמימני.

החל מהנציג השלישי בטור ההומולוגי — פרופנול — מופיעים לכוהלים איזומרים:

CH₃—CH₂—CH₂OH — כוהל פרופילי (propan-1-ol)
CH₃—CH(OH)—CH₃ — כוהל איזופרופילי (propan-2-ol)

בהתאם לנומנקלטורה הבין־לאומית העדכנית, מספר צמוד לסיומת ‎-ol מציין באיזה אטום פחמן ממוספר נמצאת הקבוצה ההידרוקסילית, למשל: hexan-3-ol — CH₃—CH₂—CH(OH)—CH₂—CH₂—CH₃.

לכוהלים תמיד יותר איזומרים מאשר לפחמימנים הרוויים המקבילים. כך, לבוטאן יש שני איזומרים (n-בוטאן ואיזובוטאן, ראו 1.3), ולכוהל הבוטילי יש ארבעה:

CH₃—CH₂—CH₂—CH₂—OH — כוהל בוטילי ראשוני (butan-1-ol), b.p. 118°C
CH₃—CH(CH₃)—CH₂OH — כוהל איזובוטילי ראשוני (2-methylpropan-1-ol), b.p. 108°C
CH₃—CH₂—CH(OH)—CH₃ — כוהל בוטילי שניוני (butan-2-ol), b.p. 100°C
(CH₃)₃C—OH — כוהל בוטילי שלישוני (2-methylpropan-2-ol), b.p. 85°C

כאן המילים “ראשוני”, “שניוני” ו”שלישוני” מציינות את מיקומה של הקבוצה ההידרוקסילית. כפי שרואים, מספר האיזומרים של הכוהלים תלוי במבנה הרדיקלים ובמיקומה של הקבוצה ההידרוקסילית.

אם במולקולת הכוהל קיימת קבוצה הידרוקסילית אחת, הוא נקרא חד־הידרוקסילי (מונוהידרי, monohydric), שתיים — דו־הידרוקסילי (דיהידרי, dihydric), שלוש — תלת־הידרוקסילי (טריהידרי, trihydric) וכן הלאה. הנציגים הפשוטים ביותר של כוהלים חד־, דו־ ותלת־הידרוקסיליים הם, בהתאמה, מתנול CH₃OH, אתילן גליקול (ethane-1,2-diol, ethylene glycol) HOCH₂—CH₂OH, וגליצרול (propane-1,2,3-triol, glycerol) HOCH₂—CH(OH)—CH₂OH.

תכונות הכוהלים. כוהלים נמוכים הם נוזלים, כוהלים גבוהים (מעל 12 אטומי פחמן) הם מוצקים. כל הכוהלים קלים ממים. מסיסותם במים פוחתת עם עליית המסה המולקולרית. כוהל מתילי וכוהל אתילי מתערבבים עם מים בכל יחס.

מולקולות הכוהלים אסוציאטיביות בזכות היווצרות קשרי מימן ביניהן: …O—H…O—H…O—H…, או (R—OH)ₙ. לכך ניתן להסביר מדוע כבר החברים הראשונים בטור ההומולוגי של הכוהלים הם נוזלים, בעלי טמפרטורות רתיחה גבוהות יחסית. מסיסותם הטובה במים מוסברת בהיווצרות קשרי מימן בין מולקולות הכוהל למולקולות המים. הירידה במסיסות בחברים הבאים בטור נובעת מהגדלת מספר אטומי הפחמן ברדיקל הפחמימני. קשרי המימן חלשים (17–22 kJ/mol) ונשברים בקלות בעת התאדות הכוהלים.

התכונות הכימיות של הכוהלים נובעות מנוכחות קשרים קוולנטיים קוטביים C—O ו־O—H במולקולותיהם. כוהלים נכנסים לתגובות כימיות עם ניתוק אחד מקשרים אלה. מכיוון ששני הקשרים קוטביים, הניתוק מתרחש במנגנון יוני (הטרוליטי), ונוצרים אניונים או קטיונים אורגניים:

$R - O - H ⇌ R - O^{-} + H^{+} or R - O - H ⇌ R^{+} + O H^{-}$

הדיסוציאציה של כוהלים ליונים מתרחשת במידה מועטה ביותר, ולכן כוהלים נותנים תגובה ניטרלית — בנוכחותם אין שינוי בצבע הלקמוס או הפנולפתלין.

בנוסחה האלקטרונית של אתנול, זוג האלקטרונים המחבר בין אטום החמצן לאטום המימן מוסט אל עבר אטום החמצן, כאטום האלקטרושלילי יותר. אטום מימן זה שונה משאר אטומי המימן במולקולת הכוהל: הקשר שלו עם אטום החמצן פחות חזק בהשוואה לקשר בין אטומי הפחמן והמימן. לכן, מימן הקבוצה ההידרוקסילית עשוי להתחלף בקלות במתכת.

ואכן, כוהלים מגיבים באנרגיה עם נתרן או אשלגן מתכתיים, תוך שחרור מימן ויצירת מה שמכונה אלקוקסידים (alkoxides):

$2 C_{2} H_{5} O H + 2 N a \to 2 C_{2} H_{5} O N a + H_{2} (sodium ethoxide)$

אלקוקסידים הם חומרים בלתי יציבים, המתפרקים במים בחזרה לכוהל ולבסיס:

$C_{2} H_{5} O N a + H_{2} O \to C_{2} H_{5} O H + N a O H$

עם בסיסים כוהלים חד־הידרוקסיליים מגיבים בתגובה הפיכה:

$C_{2} H_{5} O H + N a O H ⇌ C_{2} H_{5} O N a + H_{2} O$

שיווי המשקל נוטה בבירור לעבר הכוהל והבסיס. אולם בתנאים מסוימים (למשל, בהוצאת מים) ניתן להזיז אותו לעבר האלקוקסיד. על בסיס זה מבוססת ההכנה התעשייתית של אתוקסיד נתרן.

כוהלים מתחמצנים בקלות יחסית על ידי חומרי חמצון כגון KMnO₄, ‏K₂Cr₂O₇, חמצן אווירי בנוכחות זרזים (פלטינה, נחושת). כאן ניכרת השפעת הקבוצה ההידרוקסילית: החמצן מצטרף לאטום הפחמן המחובר לקבוצה —OH:

$C H_{3} - C H_{2} - O H + [O] \to [C H_{3} - C H (O H)_{2}] \to C H_{3} - C H O + H_{2} O$

תוצר הביניים הוא כוהל בעל שתי קבוצות הידרוקסיליות על אותו אטום פחמן. כוהלים כאלה אינם יציבים, ומתפרקים לאלדהיד ולמים.

כוהלים, כמו רוב התרכובות האורגניות האחרות, בוערים. למשל:

$2 C H_{3} O H + 3 O_{2} \to 2 C O_{2} + 4 H_{2} O$

ניתן לתאר שרֵפה כחמצון מלא.

כוהלים מגיבים עם הלוגני מימן:

$C_{2} H_{5} O H + H B r ⇌ C_{2} H_{5} B r + H_{2} O$

בתגובה זו הקבוצה הפונקציונלית מוחלפת בברום. התגובה הפיכה: בנוכחות בסיס שיווי המשקל נוטה לעבר החומרים המקוריים, בעודף חומצה — לעבר החומרים הסופיים.

תכונה חשובה של כוהלים היא יכולתם לעבור דהידרטציה (dehydration) (איבוד מים). דהידרטציה מתרחשת בחימום הכוהל (מעל 140°C) עם חומרים מוציאי מים, למשל חומצה גופרתית מרוכזת:

$C_{2} H_{5} O H H_{2} S O_{4} Δ C H_{2} = C H_{2} + H_{2} O$

במקרה זה מולקולת מים הוצאה ממולקולת כוהל אחת. בתנאים אחרים (בעודף כוהל ובטמפרטורה נמוכה יותר) מוצאת מולקולת מים משתי מולקולות כוהל, ונוצר אתר פשוט:

$2 C_{2} H_{5} O H \to C_{2} H_{5} - O - C_{2} H_{5} + H_{2} O (diethyl ether)$

אתרים פשוטים (ethers)

אתרים פשוטים הם חומרים אורגניים שמולקולותיהם מורכבות מרדיקלים פחמימניים, מחוברים באמצעות אטום חמצן: R′—O—R″, כאשר R′ ו־R″ הם רדיקלים, שיכולים להיות שונים או זהים.

דיאתיל אתר (diethyl ether) (המכונה גם “אתר גופרתי”, sulfuric ether)* — ממיס טוב לחומרים אורגניים רבים, משמש לניקוי בדים, וברפואה — בפעולות כירורגיות, בזכות תכונתו המרדימה.

*השם “אתר גופרתי” נותר מדרך ההכנה המקורית של הדיאתיל אתר, על ידי תגובת כוהל עם חומצה גופרתית.

מבין נציגי הכוהלים החד־הידרוקסיליים נבחן את המתנול והאתנול, מהדו־הידרוקסיליים — את האתילן גליקול, ומהתלת־הידרוקסיליים — את הגליצרול.

3.2. מתנול (methanol) ואתנול (ethanol)

כוהל מתילי (שמות נוספים: מתנול, קרבינול — carbinol, כוהל עץ — wood alcohol) הוא הכוהל החד־הידרוקסילי הפשוט ביותר, נוזל חסר צבע. רעל חזק (בליעתו גורמת לעיוורון, במינונים גבוהים — למוות). השיטה המודרנית להכנתו היא סינתזה קטליטית מפחמן חד־חמצני ומימן (טמפרטורה 250°C, לחץ 7 MPa, זרז — תערובת תחמוצות אבץ ונחושת):

$C O + 2 H_{2} Z n O, C u O t, p C H_{3} O H$

בעבר הופק מתנול בזיקוק יבש של עץ (מכאן שמו “כוהל עץ”). הוא משמש כממיס ולסינתזות אורגניות שונות — הכנת פורמלדהיד, צבעים מסוימים, ריאגנטים לצילום ותרכובות פרמצבטיות.

כוהל אתילי, או אתנול, הוא נוזל חסר צבע. רותח ב־78.3°C, קופא ב־−114°C. בוער בלהבה קלת אור.

כוהל אתילי מתקבל בתסיסה (fermentation) של חומרים עשירי סוכר בנוכחות שמרים. מהות התסיסה היא בכך שגלוקוז (glucose), המופק מעמילן (starch, סוכר הענבים) C₆H₁₂O₆, מתפרק תחת פעולת אנזימים לכוהל ולפחמן דו־חמצני. התוצאה הכוללת של תהליך רב־שלבי מורכב זה מבוטאת במשוואה:

$C_{6} H_{12} O_{6} \to 2 C_{2} H_{5} O H + 2 C O_{2}$

חומר הגלם ההתחלתי בייצור הכוהל הוא מוצרים טבעיים עשירי עמילן: תפוחי אדמה, דגנים ועוד. כיום מכינים כוהל אתילי לא רק ממוצרי מזון. פותחה שיטה נרחבת להכנתו מפסולת עץ: העץ מומר לגלוקוז (ראו 3.18), והלה — לכוהל.

השיטה המודרנית ביותר להכנת כוהל אתילי מבוססת על תגובת הידרטציה של אתן, המתקבל בכמויות גדולות בקרקינג של נפט:

$C H_{2} = C H_{2} + H_{2} O \to C H_{3} - C H_{2} O H$

התגובה מתרחשת בטמפרטורה 260–300°C, לחץ 7.5–10 MPa, ובנוכחות זרזים חומציים (חומצה זרחתית על אלומוסיליקט בתוספת מלחי קדמיום, נחושת, קובלט). מפעלים להידרטציה ישירה של אתן לכוהל פועלים במדינות שונות בעולם. בעתיד צפוי מעבר מלא לייצור כוהל מחומרי גלם שאינם מיועדים למזון — עץ וגזי עיבוד נפט.

כוהל אתילי הוא מוצר בעל חשיבות רבה למשק. בכמויות גדולות הוא מנוצל להכנת גומי סינתטי ולייצור פלסטיק. אתנול משמש כממיס בהכנת אודקולונים, בשמים, תרופות, לכות, וכן לשימור תכשירים אנטומיים. הוא משמש להכנת חומרים אורגניים רבים: דיאתיל אתר, צבעים, חומצה אצטית, אבקת שריפה חסרת עשן ועוד. כוהל אתילי בתערובת עם בנזין יכול לשמש דלק למנועי בעירה פנימית. לעיתים קרובות מבצעים לו דנטורציה (denaturation), כלומר מוסיפים לכוהל חומרים וצבעים כדי להפוך אותו לבלתי ראוי לשתייה.

3.3. אתילן גליקול (ethylene glycol) וגליצרול (glycerol)

אתילן גליקול. אתילן גליקול הוא נציג הכוהלים הדו־הידרוקסיליים הרוויים — הגליקולים (glycols). הנוסחה הכללית לטור הגליקולים היא CₙH₂ₙ(OH)₂. שם הגליקולים ניתן בשל טעמם המתוק של נציגים רבים בטור (יוונית: glykos — מתוק).

אתילן גליקול (בנומנקלטורה ההחלופית: ethane-1,2-diol) הוא נוזל בטעם מתוק דמוי סירופ, חסר ריח, רעיל. מתערבב היטב עם מים וכוהל, היגרוסקופי. נוסחת המבנה שלו: CH₂OH—CH₂OH.

התכונות הכימיות של אתילן גליקול תואמות בעיקרן את תכונות הכוהלים החד־הידרוקסיליים. אלא שהתגובות מתרחשות הן על קבוצה הידרוקסילית אחת והן על שתי הקבוצות. כך, בתגובה עם מתכות אלקליות יוצר אתילן גליקול גליקולט חלקי ומלא:

$C H_{2} O H - C H_{2} O H + 2 N a \to {C H_{2} O N a - C H_{2} O H + \frac{1}{2} H_{2} C H_{2} O N a - C H_{2} O N a + H_{2}$

בשונה מכוהלים חד־הידרוקסיליים, אתילן גליקול מגיב בקלות עם הידרוקסיד נחושת (II), ונוצר גליקולט נחושת כחול־בהיר — תרכובת קומפלקסית. תגובה זו משמשת בדיקה איכותית לכוהלים רבי־הידרוקסיל.

אתילן גליקול מגיב גם עם בסיסים חזקים:

$C H_{2} O H - C H_{2} O H + 2 N a O H \to C H_{2} O N a - C H_{2} O N a + 2 H_{2} O$

אתילן גליקול מתקבל בחמצון אתן בתמיסת אשלגן פרמנגנט:

$C H_{2} = C H_{2} + H_{2} O + [O] \to C H_{2} O H - C H_{2} O H$

ניתן להכינו גם בעיבוד נגזרות דיהלוגניות של פחמימנים בתמיסה מימית של בסיס:

$C H_{2} C l - C H_{2} C l + 2 N a O H \to C H_{2} O H - C H_{2} O H + 2 N a C l$

תמיסות מימיות וכוהליות של אתילן גליקול משמשות כתמיסות בלתי־קופאות בטמפרטורות נמוכות, המחליפות מים ברדיאטורים של מנועי רכב ומטוסים בתנאי חורף — נוגדי קיפאון (antifreeze). במקרים רבים יכול לשמש תחליף לגליצרול. בתקופה האחרונה נעשה בו שימוש גם להכנת סיב סינתטי בעל ערך — פוליאסטר (PET, polyester).

גליצרול. גליצרול הוא הנציג הפשוט ביותר של הכוהלים התלת־הידרוקסיליים הרוויים. זהו נוזל חסר צבע, צמיג, היגרוסקופי, מתוק בטעמו. מתערבב עם מים בכל יחס. ממיס היטב חומרים רבים.

בתכונותיו הכימיות גליצרול (בנומנקלטורה ההחלופית: propane-1,2,3-triol) קרוב מאוד לאתילן גליקול. כך, עם הידרוקסיד נחושת (II) יוצר גליצרול גליצראט נחושת כחול־בהיר. זוהי תגובה איכותית לכוהלים רבי־הידרוקסיל.

חשיבות רבה יש לתגובת גליצרול עם חומצה חנקתית, שבה נוצר תרינטרט של הגליצרול:

$C H_{2} O H - C H (O H) - C H_{2} O H + 3 H N O_{3} \to C H_{2} (O N O_{2}) - C H (O N O_{2}) - C H_{2} (O N O_{2}) + 3 H_{2} O$

תרכובת זו, המוכרת בשם המסורתי (הבלתי מדויק לחלוטין) ניטרוגליצרין (nitroglycerin)*, היא נוזל שמנוני כבד, חומר נפץ (מתפוצץ מזעזוע קל ומחימום). עם זאת, תמיסותיו הכוהליות אינן מתפוצצות.

*השם המסורתי “ניטרוגליצרין” אינו מדויק: בתרכובות ניטרו הקבוצה —NO₂ מחוברת ישירות לאטום פחמן (ראו 4.1), ואילו כאן מדובר, כימית, בטרינטרט אסטר (glyceryl trinitrate). עם זאת, השם המסורתי עדיין נפוץ בשימוש.

עם חומצות קרבוקסיליות יוצר גליצרול אסטרים — שומנים ושמנים (ראו 3.14).

גליצרול מופק משומנים, וכן בדרך סינתטית — מגזי קרקינג של נפט (פרופילן), כלומר מחומר גלם שאינו מיועד למזון. בדרך זו ניתן לתאר את ייצורו התעשייתי בתרשים הבא:

$C H_{2} = C H - C H_{3} + O_{2} C H_{2} = C H - C H O (acrolein) + H_{2} C H_{2} = C H - C H_{2} O H (allyl alcohol) + H_{2} O, [O] C H_{2} O H - C H O H - C H_{2} O H (glycerol)$

גליצרול משמש להכנת ניטרוגליצרין (חומר נפץ), הכנת נוגדי קיפאון, בקוסמטיקה (מרכך עור), בתעשיית העור. תמיסה כוהלית של 1% ניטרוגליצרין משמשת תרופה למחלות לב (מרחיבה כלי דם).

3.4. פנולים (phenols)

פנולים הם תרכובות אורגניות שבמולקולותיהן קבוצות הידרוקסיליות מחוברות ישירות לטבעת בנזן. הן נגזרות של פחמימנים ארומטיים, למשל: פנול (phenol) C₆H₅OH, מתילפנול (קרזול, cresol) CH₃—C₆H₄—OH.

פנולים בעלי קבוצה הידרוקסילית אחת נקראים חד־הידרוקסיליים, בעלי שתיים — דו־הידרוקסיליים, בעלי שלוש — תלת־הידרוקסיליים. בבניית הנומנקלטורה של פנולים נהוג לסמן את אטומי הפחמן בטבעת הבנזן במספרים 1 עד 6, החל מאטום הפחמן המחובר לקבוצה ההידרוקסילית, למשל: 3,5-diethylphenol.

הפנול הפשוט ביותר, C₆H₅OH, נקרא פנול, או בשם המסורתי “חומצה קרבולית” (carbolic acid). פנול הוא חומר גבישי חסר צבע בעל ריח חריף אופייני. באחסון מתחמצן בהדרגה בחמצן האוויר, ורוכש גוון ורוד. פנול נמס ב־42.3°C, רותח ב־182°C; מסיס חלקית במים (6 g ל־100 g מים); בעל תכונות אנטיספטיות חזקות, כלומר יכולת להשמיד מיקרואורגניזמים רבים, רעיל מאוד. בפעולה על העור גורם לכוויות, יוצר שלפוחיות וכיבים.

בתכונותיו הכימיות נבדל הפנול מהכוהלים. הבדל זה נובע מהשפעה הדדית במולקולת הפנול בין הקבוצה ההידרוקסילית לבין טבעת הבנזן, הנקראת גם פֶנִיל (phenyl) (C₆H₅—). מהות ההשפעה היא בכך שאלקטרוני π של טבעת הבנזן שואבים אל תוכם חלקית את זוגות האלקטרונים הבלתי מחולקים של אטום החמצן בקבוצה ההידרוקסילית, וכתוצאה מכך פוחתת הצפיפות האלקטרונית באטום החמצן. הדבר גורם, בתורו, להסטה נוספת של הצפיפות האלקטרונית בקשר O—H מהמימן לעבר החמצן, המימן רוכש תכונות חומציות, הופך נייד ורֵאקטיבי.

כלומר, תחת השפעת הפניל נחלש הקשר בין אטום המימן לחמצן בקבוצה ההידרוקסילית, מה שמוביל לניתוק חלקי של יוני מימן. הפנול מפגין תכונות של חומצה חלשה (חלשה יותר מחומצה פחמתית). לכן, הוא מגיב בקלות לא רק עם נתרן ואשלגן מתכתיים, אלא גם עם בסיסים חזקים*, ונוצרים פנולטים (phenolates), היציבים בתמיסה מימית:

$2 C_{6} H_{5} O H + 2 N a \to 2 C_{6} H_{5} O N a + H_{2}$ $C_{6} H_{5} O H + N a O H \to C_{6} H_{5} O N a + H_{2} O (sodium phenolate)$

*בתנאים זהים, כוהלים חד־הידרוקסיליים רוויים כמעט אינם מגיבים עם בסיסים חזקים — שיווי המשקל נוטה לעבר החומרים המקוריים (ראו 3.1).

מכיוון שתכונותיו החומציות של הפנול חלשות מאוד, פנולטים (מלחי הפנול) מתפרקים בקלות בחומצות אי־אורגניות, לרבות חומצה פחמתית:

$C_{6} H_{5} O N a + C O_{2} + H_{2} O \to C_{6} H_{5} O H + N a H C O_{3}$

ההשפעה בין האטומים במולקולה הדדית. הקבוצה ההידרוקסילית, בתורה, משפיעה על טבעת הבנזן, וכתוצאה מכך אטומי המימן שלה הופכים ניידים יותר ומוחלפים בקלות באטומים אחרים או ברדיקלים. כך, למשל, פנול, ללא חימום וללא זרזים, מגיב באנרגיה עם ברום וחומצה חנקתית, ונוצרות נגזרות תלת־מוחלפות (במיקומים 2, 4 ו־6):

$C_{6} H_{5} O H + 3 B r_{2} \to C_{6} H_{2} B r_{3} O H + 3 H B r (2,4,6-tribromophenol)$ $C_{6} H_{5} O H + 3 H N O_{3} \to C_{6} H_{2} (N O_{2})_{3} O H + 3 H_{2} O (2,4,6-trinitrophenol)$

בנזן, לעומת זאת, מגיב עם ברום וחומצה חנקתית רק בחימום ובנוכחות זרזים.

בהשפעת הקבוצה ההידרוקסילית מקל גם על תגובת הפנול עם פורמלדהיד (ראו 3.8).

פנול מופק בכמויות גדולות בשתי דרכים: מזפת פחם, המתקבלת בזיקוק יבש של פחם, ובעיקר — בדרך סינתטית מבנזן ופרופילן, בתהליך המכונה תהליך הוק (Hock process), על שם הכימאי הגרמני היינריך הוק (Heinrich Hock), שגילה אותו בשנות ה־40 של המאה ה־20.

תחילה מכינים מבנזן ופרופילן איזופרופילבנזן (קומן, cumene):

$C_{6} H_{6} + C H_{2} = C H - C H_{3} \to C_{6} H_{5} - C H (C H_{3})_{2} (cumene)$

קומן הוא נוזל חסר צבע, קל ממים, רותח ב־152°C. לאחר מכן עובר הקומן חמצון קטליטי בפאזה נוזלית בחמצן אווירי, ונוצר תוצר ביניים — הידרופרוקסיד הקומן (cumene hydroperoxide) — שבפעולת חומצה גופרתית מתפרק לפנול ואצטון:

$C_{6} H_{5} - C H (C H_{3})_{2} O_{2} C_{6} H_{5} - C (C H_{3})_{2} - O O H H_{2} S O_{4} C_{6} H_{5} O H + C H_{3} - C O - C H_{3}$

כלומר, מבנזן ופרופילן מתקבלים שני מוצרים בעלי ערך — פנול ואצטון. קומן משמש גם חומר גלם להכנת α-מתילסטירן (α-methylstyrene), המשמש בייצור גומי.

פנול, כאנטיספטי חזק, משמש חומר חיטוי. חלק גדול ממנו מנוצל לייצור חומרים פלסטיים — פנופלסטים (phenolic plastics). פנול משמש לייצור חומרים תרופתיים, מפתחים צילום וצבעים.

3.5. אלדהידים (aldehydes)

אלדהידים הם חומרים אורגניים שבמולקולותיהם קיימת הקבוצה הפונקציונלית —CHO (קבוצה קרבונילית מחוברת לאטום מימן).

ניתן לראותם כתוצרי חמצון של כוהלים. כך, למשל, האלדהיד הפשוט ביותר מתקבל בחמצון כוהל מתילי בעזרת תחמוצת נחושת (II):

$C H_{3} O H + C u O \to H C H O + H_{2} O + C u$

בתגובה זו מוציאה מולקולת תחמוצת הנחושת שני אטומי מימן ממולקולת הכוהל.

שמות האלדהידים נגזרים משמות החומצות שאליהן הם מומרים בחמצון. ניתן גם לתת שמות לפי מספר האטומים בשרשרת הפחמן (על שם הפחמימן) בתוספת הסיומת ‎-al. למשל:

HCHO — פורמלדהיד (formaldehyde), methanal
CH₃CHO — אצטלדהיד (acetaldehyde), ethanal
CH₃CH₂CHO — פרופיונלדהיד (propionaldehyde), propanal

הנוסחה הכללית של הטור ההומולוגי של האלדהידים הרוויים: R—CHO (בנציג הראשון, במקום R — אטום מימן).

איזומריה של אלדהידים תלויה אך ורק באיזומריה של הרדיקלים המחוברים לקבוצה האלדהידית. למשל, לנוסחה C₄H₈O עשויים להתאים שני אלדהידים:

CH₃—CH₂—CH₂—CHO — butanal
CH₃—CH(CH₃)—CHO — 2-methylpropanal

קבוצת האטומים >C=O נקראת קבוצה קרבונילית (carbonyl group), או קרבוניל.

התכונות הכימיות של האלדהידים מוסברות על ידי מבנם האלקטרוני. במולקולת האלדהיד הקשר בין אטומי הפחמן והחמצן נוצר מזוג אלקטרונים. ענן האלקטרונים של הקשר מוסט לעבר החמצן, כאטום האלקטרושלילי יותר, וכתוצאה מכך הוא נושא מטען שלילי חלקי (δ−). בו זמנית, הפחמן הקרבוני, כתוצאה מ”שאיבת” האלקטרונים ממנו, נושא מטען חיובי חלקי (δ+). מסמנים זאת בדרך כלל בתרשים: Cᵟ⁺=Oᵟ⁻.

כלומר, הקבוצה >C=O מקוטבת מאוד, מה שמסביר את הרֵאקטיביות הגבוהה של תרכובות אורגניות המכילות קבוצה קרבונילית: מצד אחד, אטום החמצן משפיע על אטום המימן המחובר לקבוצה הקרבונילית, וכתוצאה מכך הוא מתחמצן בקלות; מצד שני, עבור הקבוצה הקרבונילית >C=O אופייניות תגובות תוספת ופולימריזציה.

תכונות האלדהידים נבחנות על דוגמת שני ההומולוגים הראשונים: פורמלדהיד ואצטלדהיד.

3.6. פורמלדהיד (formaldehyde)

מבנה המולקולה ותכונות. פורמלדהיד הוא גז חסר צבע בעל ריח חריף ומחניק, רעיל. מסיס היטב במים. תמיסה מימית בריכוז 40% של פורמלדהיד נקראת פורמלין (formalin).

בתכונותיו הכימיות, פורמלדהיד הוא חומר רֵאקטיבי מאוד. אופייניות לו תגובות חמצון ותוספת (לרבות פוליקונדנסציה).

תגובות חמצון מתרחשות בקלות רבה — אלדהידים מסוגלים “לחטוף” חמצן מתרכובות רבות. כך, בחימום פורמלדהיד עם תמיסה אמוניקלית של תחמוצת כסף Ag₂O (תחמוצת הכסף בלתי מסיסה במים) מתרחש חמצון הפורמלדהיד לחומצה פורמית HCOOH וחיזור הכסף:

$H C H O + A g_{2} O \to H C O O H + 2 A g ↓$

הכסף מצטבר על דפנות הכלי כמשקע דמוי מראה דק — תגובה הידועה כתגובת “מראת הכסף” (silver mirror test/reaction). היווצרות “מראת כסף” משמשת תגובה איכותית לזיהוי הקבוצה האלדהידית.

אלדהידים מחזרים הידרוקסיד נחושת (II) להידרוקסיד נחושת (I), ההופך לאחר מכן לתחמוצת נחושת (I) כתומה. התגובה מתרחשת בחימום:

$H C H O + 2 C u (O H)_{2} Δ H C O O H + C u_{2} O ↓ + 2 H_{2} O$

גם תגובה זו יכולה לשמש לגילוי אלדהידים.

תגובות תוספת מתרחשות בזכות ניתוק הקשר הכפול של הקבוצה הקרבונילית של האלדהיד. תוספת מימן, המתרחשת בהעברת תערובת של פורמלדהיד ומימן מעל זרז מחומם — אבקת ניקל — מובילה לחיזור האלדהיד לכוהל:

$H C H O + H_{2} N i Δ C H_{3} O H$

פורמלדהיד מצרף גם אמוניה, הידרוגן־סולפיט נתרן ותרכובות נוספות. בכך תמיד מצטרף לחמצן הקבוצה הקרבונילית אטום מימן, ושאר המולקולה מצטרפת לאטום הפחמן.

תוספת הידרוגן־סולפיטים ניתן לבטא במשוואה:

$R - C H O + N a H S O_{3} \to R - C H (O H) - S O_{3} N a$

תגובה זו משמשת לבידוד אלדהידים מתערובות עם חומרים אחרים ולהכנתם במצב טהור.

תוספת חומצה ציאנית לאלדהידים ניתן לתאר במשוואה:

$R - C H O + H C N \to R - C H (O H) - C N$

פולימריזציית הפורמלדהיד מתרחשת ביצירת מקרומולקולות בעלות מבנה ליניארי:

$n H C H O \to \dots - C H_{2} - O - C H_{2} - O - \dots \to (C H_{2} O)_{n}$

מוצרי פוליפורמלדהיד (polyformaldehyde) משמשים תחליפים לחלקי מתכת.

על תגובת הפוליקונדנסציה ראו 3.8.

הכנה. בתעשייה מכינים פורמלדהיד ממתנול, בהעברת אדי הכוהל יחד עם אוויר מעל זרז נחושת מחומם ל־300°C:

$2 C H_{3} O H + O_{2} C u, 300° C 2 H C H O + 2 H_{2} O$

שיטה תעשייתית חשובה נוספת היא חמצון מתאן באוויר בטמפרטורה של 400–600°C, בנוכחות כמות קטנה של תחמוצות חנקן כזרז:

$C H_{4} + O_{2} 400 - 600° C H C H O + H_{2} O$

שימושים. פורמלדהיד משמש בכמויות גדולות לייצור שרפי פנול-פורמלדהיד (ראו 3.8). הוא משמש חומר גלם לייצור צבעים, גומי סינתטי, חומרים תרופתיים, חומרי נפץ ועוד.

בפעולה על חלבון, פורמלין הופך אותו למוצק, בלתי מסיס במים, ובעיקר — מונע ממנו להירקב. לכן הוא משמש לעיבוד עורות, וכן לשימור תכשירים אנטומיים. פורמלין נמצא בשימוש בחקלאות לחיטוי זרעים במטרה להשמיד זחלי מזיקים. הוא משמש גם לחיטוי חדרים וכלים כירורגיים.

3.7. אצטלדהיד (acetaldehyde)

אצטלדהיד, או ethanal, הוא נוזל חסר צבע בעל ריח חריף, מסיס היטב במים. b.p. 21°C.

בתכונותיו הכימיות אצטלדהיד דומה לפורמלדהיד; אופייניות לו אף הן תגובות חמצון ותוספת. תגובות “מראת הכסף” והיווצרות תחמוצת נחושת (I):

$C H_{3} C H O + A g_{2} O \to C H_{3} C O O H + 2 A g ↓$ $C H_{3} C H O + 2 C u (O H)_{2} \to C H_{3} C O O H + C u_{2} O ↓ + 2 H_{2} O$

תוספת מימן לאצטלדהיד מתרחשת באותם תנאים כמו לפורמלדהיד:

$C H_{3} C H O + H_{2} \to C H_{3} - C H_{2} O H$

בפעולת חומצות, או בעמידה ממושכת, אצטלדהיד מתפלמר בקלות, והופך לטרימר — פראלדהיד (paraldehyde).

פראלדהיד הוא נוזל, מתמצק למסה גבישית ב־12°C, ובחימום בנוכחות חומצות אי־אורגניות מדוללות חוזר לאצטלדהיד. לפראלדהיד השפעה מרדימה חזקה.

בתעשייה מכינים אצטלדהיד מאצטילן, בתגובת קוצ’רוב (ראו 2.8). פותחה גם שיטה לחמצון ישיר של אתן לאצטלדהיד (תהליך וקר, Wacker process): התגובה מתרחשת בנוכחות זרז — תערובת PdCl₂ ו־CuCl₂, בלחץ 1 MPa ובטמפרטורה 100°C:

$C H_{2} = C H_{2} + \frac{1}{2} O_{2} P d C l_{2}, C u C l_{2} C H_{3} C H O$

אצטלדהיד משמש בעיקר להכנת חומצה אצטית, וכן בסינתזות אורגניות מסוימות.

אלדהידים גבוהים, המכילים במולקולתם 7 עד 16 אטומי פחמן, נמצאים בשימוש נרחב בבשמנות, בזכות ריחם הנעים.

3.8. תגובות פוליקונדנסציה (polycondensation)

פוליקונדנסציה היא תהליך היווצרות תרכובות בעלות מסה מולקולרית גבוהה מתרכובות במסה מולקולרית נמוכה, המלווה בשחרור תוצר לוואי (מים, אמוניה, כלור מימני ועוד).

כידוע, בפולימריזציה, בשונה מפוליקונדנסציה, אין שחרור תוצרי לוואי. תוצרי הפוליקונדנסציה (למעט תוצרי הלוואי), כמו תוצרי הפולימריזציה, נקראים פולימרים.

בתגובות פוליקונדנסציה השרשרת גדלה בהדרגה: תחילה מגיבים ביניהם המונומרים ההתחלתיים, ולאחר מכן התרכובת שנוצרה מגיבה לסירוגין עם מולקולות של אותם מונומרים, עד להיווצרות תרכובת פולימרית. דוגמה לתגובת פוליקונדנסציה היא היווצרות שרפי פנול-פורמלדהיד (phenol-formaldehyde resins), המשמשות להכנת חומרים פלסטיים. התגובה מתרחשת בחימום בנוכחות זרז (חומצה או בסיס). מכיוון שבמולקולת הפנול אטומי המימן ניידים (בעיקר במיקומים 2, 4 ו־6), והקבוצה הקרבונילית של האלדהיד מסוגלת לתגובות תוספת, תחילה מגיבים פנול ופורמלדהיד ביניהם, ותוצר הביניים ממשיך ומגיב עם מולקולות נוספות של פנול ופורמלדהיד, ובכך גדלה שרשרת הפולימר.

כתוצאה מהפוליקונדנסציה של פנול עם פורמלדהיד בנוכחות זרזים נוצרות שרפי פנול-פורמלדהיד, שמהן מכינים חומרים פלסטיים — פנופלסטים (בקליט, Bakelite). פנופלסטים הם תחליפים חשובים ביותר למתכות צבעוניות ולברזל בענפי תעשייה רבים. מהם מייצרים מוצרי צריכה רבים, חומרי בידוד חשמלי וחלקי בנייה.

3.9. קטונים (ketones)

קטונים הם תרכובות אורגניות שבמולקולותיהן קיימת קבוצה קרבונילית >C=O, מחוברת לשני רדיקלים פחמימניים. ניתן לראותם כנגזרות של פחמימנים, שבהם שני אטומי מימן על אטום פחמן שניוני הוחלפו באטום חמצן. למשל, מפרופאן CH₃—CH₂—CH₃ נוצר דימתילקטון (אצטון) CH₃—CO—CH₃.

הנוסחה הכללית של הקטונים: R—CO—R′. הרדיקלים R ו־R′ עשויים להיות שונים או זהים.

שמות הקטונים נגזרים משמות הרדיקלים המרכיבים אותם, בתוספת המילה “קטון”, או משמות הפחמימנים המקבילים בתוספת הסיומת ‎-one. למשל: CH₃—CO—CH₃ — דימתילקטון, propan-2-one, אצטון (acetone); CH₃—CO—CH₂—CH₂—CH₃ — מתילפרופילקטון, pentan-2-one.

תכונות הקטונים נבחנות על דוגמת ההומולוג הראשון — אצטון.

אצטון. אצטון (דימתילקטון, propan-2-one) הוא נוזל דליק חסר צבע בעל ריח אופייני. b.p. 56.2°C. מסיס היטב במים, כוהל ואתר. הממיס האורגני הנפוץ ביותר בשימוש, ממיס היטב שומנים, שרפים וחומרים אורגניים רבים נוספים.

אצטון, כמו כל הקטונים, אינו נותן תגובת “מראת כסף”, ואינו מתפלמר. בכך נבדל הוא מהאלדהידים. באותם תנאים כמו פורמלדהיד, מצרף האצטון מימן:

$C H_{3} - C O - C H_{3} + H_{2} N i C H_{3} - C H (O H) - C H_{3}$

גם כאן מצטרף המימן בזכות ניתוק הקשר הכפול של הקבוצה הקרבונילית. אצטון מצרף גם הידרוגן־סולפיט נתרן וחומצה ציאנית.

כממיס, אצטון נמצא בשימוש בענפי תעשייה רבים (ייצור משי מלאכותי, אבקת שריפה חסרת עשן, סרטי צילום, לכות, תרופות ועוד). הוא משמש חומר גלם לסינתזה של חומרים אורגניים רבים.

אצטון מופק בכמויות גדולות בשיטות שונות: בזיקוק יבש של עץ, בפירוק אצטט סידן, בתהליך הוק (ראו 3.4), בחמצון כוהל איזופרופילי, בהידרטציה של אצטילן בקיטור מים. בדרך האחרונה מתרחשת התגובה בטמפרטורה 400–460°C מעל זרז המכיל תחמוצות ברזל ומנגן:

$2 C H \equiv C H + 3 H_{2} O \to C H_{3} - C O - C H_{3} + 2 H_{2} + C O_{2}$

משתי השיטות האחרונות שנמנו, הן המשתלמות ביותר מבחינה כלכלית.

3.10. חומצות קרבוקסיליות (carboxylic acids)

חומצות קרבוקסיליות הן תרכובות אורגניות שבמולקולותיהן קיימת קבוצה קרבוקסילית פונקציונלית (קרבוקסיל, carboxyl) —COOH. השם “קרבוקסיל” נובע מהמילים “קרבוניל” ו”הידרוקסיל”.

אם במולקולה קיימת קבוצה קרבוקסילית אחת, החומצה נקראת חד־בסיסית (מונוקרבוקסילית), שתיים — דו־בסיסית וכן הלאה.

דוגמאות לנציגי הטור ההומולוגי של חומצות קרבוקסיליות חד־בסיסיות רוויות ושמותיהן המסורתיים:

H—COOH — חומצה פורמית (formic acid)
CH₃—COOH — חומצה אצטית (acetic acid)
CH₃—CH₂—COOH — חומצה פרופיונית (propionic acid)
CH₃—CH₂—CH₂—COOH — חומצה בוטירית (חומצת חמאה, butyric acid)
CH₃—(CH₂)₃—COOH — חומצה ולרית (valeric acid)
CH₃—(CH₂)₄—COOH — חומצה קפרואית (caproic acid)
CH₃—(CH₂)₅—COOH — חומצה אננתית (enanthic acid)
CH₃—(CH₂)₁₆—COOH — חומצה סטארית (stearic acid)

כפי שעולה מהדוגמאות, ניתן לראות חומצות קרבוקסיליות כנגזרות של פחמימנים, שבהם אטומי מימן הוחלפו בקבוצות קרבוקסיליות. הנוסחה הכללית של הטור ההומולוגי: CₙH₂ₙ₊₁COOH, או R—COOH (בנציג הראשון, במקום R — אטום מימן).

בנומנקלטורה ההחלופית נגזרים שמות החומצות משמות הפחמימנים המקבילים בתוספת הסיומת ‎-oic והמילה “acid”. למשל: HCOOH — methanoic acid, CH₃COOH — ethanoic acid, CH₃CH₂COOH — propanoic acid, ודוגמה מורכבת יותר: 3-ethyl-4-methylpentanoic acid (שים לב: סדר התחליפים בשם אלפביתי — “ethyl” לפני “methyl”).

איזומריה של חומצות תלויה במבנה הרדיקל. איזומרים מופיעים החל מחומצה בוטירית C₃H₇COOH:

CH₃—CH₂—CH₂—COOH — חומצה בוטירית (butanoic acid)
CH₃—CH(CH₃)—COOH — חומצה איזובוטירית (2-methylpropanoic acid)

תכונות החומצות הקרבוקסיליות. תכונות רבות של חומצות קרבוקסיליות נובעות מנוכחות הקבוצות הקרבוקסיליות במולקולותיהן. אטום החמצן המחובר לפחמן בקשר כפול שואב אליו אלקטרונים. הפחמן רוכש מטען חיובי מסוים, ומושך אליו את אלקטרוני אטום החמצן השני מהקבוצה —OH, מה שגורם להסטת ענן האלקטרונים של הקשר O—H לעבר החמצן. כתוצאה מההשפעה ההדדית בין האטומים בקבוצה הקרבוקסילית, הקשר C=O חזק יותר מבקבוצה קרבונילית, ואילו הקשר O—H חלש יותר מבכוהלים.

לחומצות קרבוקסיליות טמפרטורות רתיחה גבוהות, הקשורות להיווצרות קשרי מימן בין המולקולות.

בתמיסה מימית עוברות חומצות קרבוקסיליות דיסוציאציה ליונים, בדומה לחומצות אי־אורגניות, ונוצרים יוני הידרוקסוניום:

$R C O O H + H_{2} O ⇌ H_{3} O^{+} + R C O O^{-}$

כל החומצות הקרבוקסיליות הן אלקטרוליטים חלשים (HCOOH — בעוצמה בינונית). חומצות קרבוקסיליות מפגינות את כל התכונות האופייניות לחומצות אי־אורגניות (ראו 6.2).

בהשפעת הקבוצה הקרבוקסילית גוברת ניידותם של אטומי מימן הנמצאים על אטום פחמן שכן לקבוצה הקרבוקסילית. לכן ניתן להחליפם בקלות באטומי כלור או ברום:

$C H_{3} C O O H + C l_{2} \to C H_{2} C l C O O H + H C l (2-chloroacetic acid)$ $C H_{3} C H_{2} C O O H + B r_{2} \to C H_{3} C H B r C O O H + H B r (2-bromopropanoic acid)$

ברור כי רדיקלים המכילים כלור או ברום צפויים להשפיע על חומציות הקבוצה הקרבוקסילית. ואכן, דרגת הדיסוציאציה של חומצה כלורואצטית גדולה פי כ־19 מזו של חומצה אצטית, וחומצה טריכלורואצטית קרובה בעוצמתה לחומצה מלחית או גופרתית.

תכונה אופיינית של חומצות קרבוקסיליות היא התגובה עם כוהלים, שבה נוצרים אסטרים (ראו 3.13).

חשיבות רבה יש לחומצות: חומצה פלמיטית (palmitic acid) C₁₅H₃₁COOH וחומצה סטארית C₁₇H₃₅COOH — חומרים מוצקים, וכן חומצה אוליאית (oleic acid) הבלתי־רווית והנוזלית C₁₇H₃₃COOH. שאריות חומצות חד־בסיסיות אלה מרכיבות שומנים ושמנים (ראו 3.14).

הדרך הכללית להכנת חומצות קרבוקסיליות היא חמצון של כוהלים ראשוניים ואלדהידים.

תכונות החומצות נבחנות ביתר פירוט על דוגמת החומצה הפורמית והאצטית.

3.11. חומצה פורמית (formic acid)

חומצה פורמית HCOOH היא נוזל חסר צבע בעל ריח חריף, רותח ב־101°C. מתמוססת במים בכל כמות. גורמת לכוויות בעור. נמצאת בהפרשות בלוטות הנמלים, וכן בצמחים מסוימים (למשל, בעלי הסרפד).

תכונות כימיות. בתכונותיה הכימיות, חומצה פורמית היא הרֵאקטיבית ביותר מבין החומצות הקרבוקסיליות. הדבר נובע מכך שהקבוצה הקרבוקסילית שלה מחוברת למימן, ולא לרדיקל פחמימני. בזכות נוכחות קבוצה אלדהידית במולקולה, לחומצה הפורמית תכונות אלדהיד, כלומר היא מפגינה תכונות חיזור (נותנת תגובת “מראת כסף”):

$H C O O H + A g_{2} O \to 2 A g ↓ + C O_{2} + H_{2} O$

בחימום היא מתפרקת לפחמן חד־חמצני ומים:

$H C O O H Δ C O + H_{2} O$

הכנה. בעבר הכינו חומצה פורמית בהשריית נמלים במים וזיקוק התמיסה. כיום מכינים אותה מפחמן חד־חמצני והידרוקסיד נתרן:

$C O + N a O H \to H C O O N a$

מהמלח שנוצר משחררים בפעולת חומצה גופרתית, ולאחר מכן מזקקים, את החומצה הפורמית:

$H C O O N a + H_{2} S O_{4} \to H C O O H + N a H S O_{4}$

בשל נטייתה להתחמצן בקלות, השיטות הכלליות להכנת חומצות אינן ישימות עבורה במידה רבה.

שימושים. חומצה פורמית נמצאת בשימוש נרחב בתעשייה הכימית כמחזר בסינתזה של חומרים אורגניים, וכן להכנת חומצה אוקסלית; בתעשיית המזון — כחומר חיטוי ושימור; בתעשיית הטקסטיל — בצביעת בדים; ברפואה — כאמצעי שפשוף בשיגרון.

3.12. חומצה אצטית (acetic acid)

חומצה אצטית בטמפרטורה רגילה היא נוזל חסר צבע בעל ריח חריף אופייני. בטמפרטורה נמוכה מ־16.6°C היא מתמצקת לגבישים הדומים לקרח, ומכאן שמה — חומצה אצטית קפואה (glacial acetic acid).

חומצה אצטית מתמוססת במים בכל כמות. תמיסה מימית שלה בריכוז 3–9% ידועה בשם “חומץ” (vinegar), המשמש תבלין למזון. חומצה אצטית בריכוז 70–80% נקראת תמצית חומץ.

תכונות כימיות. בתכונותיה הכימיות, חומצה אצטית דומה לחומצות אי־אורגניות. בתמיסה מימית היא עוברת דיסוציאציה ליונים:

$C H_{3} C O O H ⇌ C H_{3} C O O^{-} + H^{+}$

שארית החומצה CH₃COO⁻ נקראת יון אצטט. מכיוון שחומצה אצטית משתייכת לאלקטרוליטים חלשים, נוצרים מעט יוני מימן ויוני אצטט.

כמו חומצות אי־אורגניות, חומצה אצטית מגיבה עם בסיסים, תחמוצות בסיסיות ומלחים, מה שמנוצל להכנת מלחיה — אצטטים.

הכנה. השיטה הסינתטית המודרנית להכנת חומצה אצטית מבוססת על חמצון אצטלדהיד, המתקבל מאצטילן בתגובת קוצ’רוב (אצטילן מתקבל מחומר גלם זמין מאוד — מתאן): CH₄ → C₂H₂ → CH₃CHO → CH₃COOH.

חשיבות גוברת יש לשיטה חדשה יותר להכנת חומצה אצטית, המבוססת על חמצון בוטאן:

$2 C H_{3} - C H_{2} - C H_{2} - C H_{3} + 5 O_{2} \to 4 C H_{3} C O O H + 2 H_{2} O$

בעוד שתהליך הכנת חומצה אצטית ממתאן הוא רב־שלבי (מתאן → אצטילן → אצטלדהיד → חומצה אצטית), הכנתה בחמצון בוטאן מקצרת את מספר השלבים, מה שמעניק יתרון כלכלי משמעותי.

שימושים. לחומצה אצטית שימושים מגוונים מאוד. בתעשייה הכימית היא משמשת להכנת חומרים פלסטיים, צבעים שונים, חומרים תרופתיים, סיב מלאכותי (משי אצטט), סרטי צילום בלתי דליקים וכו’. כחומר צביעה משמשים מלחי החומצה האצטית — מלחי אלומיניום, כרום וברזל. מלחי החומצה האצטית משמשים גם למאבק במזיקי חקלאות. חומצה אצטית משמשת תבלין למזון, וכן לשימור ירקות.

3.13. אסטרים (esters). תגובות אסטריפיקציה (esterification) וסבוניפיקציה (saponification)

הכנת אסטרים. בתגובת חומצות קרבוקסיליות עם כוהלים נוצרים אסטרים. למשל, מחומצה אצטית וכוהל אתילי, בנוכחות זרז (חומצה גופרתית או מלחית מרוכזת), מתקבל האסטר אתיל אצטט (ethyl acetate):

$C H_{3} C O O H + H O C_{2} H_{5} ⇌ C H_{3} - C O - O - C_{2} H_{5} + H_{2} O$

הנוסחה הכללית של האסטרים: R—CO—O—R′, כאשר R ו־R′ הם רדיקלים פחמימניים. ניתן לראות באסטרים נגזרות של חומצות, שבהן המימן בהידרוקסיל הוחלף ברדיקל. אולם באסטרים של חומצה פורמית, במקום הרדיקל R נמצא אטום מימן.

תגובת יצירת אסטר מחומצה וכוהל נקראת תגובת אסטריפיקציה.

תגובות אסטריפיקציה אופייניות לא רק לחומצות קרבוקסיליות, אלא גם לחומצות אי־אורגניות. למשל, בתגובת כוהל אתילי עם חומצה גופרתית נוצר האסטר דיאתיל סולפט (diethyl sulfate), ומחומצה חנקתית וכוהל — אתיל ניטרט (ethyl nitrate):

$C_{2} H_{5} O H + H N O_{3} \to C_{2} H_{5} - O - N O_{2} + H_{2} O$

נומנקלטורה. לרוב נגזרים שמות האסטרים משמות החומצות והכוהלים ששאריותיהם מרכיבות אותם, בתוספת המילה “אסטר” (או פשוט צירוף השם הבין־לאומי — למשל “אתיל אצטט”). למשל: H—CO—O—CH₃ — מתיל פורמט (methyl formate); CH₃—CO—O—C₂H₅ — אתיל אצטט; CH₃—CO—O—C₅H₁₁ — אמיל אצטט (amyl acetate).

תכונות. אסטרים רבים של חומצות קרבוקסיליות הם נוזלים, מעט מסיסים במים, אך מסיסים היטב בכוהל. מבנה מולקולות האסטרים המיוחד (אין בהם, למשל, קבוצות הידרוקסיליות) גורם לכך שאין קשרי מימן, ולכן אין אסוציאציה של מולקולות, כפי שקיים בכוהלים ובחומצות. לכן אסטרים רותחים בטמפרטורות נמוכות יותר מהחומצות המקבילות.

לאסטרים רבים ריח פירותי נעים. כך, אמיל פורמט (amyl formate) בעל ריח דובדבן, אתיל פורמט (ethyl formate) — ריח רום, אמיל אצטט — ריח בננה, אתיל בוטיראט (ethyl butyrate) — ריח משמש, בוטיל בוטיראט (butyl butyrate) — ריח אננס, אתיל איזוולרט (ethyl isovalerate) — ריח תפוח.

בתגובה עם מים, האסטר הופך שוב לחומצה ולכוהל:

$C H_{3} - C O - O - C_{2} H_{5} + H O H \to C H_{3} C O O H + C_{2} H_{5} O H$

תגובת האסטר עם מים, המובילה להיווצרות כוהל וחומצה, נקראת סבוניפיקציה, או הידרוליזה. היא הפוכה לתגובת האסטריפיקציה.

תהליך האסטריפיקציה הפיך, ובעת הגעה לשיווי משקל כימי נמצאים בתערובת המגיבה הן החומרים ההתחלתיים והן הסופיים. הזרז — יוני מימן (חומצות אי־אורגניות) — מזרז באותה מידה את התגובה הישירה וההפוכה (אסטריפיקציה והידרוליזה), כלומר מקרב את שיווי המשקל. כדי להזיז אותו לעבר יצירת האסטר, יש לקחת את החומצה או הכוהל ההתחלתיים בעודף. אותה תוצאה תתקבל אם מסלקים אחד מתוצרי התגובה: מזקקים את האסטר, או קושרים את המים בחומרים מוציאי מים.

יוני OH⁻ מגבירים את הידרוליזת האסטרים: שיווי המשקל נוטה לעבר החומצה והכוהל, והתגובה הופכת כמעט בלתי הפיכה, שכן החומצה הקרבוקסילית המתקבלת יוצרת מלח עם הבסיס:

$C H_{3} - C O - O - C_{2} H_{5} + N a O H \to C H_{3} C O O N a + C_{2} H_{5} O H$

תגובת האסטר עם מים — תכונתם הכימית החשובה ביותר (אתרים פשוטים אינם עוברים הידרוליזה).

שימושים. אסטרים רבים משמשים ממיסים טובים לחומרים אורגניים. הם נמצאים בשימוש נרחב להכנת תמציות פירות. אסטרים מסוימים משמשים ברפואה: איזואמיל ניטריט (isoamyl nitrite) מקל על התקפי אנגינה פקטוריס, ואתיל ניטריט (ethyl nitrite) מרחיב כלי דם היקפיים.

3.14. שומנים (fats)

שומנים הם אסטרים הנוצרים מחומצות קרבוקסיליות חד־בסיסיות גבוהות, בעיקר חומצה פלמיטית, סטארית (חומצות רוויות) ואוליאית (חומצה בלתי רווית), וכוהל תלת־הידרוקסילי — גליצרול. השם הכללי לתרכובות אלה הוא טריגליצרידים (triglycerides). שומנים טבעיים אינם חומר בודד, אלא תערובת של טריגליצרידים שונים.

היווצרות אחד הטריגליצרידים, למשל טריגליצריד החומצה הסטארית (טריסטארין, tristearin), ניתן לתאר במשוואה:

$glycerol + 3 C_{17} H_{35} C O O H \to tristearin + 3 H_{2} O$

בהרכב מולקולות הטריגליצרידים עשויות להימצא שאריות חומצה שונות, מה שאופייני במיוחד לשומנים טבעיים, אולם שארית הגליצרול מהווה תמיד רכיב קבוע בכל השומנים.

כל השומנים קלים ממים ובלתי מסיסים בהם. הם מסיסים היטב בבנזין, אתר, פחמן טטרהכלוריד, גופרית פחמנית, דיכלוראתאן וממיסים נוספים. נספגים היטב בנייר ובעור. שומנים נמצאים בכל הצמחים ובעלי החיים. שומנים נוזליים נקראים בדרך כלל שמנים. שומנים מוצקים (שומן בקר, כבשים ועוד) מורכבים בעיקר מטריגליצרידים של חומצות רוויות (מוצקות), ונוזליים (שמן חמניות ועוד) — מטריגליצרידים של חומצות בלתי רוויות (נוזליות).

שומנים נוזליים מומרים למוצקים בתגובת הידרוגנציה. המימן מצטרף במקום ניתוק הקשר הכפול ברדיקלים הפחמימניים של מולקולות השומן. התגובה מתרחשת בחימום בלחץ ובנוכחות זרז — ניקל מפוררים דק. תוצר ההידרוגנציה — שומן מוצק (חֵלֶב מלאכותי) — נקרא שומן מוקשה (hydrogenated fat), ומשמש לייצור סבון, סטארין וגליצרול. מרגרינה (margarine) — שומן מזון, מורכב מתערובת שמנים מוהדרגנים (חמניות, כותנה ועוד), שומנים מן החי, חלב וחומרים נוספים (מלח, סוכר, ויטמינים ועוד).

תכונה כימית חשובה של שומנים, כמו כל האסטרים, היא יכולתם לעבור הידרוליזה (סבוניפיקציה). ההידרוליזה מתרחשת בקלות בחימום בנוכחות זרזים — חומצות, בסיסים, תחמוצות מגנזיום, סידן, אבץ:

$triglyceride + 3 H_{2} O \to glycerol + 3 R C O O H$

תגובת הידרוליזת השומנים הפיכה. אולם בהשתתפות בסיסים היא מגיעה כמעט לסיום מוחלט — הבסיסים הופכים את החומצות הנוצרות למלחים, ובכך מונעים את האפשרות לתגובה הפוכה עם הגליצרול.

שומנים הם מרכיב חיוני של המזון. הם נמצאים בשימוש נרחב בתעשייה (הכנת גליצרול, חומצות שומן, סבון).

3.15. סבונים (soaps) וחומרי ניקוי נוספים

סבונים הם מלחים של חומצות קרבוקסיליות גבוהות. סבונים רגילים מורכבים בעיקר מתערובת מלחי חומצות פלמיטית, סטארית ואוליאית. מלחי נתרן יוצרים סבונים מוצקים, מלחי אשלגן — סבונים נוזליים.

סבונים מתקבלים בהידרוליזה של שומנים בנוכחות בסיסים:

$tristearin + 3 N a O H \to glycerol + 3 C_{17} H_{35} C O O N a (sodium stearate, soap)$

מכאן קיבלה התגובה, ההפוכה לאסטריפיקציה, את השם תגובת סבוניפיקציה. סבוניפיקציה של שומנים יכולה להתרחש גם בנוכחות חומצה גופרתית (סבוניפיקציה חומצית). בכך מתקבלים גליצרול וחומצות קרבוקסיליות גבוהות. את האחרונות ממירים לסבונים בפעולת בסיס או סודה. חומר הגלם ההתחלתי להכנת סבון הם שמנים צמחיים (חמניות, כותנה ועוד), שומנים מן החי, וכן הידרוקסיד נתרן או סודה מכולסנת. שמנים צמחיים עוברים תחילה הידרוגנציה, כלומר מומרים לשומנים מוצקים. משמשים גם תחליפי שומן — חומצות שומן קרבוקסיליות סינתטיות במסה מולקולרית גבוהה.

את החומצות הקרבוקסיליות הדרושות לייצור סבון מכינים בחמצון פרפין. בנטרול חומצות המכילות 10 עד 16 אטומי פחמן במולקולה מתקבל סבון רחצה, ומחומצות המכילות 17 עד 21 אטומי פחמן — סבון כביסה ולשימושים טכניים. הן סבון סינתטי והן סבון המופק משומנים שוטפים גרוע במים קשים (ראו 13.9). לכן, לצד סבון מחומצות סינתטיות, מייצרים חומרי ניקוי מחומרי גלם אחרים, למשל מאלקילסולפטים (alkyl sulfates) — מלחי אסטרים של כוהלים גבוהים וחומצה גופרתית:

$R - C H_{2} O H + H O - S O_{2} - O H \to R - C H_{2} - O - S O_{2} - O H + H_{2} O$ $R - C H_{2} - O - S O_{2} - O H + N a O H \to R - C H_{2} - O - S O_{2} - O N a + H_{2} O (sodium alkyl sulfate)$

מלחים אלה מכילים במולקולה 12 עד 14 אטומי פחמן, ובעלי תכונות ניקוי טובות מאוד. מלחי סידן ומגנזיום מסיסים במים, ולכן סבונים כאלה שוטפים גם במים קשים. אלקילסולפטים נמצאים באבקות כביסה רבות.

חומרי ניקוי סינתטיים משחררים מאות אלפי טונות של חומר גלם מיועד למזון — שמנים ושומנים צמחיים.

3.16. פחמימות — סוכרים (carbohydrates)

פחמימות הן תרכובות אורגניות שהרכבן מתואר בדרך כלל בנוסחה הכללית Cₙ(H₂O)ₘ. ידועות גם תרכובות המשויכות לפחמימות שהרכבן אינו תואם את הנוסחה הכללית, למשל הסוכר רמנוז (rhamnose) C₆H₁₂O₅.

פחמימות הן תרכובות טבעיות נפוצות מאוד, מרכיבות צמחים ואורגניזמים חיים. בצמחים הן נוצרות כתוצר פוטוסינתזה (photosynthesis):

$n C O_{2} + m H_{2} O light C_{n} (H_{2} O)_{m} + n O_{2}$

תכולת הפחמימות בצמחים מגיעה עד 80% ממסת החומר היבש, בגוף האדם ובעלי חיים — עד 20%. הן ממלאות תפקיד חשוב בתהליכים הפיזיולוגיים. תזונת האדם מורכבת בכ־70% מפחמימות.

פחמימות מסווגות בדרך כלל למונוסכרידים (monosaccharides), אוליגוסכרידים (oligosaccharides — תוצרי קונדנסציה של שתיים או יותר מולקולות מונוסכריד) ופוליסכרידים (polysaccharides). בין האוליגוסכרידים, החשובים ביותר הם הדיסכרידים (disaccharides) — תוצרי קונדנסציה של שתי מולקולות מונוסכריד.

3.17. מונוסכרידים ודיסכרידים

גלוקוז (glucose). החשוב שבמונוסכרידים הוא הגלוקוז C₆H₁₂O₆, המכונה גם סוכר הענבים (grape sugar). זהו חומר גבישי לבן, מתוק בטעמו, מסיס היטב במים. גלוקוז נמצא בצמחים ובאורגניזמים חיים, ובמיוחד רבה תכולתו במיץ הענבים (מכאן שמו — סוכר הענבים), בדבש, וכן בפירות ובפירות יער בשלים.

מבנה הגלוקוז נקבע על בסיס חקר תכונותיו הכימיות. כך, גלוקוז מפגין תכונות האופייניות לכוהלים: יוצר עם מתכת אלקוקסידים (סכרטים), אסטר אצטי מורכב, המכיל חמש שאריות חומצה (לפי מספר הקבוצות ההידרוקסיליות). לכן, גלוקוז הוא כוהל רב־הידרוקסיל. עם תמיסה אמוניקלית של תחמוצת כסף הוא נותן תגובת “מראת כסף”, מה שמצביע על נוכחות קבוצה אלדהידית בקצה שרשרת הפחמן. לכן גלוקוז הוא אלדהידוכוהל, ומולקולתו יכולה להיות בעלת המבנה CH₂OH—(CHOH)₄—CHO.

עם זאת, לא כל תכונותיו תואמות מבנה של אלדהידוכוהל. כך, גלוקוז אינו נותן חלק מתגובות האלדהידים. אחד מחמשת ההידרוקסילים מתאפיין ברֵאקטיביות הגבוהה ביותר, והחלפת המימן בו ברדיקל מתילי מובילה להיעלמות התכונות האלדהידיות של החומר. כל זאת נתן בסיס למסקנה שלצד הצורה האלדהידית קיימות צורות ציקליות של מולקולת הגלוקוז (α-ציקלית ו־β-ציקלית), הנבדלות במיקום הקבוצות ההידרוקסיליות ביחס למישור הטבעת. למולקולת הגלוקוז מבנה ציקלי במצב הגבישי, ואילו בתמיסה מימית היא קיימת בצורות שונות, המומרות זו לזו הדדית (צורה אלדהידית ⇌ צורה α-ציקלית ⇌ צורה β-ציקלית).

בצורות הציקליות אין קבוצה אלדהידית. הקבוצה ההידרוקסילית באטום הפחמן הראשון היא הרֵאקטיבית ביותר. הצורה הציקלית מסבירה תכונות כימיות רבות של הפחמימות.

בקנה מידה תעשייתי מפיקים גלוקוז בהידרוליזת עמילן (בנוכחות חומצות). פותח גם ייצורו מעץ (צלולוז).

גלוקוז הוא חומר מזון בעל ערך רב. בחמצונו ברקמות משתחררת אנרגיה, הדרושה לפעילות התקינה של האורגניזם:

$C_{6} H_{12} O_{6} + 6 O_{2} \to 6 C O_{2} + 6 H_{2} O$

גלוקוז משמש ברפואה להכנת תכשירים רפואיים, לשימור דם, עירוי תוך־ורידי וכו’. הוא נמצא בשימוש נרחב בתעשיית הממתקים, בייצור מראות וצעצועים (הכספה). משתמשים בו בצביעה ובאפרטור של בדים ועור.

פרוקטוז (fructose) — איזומר של הגלוקוז, נמצא יחד עם הגלוקוז בפירות מתוקים ובדבש. הוא מתוק יותר מהגלוקוז ומהסוכרוז (ראו להלן). פרוקטוז הוא קטונוכוהל. את מבנה מולקולתו ניתן לבטא בנוסחה: CH₂OH—CO—(CHOH)₃—CH₂OH.

מכיוון שיש לו קבוצות הידרוקסיליות, מסוגל הפרוקטוז, כמו הגלוקוז, ליצור סכרטים ואסטרים. אולם בשל היעדר הקבוצה האלדהידית, הוא רגיש פחות לחמצון מהגלוקוז. פרוקטוז, כמו הגלוקוז, אינו עובר הידרוליזה.

סוכרוז (sucrose). מקבוצת הדיסכרידים, החשוב ביותר הוא הסוכרוז, המכונה גם סוכר סלק (beet sugar) או סוכר קנים (cane sugar). הנוסחה האמפירית של הסוכרוז: C₁₂H₂₂O₁₁.

תכולתו רבה בסלק הסוכר ובגבעולי קנה הסוכר. הוא נמצא גם במיץ עצי ליבנה, אדר, ובפירות וירקות רבים.

סוכרוז (הסוכר הרגיל) הוא חומר גבישי לבן, מתוק יותר מהגלוקוז, מסיס היטב במים.

תכונה כימית חשובה של הסוכרוז היא יכולתו לעבור הידרוליזה (בחימום בנוכחות יוני מימן). בכך, ממולקולת סוכרוז אחת נוצרות מולקולת גלוקוז ומולקולת פרוקטוז:

$C_{12} H_{22} O_{11} + H_{2} O \to C_{6} H_{12} O_{6} (Glc) + C_{6} H_{12} O_{6} (Fru)$

יוני מימן מזרזים את תהליך ההידרוליזה.

סוכרוז אינו נותן תגובת “מראת כסף”, ואין לו תכונות חיזור. בכך נבדל הוא מהגלוקוז. מולקולת הסוכרוז מורכבת משאריות מולקולות הגלוקוז והפרוקטוז בצורתן הציקלית, המחוברות ביניהן דרך אטום חמצן.

סוכרוז מופק בעולם בעיקר מסלק סוכר (המכיל עד 20% ממנו) ובאזורים טרופיים — מקנה סוכר.

3.18. פוליסכרידים (polysaccharides)

עמילן (starch). עמילן, וכן צלולוז (ראו להלן), משתייכים לקבוצה השלישית של הפחמימות — הפוליסכרידים.

המסה המולקולרית של חומר זה אינה נקבעת במדויק, אולם ידוע שהיא גבוהה מאוד (בסדר גודל של 100,000), ועבור דגימות שונות עשויה להיות שונה. לכן, את נוסחת העמילן, כמו של פוליסכרידים אחרים, כותבים בצורת (C₆H₁₀O₅)ₙ. עבור כל פוליסכריד, n מקבל ערכים שונים.

עמילן הוא אבקה לבנה חסרת טעם, בלתי מסיסה במים קרים. במים חמים הוא תופח, ונוצר עמילן קלוי (עמילן ג’לטיני, starch paste).

עמילן נפוץ מאוד בטבע. הוא משמש לצמחים שונים חומר מזון רזרבי, ונמצא בהם בצורת גרגירי עמילן. עשיר בעמילן במיוחד גרגר הדגנים: אורז (עד 86%), חיטה (עד 75%), תירס (עד 72%), וכן פקעות תפוח האדמה (עד 24%). בפקעות תפוח האדמה צפים גרגירי העמילן בנוזל התא, בדגנים הם דבוקים בחוזקה לחומר חלבוני — הגלוטן (gluten). עמילן הוא אחד מתוצרי הפוטוסינתזה.

מהצמחים מפיקים עמילן בפירוק התאים ושטיפתו במים. בקנה מידה תעשייתי הוא מופק בעיקר מפקעות תפוח האדמה (בצורת קמח תפוח אדמה), וכן מתירס.

בפעולת אנזים, או בחימום עם חומצות (יוני מימן משמשים זרז), עובר עמילן, כמו כל הפחמימות המורכבות, הידרוליזה. בכך נוצר תחילה עמילן מסיס, ולאחר מכן חומרים פחות מורכבים — דקסטרינים (dextrins). תוצר הסיום של ההידרוליזה הוא גלוקוז. את המשוואה הכוללת ניתן לבטא כך:

$(C_{6} H_{10} O_{5})_{n} + n H_{2} O \to n C_{6} H_{12} O_{6}$

הידרוליזת עמילן היא תכונתו הכימית החשובה.

עמילן אינו נותן תגובת “מראת כסף”, אולם תוצרי הידרוליזתו כן נותנים אותה. מקרומולקולות העמילן מורכבות ממולקולות רבות של α-גלוקוז ציקלי. התחברות מולקולות הגלוקוז מתרחשת בהשתתפות הקבוצות ההידרוקסיליות הרֵאקטיביות ביותר, ואילו היעלמותן שוללת את האפשרות ליצירת קבוצות אלדהידיות, ולכן אינן קיימות במולקולת העמילן. כך מוסברות התכונות הכימיות של העמילן על ידי מבנהו.

תמיסת יוד צובעת עמילן בצבע כחול. בחימום הצבע נעלם, ובקירור מופיע שוב. תמיסת יוד משמשת לגילוי עמילן, ותמיסת עמילן (starch paste) — לגילוי יוד.

שימושי העמילן מגוונים. הוא מהווה את הפחמימה העיקרית במזון האדם — לחם, דגנים, תפוחי אדמה. בכמויות ניכרות הוא מעובד לדקסטרינים, סירופ סוכר וגלוקוז, המשמשים בתעשיית הממתקים. מעמילן הכלול בתפוחי אדמה ובגרגר הדגנים מכינים כוהל אתילי. עמילן משמש חומר הדבקה, מיושם בגימור בדים ובעימלון בגדים. ברפואה מכינים על בסיס עמילן משחות, אבקות וכו’.

צלולוז (cellulose). צלולוז, או תאית, הוא פחמימה נפוצה עוד יותר מהעמילן. ממנו מורכבים בעיקר דפנות התאים הצמחיים. בעץ נמצאת תכולת צלולוז עד 60%, בצמר גפן ובנייר סינון — עד 90%.

צלולוז טהור הוא חומר מוצק לבן, בלתי מסיס במים ובממיסים אורגניים רגילים, אך מסיס היטב בתמיסה אמוניקלית של הידרוקסיד נחושת (II) (ריאגנט שוויצר, Schweizer’s reagent). מתמיסה זו שוקעים חומצות את הצלולוז בצורת סיבים (צלולוז הידרטי).

הרכב הצלולוז, כמו העמילן, מתואר בנוסחה (C₆H₁₀O₅)ₙ. ערך n בסוגים מסוימים של צלולוז מגיע עד 40,000, והמסה המולקולרית מגיעה עד כמה מיליונים. למולקולותיו מבנה ליניארי (בלתי מסתעף), ולכן צלולוז יוצר בקלות סיבים. לעומת זאת, למולקולות העמילן מבנה ליניארי ומסתעף גם יחד. זהו ההבדל העיקרי בין עמילן לצלולוז.

יש גם הבדלים במבנה החומרים: מקרומולקולות העמילן מורכבות משאריות מולקולות α-גלוקוז, ואילו מקרומולקולות הצלולוז — משאריות מולקולות β-גלוקוז.

הבדלים קטנים במבנה המולקולות גורמים להבדלים משמעותיים בתכונות הפולימרים: עמילן הוא מוצר מזון, ואילו צלולוז אינו ראוי למטרה זו.

צלולוז אף הוא אינו נותן תגובת “מראת כסף” (אין בו קבוצה אלדהידית), אך נכנס עם חומצות לתגובות אסטריפיקציה. זהו הבסיס לראייה בכל יחידה C₆H₁₀O₅ כשארית גלוקוז המכילה שלוש קבוצות הידרוקסיליות. בנוסחת הצלולוז מבליטים לעיתים את אלו: [C₆H₇O₂(OH)₃]ₙ.

בזכות הקבוצות ההידרוקסיליות מסוגל הצלולוז ליצור אתרים פשוטים ואסטרים.

בתגובת הצלולוז עם חומצה חנקתית מרוכזת, בנוכחות חומצה גופרתית מרוכזת כחומר מוציא מים, נוצר האסטר — תרינטרט הצלולוז (cellulose trinitrate):

$[C_{6} H_{7} O_{2} (O H)_{3}]_{n} + 3 n H N O_{3} \to [C_{6} H_{7} O_{2} (O N O_{2})_{3}]_{n} + 3 n H_{2} O$

זהו חומר נפץ, המשמש להכנת אבקות שריפה.

בטמפרטורה רגילה מגיב הצלולוז רק עם חומצות מרוכזות.

כמו העמילן, גם הצלולוז עובר בחימום עם חומצות מדוללות הידרוליזה ויוצר גלוקוז:

$(C_{6} H_{10} O_{5})_{n} + n H_{2} O \to n C_{6} H_{12} O_{6}$

הידרוליזת הצלולוז, המכונה גם סיכור (saccharification), היא תכונה חשובה מאוד של הצלולוז, המאפשרת להפיק מנסורת ושבבי עץ גלוקוז, ובתסיסתו — כוהל אתילי. כוהל אתילי המופק מעץ נקרא כוהל הידרוליזי (hydrolysis alcohol).

צלולוז בצורת כותנה, פשתן וקנבוס משמש לייצור בדים — כותנה ופשתן. כמויות גדולות ממנו מנוצלות לייצור נייר. סוגי נייר זולים מיוצרים מעץ עצי מחט, סוגים איכותיים — מסחבות פשתן וכותנה. בעיבוד כימי של הצלולוז מתקבלים סוגים שונים של משי מלאכותי, פלסטיק, סרטי צילום, אבקות שריפה, לכות ועוד רבים.

3.19. חומצות בלתי־רוויות, דו־בסיסיות והטרופונקציונליות

חומצות קרבוקסיליות בלתי־רוויות. במולקולות חומצות קרבוקסיליות בלתי־רוויות, הקבוצה הקרבוקסילית מחוברת לרדיקל פחמימני בלתי־רווי. החומצה הבלתי־רווית הפשוטה ביותר היא CH₂=CH—COOH. שמה בנומנקלטורה הבין־לאומית — prop-2-enoic acid, בשם המסורתי — חומצה אקרילית (acrylic acid).

חשיבות מעשית רבה יש גם לחומצה בלתי־רווית נוספת — חומצה מתאקרילית (methacrylic acid) (או 2-methylprop-2-enoic acid בנומנקלטורה הבין־לאומית): CH₂=C(CH₃)—COOH.

מבין החומצות הבלתי־רוויות הגבוהות יש לציין את חומצה אוליאית, ששאריתה נכללת בהרכב שומנים מסוימים (בעיקר צמחיים). למולקולת החומצה האוליאית מבנה בלתי מסתעף: C₁₇H₃₃COOH, או CH₃—(CH₂)₇—CH=CH—(CH₂)₇—COOH.

חומצות בלתי־רוויות מפגינות תכונות האופייניות הן לחומצות קרבוקסיליות רוויות (מגיבות עם בסיסים, יוצרות אסטרים וכו’) והן לפחמימנים בלתי־רוויים (משתתפות בתגובות תוספת וחמצון). מיוחד לתגובות התוספת בחומצות בלתי־רוויות הוא סטייה מכלל מרקובניקוב, הנובעת מהשפעת הקבוצה הקרבוקסילית על הקשר הכפול. למשל, תוספת ברום מימני לחומצה אקרילית מתרחשת בניגוד לכלל מרקובניקוב:

$C H_{2} = C H - C O O H + H B r \to C H_{2} B r - C H_{2} - C O O H$

חומצות בלתי־רוויות מתפלמרות בקלות. חומצות אקרילית ומתאקרילית ונגזרותיהן הן חומר גלם התחלתי להכנת חומרים פולימריים חשובים רבים.

בפולימריזציה של האסטר המתילי של חומצה מתאקרילית נוצר פולימתיל מתאקרילט (polymethyl methacrylate, PMMA):

$n C H_{2} = C (C H_{3}) - C O O C H_{3} \to (- C H_{2} - C (C H_{3}) (C O O C H_{3}) -)_{n}$

פולימתיל מתאקרילט בצורת לוח שקוף, המכונה זכוכית אורגנית (Plexiglas/Perspex).

בין החומצות הבלתי־רוויות נמנות גם חומצות קרבוקסיליות ארומטיות, שהפשוטה שבהן היא חומצה בנזואית (benzoic acid) C₆H₅COOH.

חומצות קרבוקסיליות דו־בסיסיות. מולקולות חומצות קרבוקסיליות דו־בסיסיות מכילות שתי קבוצות קרבוקסיליות. החומצה הדו־בסיסית הפשוטה ביותר — החומצה האוקסלית (oxalic acid) — מורכבת משתי קבוצות קרבוקסיליות מחוברות: HOOC—COOH (שם בין־לאומי — ethanedioic acid).

חומצה אוקסלית היא חומר גבישי חסר צבע, מסיס היטב במים. את מלח הנתרן שלה מכינים בחימום פורמט נתרן:

$2 H C O O N a Δ N a O O C - C O O N a + H_{2}$

כחומצה דו־בסיסית, החומצה האוקסלית יוצרת שני סוגי מלחים: חומציים וניטרליים. מלחי החומצה האוקסלית נקראים אוקסלטים (oxalates). עם קטיוני מתכות רבים יוצרים יוני האוקסלט תרכובות קומפלקסיות יציבות.

אחד ההומולוגים של החומצה האוקסלית הוא חומצה אדיפית (adipic acid) HOOC—(CH₂)₄—COOH. חומצה אדיפית נכנסת לתגובת פוליקונדנסציה עם הקסמתילן דיאמין (hexamethylenediamine) H₂N—(CH₂)₆—NH₂:

$n H O O C - (C H_{2})_{4} - C O O H + n H_{2} N - (C H_{2})_{6} - N H_{2} \to [- C O - (C H_{2})_{4} - C O - N H - (C H_{2})_{6} - N H -]_{n} + 2 n H_{2} O$

(פוליאמיד-6,6, nylon-6,6)

מפוליאמיד-6,6 מייצרים סיב סינתטי — ניילון (nylon).

בין החומצות הדו־בסיסיות נמנות גם חומצות ארומטיות בהרכב C₆H₄(COOH)₂. לנוסחה זו מתאימים שלושה איזומרים: חומצה פתאלית (phthalic acid) (אורתו-), חומצה איזופתאלית (isophthalic acid) (מטא-), חומצה תרפתאלית (terephthalic acid) (פארא-).

מחומצה תרפתאלית מכינים פולימרים שונים, ובפרט פוליאתילן תרפתלאט (polyethylene terephthalate, PET) — קופולימר של חומצה תרפתאלית עם אתילן גליקול. מ-PET מייצרים סיב סינתטי — פוליאסטר (polyester).

חומצות קרבוקסיליות הטרופונקציונליות. במולקולות חומצות קרבוקסיליות הטרופונקציונליות קיימות, מלבד קבוצות קרבוקסיליות (אחת או יותר), גם קבוצות פונקציונליות נוספות, למשל קבוצות הידרוקסיליות (חומצות הידרוקסי) או קבוצות קרבוניליות (חומצות אוקסו).

חומצת ההידרוקסי הפשוטה ביותר היא חומצה גליקולית (glycolic acid) (2-hydroxyethanoic acid) CH₂(OH)—COOH. זהו חומר חסר צבע בעל ריח סוכר שרוף. נמצאת בהרכב צמחים מסוימים.

חומצה לקטית (lactic acid) (2-hydroxypropanoic acid) היא חומצת הידרוקסי חד־בסיסית: CH₃—CH(OH)—COOH. זהו חומר גבישי לבן, מסיס במים. נוצרת בתהליך תסיסת חומצה לקטית של פחמימות, למשל גלוקוז:

$C_{6} H_{12} O_{6} \to 2 C H_{3} - C H (O H) - C O O H$

תהליך כזה מתרחש בהחמצת חלב, כבישת כרוב, הבשלת גבינה וכו’. חומצה לקטית נמצאת ברקמות השריר של בעלי חיים. מלחי החומצה הלקטית נקראים לקטטים (lactates).

חומצה מלית (malic acid) היא חומצת הידרוקסי דו־בסיסית: HOOC—CH₂—CH(OH)—COOH. היא נכללת בהרכב תפוחים, חוגה ופירות ופירות יער נוספים. מלחי החומצה המלית (ניטרליים וחומציים) נקראים מלטים (malates).

חומצה טרטרית (tartaric acid) HOOC—CH(OH)—CH(OH)—COOH נמצאת בענבים ובפירות נוספים. מלחי החומצה הטרטרית (ניטרליים וחומציים) — טרטרטים (tartrates). למלחים רבים של החומצה הטרטרית חשיבות שימושית רבה. למשל, טרטרט נתרן-אשלגן נכלל בהרכב ריאגנט פֶלינג (Fehling’s reagent), המשמש לזיהוי אלדהידים ופחמימות.

מולקולת החומצה הצטרית (citric acid) מכילה שלוש קבוצות קרבוקסיליות וקבוצה הידרוקסילית אחת: HOOC—CH₂—C(OH)(COOH)—CH₂—COOH. חומצה צטרית היא חומר גבישי לבן מסיס במים. היא נמצאת בהדרים ובצמחים נוספים. ניתן להכינה בתסיסה חומצה צטרית של גלוקוז (בפעולת מיקרואורגניזמים מיוחדים).

חומצה צטרית היא חומצה תלת־בסיסית. היא יכולה ליצור מלחים ניטרליים (בזכות שלוש הקבוצות הקרבוקסיליות) ושני סוגי מלחים חומציים (בזכות שתיים ואחת מהקבוצות). מלחי החומצה הצטרית נקראים ציטרטים (citrates). עם קטיוני מתכות רבים יוצרת החומצה הצטרית תרכובות קומפלקסיות יציבות.

חומצה פירובית (pyruvic acid) היא חומצת אוקסו חד־בסיסית (החומצה הקטונית הפשוטה ביותר), מולקולתה מכילה קבוצה קרבונילית וקרבוקסילית: CH₃—CO—COOH. מלחי החומצה הפירובית נקראים פירובטים (pyruvates).

חומצה אוקסלואצטית (oxaloacetic acid) היא חומצת אוקסו דו־בסיסית: HOOC—CH₂—CO—COOH. מלחי החומצה האוקסלואצטית — אוקסלואצטטים (oxaloacetates).

חומצות הטרופונקציונליות רבות ומלחיהן ממלאים תפקיד חשוב בתהליכים ביוכימיים המתרחשים בצמחים ובבעלי חיים. רבות מהן משתתפות, למשל, ב”מעגל החומצה הצטרית” (מעגל קרבס, Krebs cycle / citric acid cycle), שבמהלכו מתרחשת המרת פחמימות לפחמן דו־חמצני ומים. מעגל זה מספק אנרגיה וחומרים חשובים נוספים לגוף.

3.20. פתרון בעיות לדוגמה

בעיה 1. 30 mL אתנול (צפיפות 0.79 g/mL) חוממו עם עודף ברומיד אשלגן וחומצה גופרתית. מתערובת התגובה בודד ברומואתן בעל מסה 42.3 g. קבעו את חלק המסה של תפוקת ברומואתן.

פתרון. בחימום תערובת אתנול עם ברומיד אשלגן וחומצה גופרתית מתרחשות התגובות:

$2 K B r + H_{2} S O_{4} \to 2 H B r + K_{2} S O_{4} (a)$ $C_{2} H_{5} O H + H B r \to C_{2} H_{5} B r + H_{2} O (b, bromoethane)$

מחשבים את מסת וכמות החומר של האתנול שנלקח לתגובה:

$m (C_{2} H_{5} O H) = 30 \cdot 0.79 g = 23.7 g;$ $n (C_{2} H_{5} O H) = \frac{23.7}{46} mol = 0.515 mol .$

ממשוואה (b): n(C₂H₅Br) = n(C₂H₅OH) = 0.515 mol.

מחשבים את מסת הברומואתן שהייתה מתקבלת בתפוקה של 100%:

$m (C_{2} H_{5} B r) = 0.515 \cdot 109 g = 56.1 g .$

מחשבים את חלק המסה של תפוקת הברומואתן:

$η (C_{2} H_{5} B r) = \frac{m _{exp}}{m _{theor}} \cdot 100% = \frac{42.3}{56.1} \cdot 100% \approx 75.4%.$

בעיה 2. כיצד ניתן להכין אתיל אצטט מאתאן? כתבו את משוואות התגובות המתאימות.

פתרון. בברומינציה של אתאן מקבלים תחילה ברומואתן:

$C_{2} H_{6} + B r_{2} \to C_{2} H_{5} B r + H B r$

בהידרוליזה של הברומואתן בנוכחות בסיס, מקבלים אתנול:

$C_{2} H_{5} B r + H_{2} O \to C_{2} H_{5} O H + H B r$

(הבסיס דרוש להזזת שיווי המשקל לעבר הכוהל).

מהכוהל ניתן לקבל אלדהיד בשתי דרכים:

(a) בדהידרוגנציה של הכוהל: $C_{2} H_{5} O H C u Δ C H_{3} C H O + H_{2}$

(b) בחמצון הכוהל: $2 C_{2} H_{5} O H + O_{2} C u 2 C H_{3} C H O + 2 H_{2} O$

בחמצון האלדהיד (בכל חומר חמצון), ניתן לקבל חומצה אצטית:

$5 C H_{3} C H O + 2 K M n O_{4} + 3 H_{2} S O_{4} \to 5 C H_{3} C O O H + 2 M n S O_{4} + K_{2} S O_{4} + 3 H_{2} O$

את האסטר — אתיל אצטט — מקבלים מאתנול וחומצה אצטית בתגובת אסטריפיקציה בנוכחות זרז (חומצה גופרתית מרוכזת):

$C_{2} H_{5} O H + C H_{3} C O O H H^{+} C H_{3} C O O C_{2} H_{5} + H_{2} O$

בעיה 3. חלק המסה של עמילן בתפוח האדמה הוא 20%. חשבו את מסת הגלוקוז שניתן להפיק מ־405 kg תפוחי אדמה. תפוקת התוצר היא 70%.

פתרון. כותבים את משוואת הידרוליזת העמילן:

$(C_{6} H_{10} O_{5})_{x} + x H_{2} O \to x C_{6} H_{12} O_{6}$

מחשבים את מסת העמילן בתפוחי האדמה:

$m (St) = \frac{405 \cdot 20}{100} kg = 81 kg .$

קובעים את כמות החומר של העמילן (בחישוב ליחידת המבנה C₆H₁₀O₅, M = 162 g/mol):

$n (St) = \frac{81}{162} kmol = 0.5 kmol .$

ממשוואת ההידרוליזה נובע: n(יחידת עמילן) = n(Glc) = 0.5 kmol.

מחשבים את מסת הגלוקוז שניתן להפיק בתפוקה כמותית:

$m (Glc) = 0.5 \cdot 180 kg = 90 kg .$

בהתחשב בחלק המסה של תפוקת התוצר, מחשבים את המסה שהתקבלה בפועל:

$m_{exp} (Glc) = \frac{90 \cdot 70}{100} kg = 63 kg .$

בעיה 4. לחומצה קרבוקסילית חד־בסיסית הרכב כדלקמן: פחמן (חלק מסה 40.0%), חמצן (53.3%), מימן (6.7%). קבעו את נוסחת החומצה. חשבו את נפח תמיסת הידרוקסיד נתרן (חלק מסה NaOH — 15%, צפיפות 1.16 g/mL) הדרוש לנטרול דגימה של חומצה זו במסה 12 g.

פתרון. את נוסחת החומצה הקרבוקסילית החד־בסיסית ניתן לרשום כ־CₓH₂ₓ₊₁COOH, או Cₓ₊₁H₂ₓ₊₂O₂. בוחרים לצורך החישוב דגימה של חומצה במסה 100 g. מחשבים את המסות וכמויות החומר של C, ‏H ו־O בדגימה זו:

$m (C) = 40 g; n (C) = \frac{40}{12} mol = 3.33 mol;$ $m (H) = 6.7 g; n (H) = 6.7 mol;$ $m (O) = 53.3 g; n (O) = \frac{53.3}{16} mol = 3.33 mol .$

היחס n(C) : n(H) : n(O) = 3.33 : 6.7 : 3.33 = 2 : 4 : 2, כלומר הנוסחה הפשוטה ביותר היא C₂H₄O₂. זהו הרכב חומצה אצטית CH₃COOH.

כותבים את משוואת תגובת נטרול חומצה זו בהידרוקסיד נתרן:

$C H_{3} C O O H + N a O H \to C H_{3} C O O N a + H_{2} O$

קובעים את כמות החומר של החומצה בדגימה במסה 12 g:

$n (C H_{3} C O O H) = \frac{12}{60} mol = 0.2 mol .$

ממשוואת התגובה: n(NaOH) = n(CH₃COOH) = 0.2 mol.

מחשבים את מסת הידרוקסיד הנתרן המגיבה עם החומצה:

$m (N a O H) = 0.2 \cdot 40 g = 8 g .$

מחשבים את מסת ונפח תמיסת NaOH הדרושה לנטרול החומצה:

$m (soln) = \frac{8 \cdot 100}{15} g \approx 53.3 g;$

$V = \frac{53.3}{1.16} mL \approx 46 mL .$

alugovskoy.net

Explorer