แอนไฮไดรด์: คุณสมบัติวิธีการเกิดและการใช้งาน - เคมี - 2025

anhydridesเป็นสารประกอบทางเคมีที่มาจากสหภาพของทั้งสองโมเลกุลโดยการปล่อยน้ำ ดังนั้นจึงสามารถมองได้ว่าเป็นการคายน้ำของสารเริ่มต้น แม้ว่ามันจะไม่เป็นความจริงก็ตาม

ในเคมีอินทรีย์และอนินทรีย์มีการกล่าวถึงและในทั้งสองสาขาความเข้าใจของพวกเขาแตกต่างกันไปในระดับที่น่าชื่นชม ตัวอย่างเช่นในเคมีอนินทรีย์ออกไซด์พื้นฐานและกรดจะถูกพิจารณาว่าเป็นแอนไฮไดรด์ของไฮดรอกไซด์และกรดตามลำดับเนื่องจากในอดีตทำปฏิกิริยากับน้ำเพื่อสร้างสิ่งหลัง

โครงสร้างทั่วไปของแอนไฮไดรด์ ที่มา: DrEmmettBrownie จาก Wikimedia Commons

ที่นี่อาจเกิดความสับสนระหว่างคำว่า 'anhydrous' และ 'anhydride' โดยทั่วไปแอนไฮดรัสหมายถึงสารประกอบที่ถูกทำให้แห้งโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงในลักษณะทางเคมี (ไม่มีปฏิกิริยาใด ๆ ) ในขณะที่มีแอนไฮไดรด์มีการเปลี่ยนแปลงทางเคมีซึ่งสะท้อนให้เห็นในโครงสร้างโมเลกุล

ถ้าเปรียบเทียบไฮดรอกไซด์และกรดกับออกไซด์ที่สอดคล้องกัน (หรือแอนไฮไดรด์) จะเห็นว่ามีปฏิกิริยา ในทางตรงกันข้ามออกไซด์หรือเกลือบางชนิดสามารถถูกไฮเดรตสูญเสียน้ำและยังคงเป็นสารประกอบเหมือนเดิม แต่ถ้าไม่มีน้ำนั่นคือปราศจากน้ำ

ในทางเคมีอินทรีย์แอนไฮไดรด์หมายถึงอะไรเป็นคำจำกัดความเริ่มต้น ตัวอย่างเช่นหนึ่งในแอนไฮไดรด์ที่รู้จักกันดีคือแอนไฮไดรด์ที่ได้มาจากกรดคาร์บอกซิลิก (ภาพบน) สิ่งเหล่านี้ประกอบด้วยการรวมตัวของหมู่อะซิลสองกลุ่ม (-RCO) ผ่านอะตอมออกซิเจน

ในโครงสร้างทั่วไป R ₁ถูกระบุสำหรับกลุ่ม acyl หนึ่งกลุ่มและ R ₂สำหรับกลุ่ม acyl ที่สอง เนื่องจาก R ₁และ R ₂แตกต่างกันจึงมาจากกรดคาร์บอกซิลิกที่แตกต่างกันจากนั้นจึงเป็นกรดแอนไฮไดรด์ที่ไม่สมมาตร เมื่อสารทดแทน R ทั้งสอง (ไม่ว่าจะเป็นอะโรมาติกหรือไม่ก็ตาม) เหมือนกันในกรณีนี้เราจะพูดถึงแอนไฮไดรด์ของกรดสมมาตร

เมื่อกรดคาร์บอกซิลิกสองตัวจับกันเป็นแอนไฮไดรด์น้ำอาจก่อตัวหรือไม่ก็ได้เช่นเดียวกับสารประกอบอื่น ๆ ทุกอย่างจะขึ้นอยู่กับโครงสร้างของกรดเหล่านี้

คุณสมบัติของแอนไฮไดรด์

คุณสมบัติของแอนไฮไดรด์จะขึ้นอยู่กับสิ่งที่คุณอ้างถึง ส่วนใหญ่มีปฏิกิริยากับน้ำเหมือนกัน อย่างไรก็ตามสำหรับสิ่งที่เรียกว่าแอนไฮไดรด์พื้นฐานในอนินทรีย์ที่จริงแล้วหลายชนิดนั้นไม่ละลายในน้ำ (MgO) ดังนั้นข้อความนี้จะมุ่งเน้นไปที่แอนไฮไดรด์ของกรดคาร์บอกซิลิก

จุดหลอมเหลวและจุดเดือดอยู่บนโครงสร้างโมเลกุลและปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลสำหรับ (RCO) ₂ O ซึ่งเป็นสูตรทางเคมีทั่วไปของสารประกอบอินทรีย์เหล่านี้

ถ้ามวลโมเลกุลของ (RCO) ₂ O ต่ำอาจเป็นของเหลวไม่มีสีที่อุณหภูมิห้องและความดัน ตัวอย่างเช่นอะซิติกแอนไฮไดรด์ (หรือเอทาโนอิกแอนไฮไดรด์) (CH ₃ CO) ₂ O เป็นของเหลวและมีความสำคัญทางอุตสาหกรรมมากที่สุดชนิดหนึ่งการผลิตมีมากมายมหาศาล

ปฏิกิริยาระหว่างอะซิติกแอนไฮไดรด์กับน้ำแสดงโดยสมการเคมีต่อไปนี้:

(CH ₃ CO) ₂ O + H ₂ O => 2CH ₃ COOH

สังเกตว่าเมื่อเติมโมเลกุลของน้ำเข้าไปกรดอะซิติกสองโมเลกุลจะถูกปล่อยออกมา อย่างไรก็ตามปฏิกิริยาย้อนกลับไม่สามารถเกิดขึ้นกับกรดอะซิติก:

2CH ₃ COOH => (CH ₃ CO) ₂ O + H ₂ O (ไม่เกิดขึ้น)

จำเป็นต้องหันไปใช้เส้นทางสังเคราะห์อื่น ในทางกลับกันกรดไดคาร์บอกซิลิกสามารถทำได้โดยการให้ความร้อน แต่จะอธิบายในหัวข้อถัดไป

ปฏิกริยาเคมี

การย่อยสลาย

ปฏิกิริยาที่ง่ายที่สุดอย่างหนึ่งของแอนไฮไดรด์คือไฮโดรไลซิสซึ่งเพิ่งแสดงให้เห็นสำหรับอะซิติกแอนไฮไดรด์ นอกจากตัวอย่างนี้แล้วยังมีกรดซัลฟิวริกแอนไฮไดรด์:

H ₂ S ₂ O ₇ + H ₂ O <=> 2H ₂ SO ₄

คุณมีกรดอนินทรีย์แอนไฮไดรด์ โปรดสังเกตว่าสำหรับ H ₂ S ₂ O ₇ (เรียกอีกอย่างว่ากรดไดซัลฟิวริก) ปฏิกิริยาจะย้อนกลับได้ดังนั้นการให้ความร้อนที่เข้มข้นH ₂ SO _{4 จะ}ส่งผลให้เกิดแอนไฮไดรด์ ในทางกลับกันถ้ามันเป็นสารละลายเจือจางของ H ₂ SO ₄ , SO ₃ , ซัลฟิวริกแอนไฮไดรด์ถูกปล่อยออกมา

esterification

แอนไฮไดรด์ของกรดทำปฏิกิริยากับแอลกอฮอล์โดยมีไพริดีนอยู่ระหว่างเพื่อให้เอสเทอร์และกรดคาร์บอกซิลิก ตัวอย่างเช่นพิจารณาปฏิกิริยาระหว่างอะซิติกแอนไฮไดรด์และเอทานอล:

(CH ₃ CO) ₂ O + CH ₃ CH ₂ OH => CH ₃ CO ₂ CH ₂ CH ₃ + CH ₃ COOH

จึงสร้างเอสเทอร์เอทิลเอทาโนเอต, CH ₃ CO ₂ CH ₂ CH ₃และกรดเอทาโนอิก (กรดอะซิติก)

ในทางปฏิบัติสิ่งที่เกิดขึ้นคือการแทนที่ไฮโดรเจนของกลุ่มไฮดรอกซิลโดยกลุ่มอะซิล:

R ₁ -OH => R ₁ -OCOR ₂

ในกรณีที่ (CH ₃ CO) ₂ O กลุ่ม acyl ของมันคือ -COCH 3 ดังนั้นจึงมีการกล่าวว่ากลุ่ม OH อยู่ระหว่างการอะไซเลชั่น อย่างไรก็ตาม acylation และ esterification ไม่ใช่แนวคิดที่ใช้แทนกันได้ acylation สามารถเกิดขึ้นได้โดยตรงบนแหวนอะโรมาติกหรือที่เรียกว่า Friedel-Crafts acylation

ดังนั้นแอลกอฮอล์ที่มีกรดแอนไฮไดรด์จะถูกเอสเทอร์โดยอะไซเลชัน

ในทางกลับกันกลุ่มอะซิลเพียงหนึ่งในสองกลุ่มที่ทำปฏิกิริยากับแอลกอฮอล์อีกกลุ่มหนึ่งอยู่กับไฮโดรเจนกลายเป็นกรดคาร์บอกซิลิก สำหรับกรณีของ (CH ₃ CO) ₂ O เป็นกรดเอทาโนอิก

Amidation

แอนไฮไดรด์ของกรดทำปฏิกิริยากับแอมโมเนียหรือเอมีน (หลักและรอง) เพื่อให้ได้เอไมด์ ปฏิกิริยาคล้ายกับการเอสเทอริฟิเคชันที่อธิบายไว้ แต่ ROH ถูกแทนที่ด้วยเอมีน ตัวอย่างเช่นเอมีนทุติยภูมิ R ₂ NH

อีกครั้งปฏิกิริยาระหว่าง (CH ₃ CO) ₂ O และ diethylamine, Et ₂ NH ถือเป็น:

(CH ₃ CO) ₂ O + 2Et ₂ NH => CH ₃ CONEt ₂ + CH ₃ COO ^{- +} NH ₂ Et ₂

และ diethylacetamide, CH ₃ CONET ₂และเกลือแอมโมเนียม carboxylated, CH ₃ COO ^{- +} NH ₂ร้อยเอ็ด₂ จะเกิดขึ้น

แม้ว่าสมการอาจดูเข้าใจยากสักหน่อย แต่ก็เพียงพอที่จะสังเกตได้ว่ากลุ่ม –COCH ₃แทนที่ H ของ Et ₂ NH เพื่อสร้างเอไมด์ได้อย่างไร:

Et ₂ NH => Et ₂ NCOCH ₃

ปฏิกิริยายังคงเป็น acylation ทุกอย่างสรุปเป็นคำนั้น คราวนี้เอมีนผ่านการอะไซเลชั่นไม่ใช่แอลกอฮอล์

แอนไฮไดรด์เกิดขึ้นได้อย่างไร?

อนินทรีย์แอนไฮไดรด์เกิดจากปฏิกิริยาของธาตุกับออกซิเจน ดังนั้นถ้าองค์ประกอบเป็นโลหะจะเกิดออกไซด์ของโลหะหรือแอนไฮไดรด์พื้นฐาน และถ้าเป็นอโลหะจะเกิดออกไซด์ที่ไม่ใช่โลหะหรือกรดแอนไฮไดรด์

สำหรับแอนไฮไดรด์อินทรีย์ปฏิกิริยาจะแตกต่างกัน กรดคาร์บอกซิลิกสองตัวไม่สามารถรวมตัวกันเพื่อปลดปล่อยน้ำและสร้างกรดแอนไฮไดรด์ได้โดยตรง การมีส่วนร่วมของสารประกอบที่ยังไม่ได้กล่าวถึงเป็นสิ่งจำเป็น: อะซิลคลอไรด์, RCOCl

กรดคาร์บอกซิลิกทำปฏิกิริยากับอะซิลคลอไรด์ทำให้เกิดแอนไฮไดรด์และไฮโดรเจนคลอไรด์ตามลำดับ:

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

CH _{3 ตัว}หนึ่งมาจากหมู่ acetyl, CH ₃ CO– และอีกตัวมีอยู่แล้วในกรดอะซิติก การเลือกใช้อะซิลคลอไรด์เฉพาะเช่นเดียวกับกรดคาร์บอกซิลิกสามารถนำไปสู่การสังเคราะห์แอนไฮไดรด์ของกรดสมมาตรหรืออสมมาตร

ไซคลิกแอนไฮไดรด์

แตกต่างจากกรดคาร์บอกซิลิกอื่น ๆ ที่ต้องใช้อะซิลคลอไรด์กรดไดคาร์บอกซิลิกสามารถควบแน่นเป็นแอนไฮไดรด์ที่สอดคล้องกัน ในการทำเช่นนี้จำเป็นต้องให้ความร้อนเพื่อส่งเสริมการปลดปล่อย H ₂ O ตัวอย่างเช่นการสร้าง phthalic anhydride จากกรด phthalic จะแสดงขึ้น

การก่อตัวของ phthalic anhydride ที่มา: Jüจาก Wikimedia Commons

สังเกตว่าวงแหวนห้าเหลี่ยมเสร็จสมบูรณ์อย่างไรและออกซิเจนที่รวมกลุ่ม C = O ทั้งสองเป็นส่วนหนึ่งของวงแหวนนั้น นี่คือแอนไฮไดรด์แบบวัฏจักร นอกจากนี้ยังสามารถชื่นชมได้ว่า phthalic anhydride เป็นแอนไฮไดรด์สมมาตรเนื่องจากทั้ง R ₁และ R ₂เหมือนกัน: วงแหวนอะโรมาติก

กรดไดคาร์บอกซิลิกบางชนิดไม่สามารถสร้างแอนไฮไดรด์ได้เนื่องจากเมื่อกลุ่ม COOH ถูกแยกออกจากกันอย่างกว้างขวางพวกเขาจึงถูกบังคับให้สร้างวงแหวนที่ใหญ่ขึ้นและมีขนาดใหญ่ขึ้น วงแหวนที่ใหญ่ที่สุดที่สามารถเกิดขึ้นได้คือวงแหวนหกเหลี่ยมซึ่งมีขนาดใหญ่กว่าที่จะไม่เกิดปฏิกิริยา

ศัพท์เฉพาะ

แอนไฮไดรด์มีชื่ออย่างไร? ทิ้งอนินทรีย์ที่เกี่ยวข้องกับปัญหาออกไซด์ชื่อของแอนไฮไดรด์อินทรีย์ที่อธิบายไว้จนถึงตอนนี้ขึ้นอยู่กับเอกลักษณ์ของ R ₁และ R ₂ ; นั่นคือของกลุ่มอะซิล

ถ้า R ทั้งสองเหมือนกันให้แทนที่คำว่า 'acid' ด้วย 'anhydride' ตามชื่อของกรดคาร์บอกซิลิก และในทางกลับกัน Rs ทั้งสองต่างกันก็จะตั้งชื่อตามลำดับตัวอักษร ดังนั้นหากต้องการทราบว่าจะเรียกมันว่าอะไรคุณต้องดูก่อนว่าเป็นแอนไฮไดรด์ของกรดสมมาตรหรือไม่สมมาตร

(CH ₃ CO) ₂ O สมมาตรตั้งแต่ R ₁ = R ₂ = CH 3 มันมาจากกรดอะซิติกหรือเอทาโนอิกดังนั้นชื่อของมันจึงเป็นไปตามคำอธิบายก่อนหน้านี้: อะซิติกหรือเอทาโนอิกแอนไฮไดรด์ เช่นเดียวกับ phthalic anhydride ที่เพิ่งกล่าวถึง

สมมติว่าเรามีแอนไฮไดรด์ดังต่อไปนี้:

CH ₃ CO (O) COCH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₃

กลุ่ม acetyl ทางด้านซ้ายมาจากกรดอะซิติกและกลุ่มที่อยู่ทางขวามาจากกรดเฮปทาโนอิก ในการตั้งชื่อแอนไฮไดรด์นี้คุณต้องตั้งชื่อกลุ่ม R ตามลำดับตัวอักษร ดังนั้นชื่อของมันคือ: heptanoic acetic anhydride

การประยุกต์ใช้งาน

แอนไฮไดรด์อนินทรีย์มีการใช้งานมากมายตั้งแต่การสังเคราะห์และการกำหนดวัสดุเซรามิกตัวเร่งปฏิกิริยาซีเมนต์อิเล็กโทรดปุ๋ย ฯลฯ ไปจนถึงการเคลือบเปลือกโลกด้วยแร่เหล็กและอลูมิเนียมหลายพันชนิดและไดออกไซด์ ของคาร์บอนที่สิ่งมีชีวิตหายใจออก

เป็นตัวแทนของแหล่งเริ่มต้นซึ่งเป็นจุดที่ได้มาของสารประกอบจำนวนมากที่ใช้ในการสังเคราะห์อนินทรีย์ หนึ่งในแอนไฮไดที่สำคัญที่สุดคือก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ CO 2 มันเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการสังเคราะห์แสงพร้อมกับน้ำ และในระดับอุตสาหกรรม SO ₃มีความจำเป็นเนื่องจากได้รับกรดซัลฟิวริกที่ต้องการ

บางทีแอนไฮไดรด์ที่มีการใช้งานมากที่สุดและมีชีวิต (ในขณะที่มีชีวิต) เป็นหนึ่งจากกรดฟอสฟอริก: อะดีโนซีนไตรฟอสเฟตหรือที่รู้จักกันดีในชื่อ ATP มีอยู่ในดีเอ็นเอและ "สกุลพลังงาน" ของการเผาผลาญ

แอนไฮไดรด์อินทรีย์

แอนไฮไดรด์ของกรดทำปฏิกิริยาผ่านอะไซเลชันไม่ว่าจะเป็นแอลกอฮอล์สร้างเอสเทอร์เอมีนก่อให้เกิดเอไมด์หรือวงแหวนอะโรมาติก

มีสารประกอบเหล่านี้หลายล้านตัวและกรดคาร์บอกซิลิกหลายแสนตัวเลือกในการสร้างแอนไฮไดรด์ ดังนั้นความเป็นไปได้ในการสังเคราะห์จึงเพิ่มขึ้นอย่างมาก

ดังนั้นหนึ่งในแอปพลิเคชันหลักคือการรวมกลุ่มอะซิลเข้ากับสารประกอบโดยแทนที่อะตอมหรือกลุ่มโครงสร้างของอะตอมตัวใดตัวหนึ่ง

แอนไฮไดรด์ที่แยกจากกันแต่ละตัวมีการใช้งานของตัวเอง แต่โดยทั่วไปแล้วพวกมันทั้งหมดตอบสนองในลักษณะเดียวกัน ด้วยเหตุนี้สารประกอบประเภทนี้จึงถูกใช้เพื่อปรับเปลี่ยนโครงสร้างพอลิเมอร์สร้างโพลีเมอร์ใหม่ เช่นโคพอลิเมอร์เรซินสารเคลือบ ฯลฯ

ตัวอย่างเช่นอะซิติกแอนไฮไดรด์ใช้ในการอะซิติลเลตกลุ่ม OH ทั้งหมดของเซลลูโลส (ภาพล่าง) ด้วยวิธีนี้ H ของ OH แต่ละจะถูกแทนที่โดยกลุ่ม acetyl, Coch 3

เซลลูโลส. ที่มา: NEUROtiker จาก Wikimedia Commons

ด้วยวิธีนี้จะได้โพลีเมอร์เซลลูโลสอะซิเตท ปฏิกิริยาเดียวกันนี้สามารถระบุได้กับโครงสร้างโพลีเมอร์อื่น ๆ ที่มีหมู่ NH ₂และยังไวต่อการอะไซเลชั่น

ปฏิกิริยาอะซิเลชันเหล่านี้ยังมีประโยชน์สำหรับการสังเคราะห์ยาเช่นแอสไพริน ( กรดอะซิติลซาลิไซลิก)

ตัวอย่าง

ตัวอย่างอื่น ๆ ของแอนไฮไดรด์อินทรีย์แสดงให้เห็นจนเสร็จสิ้น แม้ว่าจะไม่มีการเอ่ยถึงพวกมัน แต่อะตอมของออกซิเจนสามารถใช้แทนกำมะถันให้กำมะถันหรือแม้แต่แอนไฮไดรด์ฟอสฟอรัส

-C ₆ H ₅ CO (O) COC ₆ H ₅ : เบนโซอิกแอนไฮไดรด์ กลุ่ม C ₆ H ₅หมายถึงวงแหวนเบนซิน การย่อยสลายจะทำให้เกิดกรดเบนโซอิกสองชนิด

-HCO (O) COH: ฟอร์มิกแอนไฮไดรด์ การไฮโดรไลซิสทำให้เกิดกรดฟอร์มิกสองชนิด

- C ₆ H ₅ CO (O) COCH ₂ CH ₃ : benzoic propanoic anhydride การไฮโดรไลซิสทำให้เกิดกรดเบนโซอิกและโพรเพอนิก

-C ₆ H ₁₁ CO (O) COC ₆ H ₁₁ : cyclohexanecarboxylic anhydride ซึ่งแตกต่างจากแหวนอะโรมาติกคืออิ่มตัวโดยไม่มีพันธะคู่

-CH ₃ CH ₂ CH ₂ CO (O) COCH ₂ CH ₃ : โพรพาโนอิกบิวทาโนอิกแอนไฮไดรด์

ซัคซินิกแอนไฮไดรด์

ซัคซินิกแอนไฮไดรด์ ที่มา: Ninjatacoshell จาก Wikimedia Commons

คุณมีวัฏจักรอื่นซึ่งได้มาจากกรดซัคซินิกซึ่งเป็นกรดไดคาร์บอกซิลิก สังเกตว่าออกซิเจนทั้งสามอะตอมเปิดเผยลักษณะทางเคมีของสารประกอบประเภทนี้อย่างไร

มาเลอิกแอนไฮไดรด์มีความคล้ายคลึงกับซัคซินิกแอนไฮไดรด์มากโดยมีความแตกต่างตรงที่มีพันธะคู่ระหว่างคาร์บอนที่เป็นฐานของเพนตากอน

กลูตาริกแอนไฮไดรด์

กลูตาริกแอนไฮไดรด์ ที่มา: Choij จาก Wikimedia Commons

และในที่สุดก็แสดงกรดกลูตาริกแอนไฮไดรด์ โครงสร้างนี้แตกต่างจากโครงสร้างอื่น ๆ โดยประกอบด้วยวงแหวนหกเหลี่ยม อีกครั้งออกซิเจนทั้งสามอะตอมโดดเด่นในโครงสร้าง

แอนไฮไดรด์อื่น ๆ ที่ซับซ้อนกว่าสามารถพิสูจน์ได้จากออกซิเจนทั้งสามอะตอมที่อยู่ใกล้กันมาก

อ้างอิง

1. บรรณาธิการของสารานุกรมบริแทนนิกา (2019) วัตถุแอฮิไดรด์ Enclyclopaedia Britannica ดึงมาจาก: britannica.com
2. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (8 มกราคม 2562). นิยามกรดแอนไฮไดรด์ในวิชาเคมี. ดึงมาจาก: thoughtco.com
3. เคมี LibreTexts (เอสเอฟ) anhydrides สืบค้นจาก: chem.libretexts.org
4. Graham Solomons TW, Craig B.Fryhle (2011) เคมีอินทรีย์. เอมีน (10 ^THฉบับ.) ไวลีย์พลัส
5. แครี่ F. (2008). เคมีอินทรีย์. (พิมพ์ครั้งที่หก). Mc Graw Hill
6. Whitten, Davis, Peck & Stanley (2008) เคมี. (ฉบับที่ 8) CENGAGE การเรียนรู้
7. มอร์ริสันและบอยด์ (1987) เคมีอินทรีย์. (พิมพ์ครั้งที่ห้า). Addison-Wesley Iberoamericana
8. วิกิพีเดีย (2019) กรดอินทรีย์แอนไฮไดรด์ สืบค้นจาก: en.wikipedia.org