Karboxylové kyseliny

Karboxylové kyseliny jsou organické kyseliny, které obsahují karboxylovou skupinu −COOH. Karboxylové kyseliny, společně se svými solemi, tvoří nezbytnou součást všech živých organismů. Jsou to substráty klíčových metabolických dějů a aminokyselin, tedy kyselin, které kromě karboxylové skupiny obsahují ještě skupinu aminovou (NH₂), jsou základním stavebním kamenem bílkovin.

Charakteristika

V porovnání s minerálními kyselinami jsou kyselinami výrazně slabšími. Pro srovnání: (první) disociační konstanta pK_a nejsilnější karboxylové kyseliny, kyseliny šťavelové, je 1,27 zatímco pK_a kyseliny sírové je −3,0. Míra kyselosti ještě klesá u vyšších homologů karboxylových kyselin. Je to dáno tím, že methylové skupiny působí kladným indukčním efektem, který stabilizuje protonovanou formu. Naopak destabilizuje iontovou formu kyseliny, protože zvětšuje její záporný náboj.

Při disociaci se odštěpuje proton z karboxylové skupiny a vzniká karboxylátový anion:

R−COOH + OH⁻ → R−COO⁻ + H₂O

Hydroxylový aniont OH⁻ vznikl disociací vody, druhým vzniklým iontem je oxoniový kationt H₃O⁺. Po přídavku karboxylové kyseliny do vody se tedy disociací kyseliny a vznikem karboxylátového iontu odstraní část hydroxylových aniontů a vznikne přebytek oxoniových kationtů.

Protože koncentrace (přesněji aktivita) oxoniových iontů určuje pH roztoku, čím větší aktivita H₃O⁺, tím nižší pH, jsou vodné roztoky karboxylových kyselin kyselé. Disociační konstanta vyjadřuje ochotu sloučeniny disociovat; protože karboxylové kyseliny disociují málo, výsledné pH nebude ale nikdy příliš nízké. Disociační konstantu lze poněkud zvýšit přítomností silných elektronegativních skupin na atomu uhlíku přímo sousedícího s karboxylovou skupinou, jako jsou halogenidy. To totiž způsobí posun náboje v molekule a atom vodíku se snadněji odštěpuje (např. kyselina trichloroctová je silnější než kyselina octová).

Fyzikální vlastnosti karboxylových kyselin jsou závislé na délce řetězce:

Délka řetězce	Skupenství	Zápach
krátký řetězec	těkavá kapalina	zapáchající
delší řetězec	hustá, olejovitá kapalina	zapáchající
dlouhý řetězec	pevná krystalická látka	bez zápachu

Karboxylová skupina je polární a vytváří proto vodíkové můstky. Ty mají přímý vliv na body varu i tání. Body varu rostou s délkou řetězce. Kyseliny se sudým počtem uhlíků mají vyšší bod varu než nejbližší vyšší a nižší karboxylové kyseliny s lichým počtem uhlíků.

Podle podobnosti vyšších karboxylových kyselin s alkany získaly triviální název mastné kyseliny. Převažuje u nich lipofilní charakter a jsou tedy ve vodě nerozpustné. Dikarboxylové (např. kyselina šťavelová) nebo aromatické kyseliny (např. kyselina benzoová) jsou za laboratorních podmínek tuhé.

Nasycené kyseliny – jsou kyseliny odvozené od nasycených uhlovodíků (mají ve svém řetězci pouze jednoduché vazby)
Nenasycené kyseliny – jsou kyseliny odvozené od nenasycených uhlovodíků (mají ve svém řetězci alespoň jednu dvojnou nebo trojnou vazbu)
Aromatické kyseliny – jsou kyseliny odvozené od aromatického jádra (např. benzen – kyselina benzoová)

Názvosloví

Karboxylová skupina je v chemickém názvosloví organických sloučenin nejdůležitější skupinou. Proto se systematický název každé látky, která tuto skupinu obsahuje, skládá ze slova kyselina a přídavného jména s koncovkou -ová, resp. karboxylová. Jen když některá karboxylová skupina není započítána do základního řetězce, používá se předpona karboxy-.

Jejich molekuly mohou obsahovat také jiné funkční skupiny (substituční deriváty), např. již zmíněnou aminovou skupinu (aminokyseliny), hydroxylovou skupinu −OH (hydroxykyseliny), nebo halogen. Kyseliny, které mají více než jednu karboxylovou skupinu se nazývají polykarboxylové kyseliny.

Mnoho karboxylových kyselin má své triviální, častěji používané názvy. Například kyselina ethanová je častěji známa jako kyselina octová.

Vznik

Karboxylové kyseliny vznikají z uhlovodíků postupnou oxidací přes alkohol a aldehyd:

R−CH₃ → R−CH₂−OH → R−CH=O → R−COOH

Reakce karboxylových kyselin

Neutralizace

Kromě výše popsané disociace mají karboxylové kyseliny ještě jednu schopnost neutralizace vlastní kyselým látkám: reagují se zásadou v reakci, při které vzniká voda a sůl kyseliny. Jedná se o vratnou reakci, sůl je totiž rozkládána vzniklou vodou. Soli vyšších karboxylových kyselin se nazývají mýdla.

R−COOH + NaOH → R−COONa + H₂O

Dekarboxylace

Při dekarboxylaci karboxylová kyselina ztrácí karboxylovou skupinu:

HOOC−CH₂−COOH → CH₃−COOH + CO₂

stejně tak při kvašení kyseliny pyrohroznové (ethanolové kvašení) dochází k zániku karboxylové skupiny a vzniku alkoholu (ethanolu):

CH₃COCOOH (+kvasinky, energie) → CH₃CH₂OH

Esterifikace

S alkoholy karboxylové kyseliny reagují za vzniku esterů. Reakce je zvláštní tím, že vodík OH skupiny alkoholů je kyselejší než karboxylová skupina, karboxylová kyselina se tedy v reakci chová jako zásada:

R−COOH + R'−OH → R−COOR' + H₂O

Mezi estery patří velké množství látek používaných jako chuťové esence v potravinách, například rumová esence je chemicky ethylformiát. Naprostá většina lipidů jsou estery, nejčastější složka tuků a olejů je triacylglycerol, ester vyšších – mastných kyselin a trojsytného alkoholu glycerolu. Všeobecně známé jsou tyto tři vyšší mastné kyseliny – palmitová, stearová a olejová.

Dehydratace

kys. ftalová za dodání tepla reaguje a vzniká anhydrid (ftalanhydrid) této kyseliny a voda

Oxidace

oxiduje pouze kyselina mravenčí (HCOOH) za vzniku vody a CO₂. Meziproduktem je kyselina uhličitá.

Redukce

opačný „chod“ vzniku karbonylových sloučenin

Výskyt v přírodě

Karboxylové kyseliny jsou nepostradatelnou složkou živých organismů. Aminokyseliny jsou základem proteinů, tedy i enzymů, které umožňují složité metabolické procesy. Estery ve formě triacylglycerolů i dalších – tedy tuky a oleje – mají zásobní i strukturní funkci. Kyselina mravenčí je obsažena v kopřivách a jako svůj jed ji používají mravenci, včely a vosy. Kyselina octová vzniká při hnití rostlinných i živočišných produktů. Mnoho těchto kyselin je obsaženo také v ovoci a zelenině, například kyselina šťavelová, jablečná nebo vinná.

Jedna z metabolických drah, cyklus trikarboxylových kyselin, je ústředním centrem anabolických i katabolických procesů v těle. Aktivovaná kyselina octová, acetyl-CoA, je klíčovým substrátem nesoucím energii.

Využití

Potravinářství

Mnoho karboxylových kyselin a jejich esterů má využití v potravinářství: zředěná kyselina octová – ocet – se používá jako okyselující i konzervační přísada. Hrušková a malinová esence jsou estery octové kyseliny. Kyselina mléčná dodává chuť kysanému zelí i kyselým okurkám. Kyselina vinná, která se nachází ve zralém ovoci, se používá jako ochucovadlo ovocných nápojů, kterým dodává ovocnou chuť. Podobně se používá kyselina citrónová, která slouží i jako konzervační prostředek.

Výroba léčiv

Farmaceutický průmysl využívá kyseliny octové i mléčné, kyselina vinná slouží jako dávivý kámen. Kyselina salicylová a zvláště její ester, kyselina acetylsalicylová, jsou významným lékem proti zánětu a horečce (nesteroidní antiflogistika). Kyselina acetylsalicylová je účinnou látkou aspirinu.

Textilní průmysl

Umělé, acetátové hedvábí je esterem kyseliny octové. Z kyseliny tereftalové se vyrábí umělé vlákno terilen.

Přehled karboxylových kyselin

Nasycené monokarboxylové kyseliny

Triviální název	Systematický název	Latinský název	Vzorec	Anion*
kyselina mravenčí	methanová kyselina	acidum formicum	HCOOH	formiát
kyselina octová	ethanová kyselina	acidum aceticum	CH₃COOH	acetát
kyselina propionová	propanová kyselina	acidum propionicum	CH₃CH₂COOH	propionát
kyselina máselná	butanová kyselina	acidum butyricum	CH₃[CH₂]₂COOH	butyrát
kyselina valerová	pentanová kyselina	acidum valericum	CH₃[CH₂]₃COOH	valerát
kyselina kapronová	hexanová kyselina	acidum capronicum	CH₃[CH₂]₄COOH	kapronát
kyselina enanthová	heptanová kyselina	acidum enanthicum	CH₃[CH₂]₅COOH	enanthát
kyselina kaprylová	oktanová kyselina	acidum caprylicum	CH₃[CH₂]₆COOH	kaprylát
kyselina pelargonová	nonanová kyselina	acidum pelargonicum	CH₃[CH₂]₇COOH	pelargonát
kyselina kaprinová	dekanová kyselina	acidum caprinicum	CH₃[CH₂]₈COOH	kaprinát
kyselina undecylová	undekanová kyselina	acidum undecylicum	CH₃[CH₂]₉COOH	undecylát
kyselina laurová	dodekanová kyselina	acidum lauricum	CH₃[CH₂]₁₀COOH	laurát
kyselina tridecylová	kyselina tridekanová	acidum tridecylicum	CH₃[CH₂]₁₁COOH	tridecylát
kyselina myristová	tetradekanová kyselina	acidum myristicum	CH₃[CH₂]₁₂COOH	myristát
kyselina pentadecylová	kyselina pentadekanová	acidum pentadecylicum	CH₃[CH₂]₁₃COOH	pentadecylát
kyselina palmitová	hexadekanová kyselina	acidum palmiticum	CH₃[CH₂]₁₄COOH	palmitát
kyselina heptadecylová	kyselina heptadekanová	acidum heptadecylicum	CH₃[CH₂]₁₅COOH	heptadecylát
kyselina stearová	oktadekanová kyselina	acidum stearicum	CH₃[CH₂]₁₆COOH	stearát
kyselina nonadecylová	kyselina nonadekanová	acidum nonadecylicum	CH₃[CH₂]₁₇COOH	nonadecylát
kyselina arachidová	ikosanová kyselina	acidum arachidicum	CH₃[CH₂]₁₈COOH	arachidát

tyto názvy jsou odvozené od latinských názvů kyselin, názvy odvozené od českých názvů mají koncovku „-an“ (např.: octan)

Nasycené dikarboxylové kyseliny

Triviální název	Systematický název	Latinský název	Vzorec	Anion*
kyselina šťavelová	ethandiová kyselina	acidum oxalicum	(COOH)₂	oxalát
kyselina malonová	propandiová kyselina	acidum malonicum	HOOCCH₂COOH	malonát
kyselina jantarová	butandiová kyselina	acidum succinicum	HOOC[CH₂]₂COOH	sukcinát
kyselina glutarová	pentandiová kyselina	acidum glutaricum	HOOC[CH₂]₃COOH	glutarát
kyselina adipová	hexandiová kyselina	acidum adipicum	HOOC[CH₂]₄COOH	adipát
kyselina pimelová	heptandiová kyselina	acidum pimelicum	HOOC[CH₂]₅COOH	pimelát
kyselina suberová	oktandiová kyselina	acidum subericum	HOOC[CH₂]₆COOH	suberát
kyselina azelaová	nonandiová kyselina	acidum azelaicum	HOOC[CH₂]₇COOH	azelát
kyselina sebaková	dekandiová kyselina	acidum sebacicum	HOOC[CH₂]₈COOH	sebakát

tyto názvy jsou odvozené od latinských názvů kyselin, názvy odvozené od českých názvů mají koncovku „-an“ (např.: šťavelan)

Mononenasycené monokarboxylové kyseliny

Triviální název	Systematický název	Latinský název	Vzorec	Anion
kyselina akrylová	propenová kyselina	acidum acrylicum	CH₂=CH−COOH	akrylát
kyselina methakrylová	2-methylpropenová kyselina	acidum methacrylicum	CH₂=C(CH₃)COOH	methakrylát
kyselina krotonová	trans-but-2-enová kyselina	acidum crotonicum	CH₃−CH=CH−COOH	krotonát
kyselina palmitoolejová	cis-hexadec-9-enová kyselina	acidum palmitooleicum	CH₃[CH₂]₅CH=CH[CH₂]₇COOH	palmitooleát
kyselina olejová	cis-oktadec-9-enová kyselina	acidum oleicum	CH₃[CH₂]₇CH=CH[CH₂]₇COOH	oleát
kyselina elaidová	trans-oktadec-9-enová kyselina	acidum elaidicum	CH₃[CH₂]₇CH=CH[CH₂]₇COOH	elaidát
kyselina eruková	cis-dokos-13-enová kyselina	acidum erucicum	CH₃[CH₂]₇CH=CH[CH₂]₁₁COOH	erukát

Polynenasycené monokarboxylové kyseliny

Triviální název	Systematický název	Latinský název	Vzorec	Anion
kyselina linolová	cis,cis-oktadeka-9,12-dienová kyselina	acidum linoleicum	CH₃[CH₂]₄CH=CHCH₂CH=CH[CH₂]₇COOH	linoleát
kyselina gama-linolenová	cis,cis,cis-oktadeka-6,9,12-trienová kyselina	acidum gama-linolenicum	CH₃[CH₂]₄CH=CH−CH₂CH=CHCH₂CH=CH[CH₂]₄COOH	gama-linolenát
kyselina alfa-linolenová	cis,cis,cis-oktadeka-9,12,15-trienová kyselina	acidum alfa-linolenicum	CH₃CH₂CH=CHCH₂CH=CHCH₂CH=CH[CH₂]₇COOH	alfa-linolenát
kyselina arachidonová	cis,cis,cis,cis-eikosa-5,8,11,14-tetraenová kyselina	acidum arachidonicum	CH₃[CH₂]₄CH=CHCH₂CH=CHCH₂CH=CHCH₂CH=CH[CH₂]₃COOH extra zkráceně: CH₃[CH₂]₄[CH=CHCH₂]₄[CH₂]₂COOH	arachidonát

Nenasycené polykarboxylové kyseliny

Triviální název	Systematický název	Latinský název	Vzorec	Anion
kyselina maleinová	cis-butendiová kyselina	acidum maleinicum	HOOC−CH=CH−COOH	maleinát
kyselina fumarová	trans-butendiová kyselina	acidum fumaricum	HOOC−CH=CH−COOH	fumarát
kyselina akonitová	propen-1,2,3-trikarboxylová kyselina	acidum aconiticum	HOOC−CH₂(COOH)C=CH−COOH	akonitát

Aromatické karboxylové kyseliny

Triviální název	Systematický název	Latinský název	Vzorec	Anion*
kyselina benzoová	benzenkarboxylová kyselina	acidum benzoicum	C₆H₅COOH	benzoát
kyselina ftalová	benzen-1,2-dikarboxylová kyselina	acidum ftalicum	C₆H₄(COOH)₂	ftalát
kyselina isoftalová	benzen-1,3-dikarboxylová kyselina	acidum isoftalicum	C₆H₄(COOH)₂	isoftalát
kyselina tereftalová	benzen-1,4-dikarboxylová kyselina	acidum tereftalicum	C₆H₄(COOH)₂	tereftalát
kyselina trimesinová	benzen-1,3,5-trikarboxylová kyselina	acidum trimesicum	C₆H₃(COOH)₃	trimesát
kyselina mellitová	benzen-1,2,3,4,5,6-hexakarboxylová kyselina	acidum melliticum	C₆(COOH)₆	mellitát
kyselina skořicová	3-fenylprop-2-enová kyselina	acidum cinnamicum	C₆H₅−CH=CH−COOH	cinamát
kyselina nikotinová	pyridin-3-karboxylová kyselina	acidum nicotinicum	C₅H₄N−COOH	nikotinát

tyto názvy jsou odvozené od latinských názvů kyselin, názvy odvozené od českých názvů mají koncovku „-an“ (např.: benzoan)

Pozn. kyselina maleinová a fumarová, podobně jako kyselina olejová a elaidová se liší polohou skupin COOH vůči dvojné vazbě. Jedná se o cis-trans izomerii.

Deriváty karboxylových kyselin

Deriváty karboxylových kyselin obsahují další funkční skupinu nebo mají pozměněnou karboxylovou skupinu a proto mají další charakteristické vlastnosti.

Funkční deriváty

Náhrada probíhá na karboxylové skupině.

Soli karboxylových kyselin – kyselý vodík karboxylové skupiny je nahrazen kationtem kovu nebo amonným kationtem. Obecný vzorec: R−CO−OMe
Halogenidy karboxylových kyselin neboli acylhalogenidy – skupina OH je nahrazena atomem halogenu. Obecný vzorec: R−CO−X
Anhydridy karboxylových kyselin – dvě karboxylové skupiny jsou propojeny za odštěpení molekuly vody. Obecný vzorec: R−CO−O−OC−R'
Estery karboxylových kyselin – kyselý vodík karboxylové skupiny je nahrazen alkylem. Obecný vzorec: R−CO−O−R'
Amidy – skupina OH je nahrazena amidovou skupinou NH₂. Obecný vzorec: R−CO−NH₂
Imidy – dvě karboxylové skupiny jsou propojeny přes imidovou skupinu NH. Obecný vzorec: R−CO−NH−CO−R'

Substituční deriváty

Náhrada na řetězci mimo karboxylovou skupinu. (Většinou se podobně jako v alkanech nahrazuje atom vodíku.)

Halogenkarboxylové kyseliny – atom H je nahrazen halogenem
Hydroxykyseliny – řetězec obsahuje hydroxylovou skupinu −OH
Oxokyseliny – řetězec obsahuje karbonylovou skupinu – aldehydovou (−CHO) nebo ketoskupinu (−CO−)
Aminokyseliny – řetězec obsahuje aminoskupinu −NH₂

Externí odkazy

Obrázky, zvuky či videa k tématu karboxylová kyselina na Wikimedia Commons

Funkční skupiny

Aldehyd • Alkan • Alken • Alkohol • Alkoxy • Alkyn • Amid • Amin • Azosloučenina • Benzen a deriváty • Diazoniová sůl • Disulfid • Ester • Ether • Halogenderiváty • Imid • Imin • Isokyanid • Isokyanát • Karboxylová kyselina • Karboxymethyl • Keton • Kyanát • Nitril • Nitrosloučeniny • Nitrososloučeniny • Peroxid • Pyridin a deriváty • Sulfony • Sulfonová kyselina • Sulfoxid • Thioaldehyd • Thioester • Thioether • Thiol

uhlovodíkové skupiny	Methylen • Methyl • Ethyl • Propyl • Propan-2-yl • Butyl • Pentyl • Ethenyl (vinyl) • Allyl • Fenyl • Benzyl • Tolyl • Naftyl • Alkyl (alkanyl) • Alkenyl • Alkynyl

acylové skupiny	Formyl • Acetyl • Benzoyl

Monokarboxylové kyseliny

monokarboxylové nasycené kyseliny	kyselina mravenčí (H COOH) • kyselina octová (CH₃C OOH) • kyselina propionová (C₂H₅C OOH) • kyselina máselná (C₃H₇C OOH) • kyselina valerová (C₄H₉C OOH) • kyselina 3-methylbutanová (isovalerová) (CH₃CH(CH₃)CH₂COOH) • kyselina kapronová (C₅H₁₁C OOH) • kyselina enanthová (C₆H₁₃C OOH) • kyselina kaprylová (C₇H₁₅C OOH) • kyselina pelargonová (C₈H₁₇C OOH) • kyselina kaprinová (C₉H₁₉C OOH) • kyselina undecylová (C₁₀H₂₁C OOH) • kyselina laurová (C₁₁H₂₃C OOH) • kyselina tridecylová (C₁₂H₂₅C OOH) • kyselina myristová (C₁₃H₂₇C OOH) • kyselina pentadecylová (C₁₄H₂₉C OOH) • kyselina palmitová (C₁₅H₃₁C OOH) • kyselina heptadekanová (C₁₆H₃₃C OOH) • kyselina stearová (C₁₇H₃₅C OOH) • kyselina nonadecylová (C₁₈H₃₇C OOH) • kyselina arachidová (C₁₉H₃₉C OOH) • kyselina behenová (C₂₁H₄₃C OOH) • kyselina lignocerová (C₂₃H₄₇C OOH)

mononenasycené monokarboxylové kyseliny	kyselina akrylová (C₂H₃C OOH) • kyselina methakrylová (C₃H₅C OOH) • kyselina krotonová (C₃H₆C OOH) • kyselina trans-3-methyl-2-hexenová (C₆H₁₁C OOH) kyselina palmitoolejová (C₁₅H₂₉C OOH) • kyselina olejová (C₁₇H₃₃C OOH) • kyselina elaidová (C₁₇H₃₃C OOH) • kyselina ricinolejová (C₇H₁₃(OH)C₁₀H₁₉COOH) • kyselina eikosenová (C₁₉H₃₅C OOH) • kyselina eruková (C₂₁H₄₁C OOH) • kyselina nervonová (C₂₃H₄₅C OOH)

polynenasycené monokarboxylové kyseliny	kyselina linolová (C₁₇H₃₁C OOH) • kyselina linolenová (C₁₇H₂₉C OOH) • kyselina alfa-eleostearová (C₁₇H₂₉C OOH) • kyselina arachidonová (C₁₉H₃₁C OOH) • kyselina eikosapentaenová (C₁₉H₂₉C OOH) • kyselina klupadonová (dokosapentaenová) (C₂₁H₃₃C OOH) • kyselina dokosahexaenová (C₂₁H₃₁C OOH)

aromatické monokarboxylové kyseliny	kyselina benzoová (C₆H₅C OOH) • kyselina skořicová (C₈H₇C OOH) • kyselina chinová (C₆H₁₁O₄C OOH) • kyselina salicylová (C₆H₄(OH)C OOH) • kyselina acetylsalicylová (C₈H₇O₂C OOH)

kyselina acetyloctová (CH₃COCH₂COOH)

dikarboxylové kyseliny • hydroxykyseliny

Dikarboxylové kyseliny

dikarboxylové nasycené kyseliny	Kyselina šťavelová (C OOH)₂ • Kyselina malonová (C OOHCH₂COOH) • Kyselina jantarová (C OOH(CH₂)₂COOH) • Kyselina oxaloctová (C OOHCO(CH₂)COOH) • Kyselina glutarová (C OOH(CH₂)₃COOH) • Kyselina adipová (C OOH(CH₂)₄COOH) • Kyselina pimelová (C OOH(CH₂)₅COOH) • Kyselina suberová (C OOH(CH₂)₆COOH) • Kyselina azelaová (C OOH(CH₂)₇COOH) • Kyselina sebaková (C OOH(CH₂)₈COOH)

nenasycené dikarboxylové kyseliny	Kyselina maleinová (C OOHCHCHCOOH) • Kyselina fumarová (C OOHCHCHCOOH)

aromatické dikarboxylové kyseliny	Kyselina ftalová (C₆H₄(COOH)₂) • Kyselina isoftalová (C₆H₄(COOH)₂) • Kyselina tereftalová (C₆H₄(COOH)₂)

též trikarboxylové kyseliny	Kyselina akonitová (H O₂CCH=C(CO₂H)CH₂CO₂H) • Kyselina hemimellitová (C₆H₃(COOH)₃) • Kyselina trimellitová (C₆H₃(COOH)₃) • Kyselina trimesinová (C₆H₃(COOH)₃)

Monokarboxylové kyseliny • Hydroxykyseliny