Acidità
La proprietà più importante degli acidi carbossilici, e quella che è responsabile della loro denominazione, è la loro acidità. Un acido è qualsiasi composto che dona uno ione idrogeno, H+ (chiamato anche protone), ad un altro composto, chiamato base. Gli acidi carbossilici lo fanno molto più facilmente della maggior parte delle altre classi di composti organici, quindi si dice che siano acidi più forti, anche se sono molto più deboli dei più importanti acidi minerali – solforico (H2SO4), nitrico (HNO3) e cloridrico (HCl). La ragione della maggiore acidità di questo gruppo di composti può essere meglio dimostrata da un confronto della loro acidità con quella degli alcoli, entrambi contenenti un gruppo -OH. Gli alcoli sono composti neutri in soluzione acquosa. Quando un alcol dona il suo protone, diventa uno ione negativo chiamato ione alcossido, RO-. Quando un acido carbossilico dona il suo protone, diventa uno ione caricato negativamente, RCOO-, chiamato ione carbossilato.
Uno ione carbossilato è molto più stabile del corrispondente ione alcossido a causa dell’esistenza di strutture di risonanza per lo ione carbossilato che disperde la sua carica negativa. Solo una struttura può essere disegnata per uno ione alcossido, ma due strutture possono essere disegnate per uno ione carbossilato. Quando due o più strutture che differiscono solo nelle posizioni degli elettroni di valenza possono essere disegnate per una molecola o uno ione, significa che i suoi elettroni di valenza sono delocalizzati, o distribuiti su più di due atomi. Questo fenomeno è chiamato risonanza, e le strutture sono chiamate forme di risonanza. Si usa una freccia a due punte per mostrare che le due o più strutture sono legate dalla risonanza. Poiché ci sono due forme di risonanza ma un solo ione reale, ne consegue che nessuna di queste forme è una rappresentazione accurata dello ione reale. La struttura reale incorpora aspetti di entrambe le strutture di risonanza ma non duplica nessuna delle due. La risonanza stabilizza sempre una molecola o uno ione, anche se la carica non è coinvolta. La stabilità di un anione determina la forza del suo acido genitore. Un acido carbossilico è, quindi, un acido molto più forte del corrispondente alcool, perché, quando perde il suo protone, ne risulta uno ione più stabile.
Alcuni atomi o gruppi, quando sono attaccati a un carbonio, sono elettron-withdrawing, rispetto a un atomo di idrogeno nella stessa posizione. Per esempio, consideriamo l’acido cloroacetico (Cl-CH2COOH) rispetto all’acido acetico (H-CH2COOH). Poiché il cloro ha un’elettronegatività più alta dell’idrogeno, gli elettroni nel legame Cl-C sono più lontani dal carbonio rispetto agli elettroni nel corrispondente legame H-C. Perciò, il cloro è considerato un gruppo che sottrae elettroni. Questo è un esempio del cosiddetto effetto induttivo, in cui un sostituente influenza la distribuzione degli elettroni di un composto. Ci sono diversi effetti di questo tipo, e gli atomi o i gruppi possono essere elettron-donatori o elettron-donatori rispetto all’idrogeno. La presenza di tali gruppi vicino al gruppo COOH di un acido carbossilico ha spesso un effetto sull’acidità. In generale, i gruppi che trattengono gli elettroni aumentano l’acidità aumentando la stabilità dello ione carbossilato. Al contrario, i gruppi che cedono elettroni diminuiscono l’acidità destabilizzando lo ione carbossilato. Per esempio, il gruppo metile, -CH3, è generalmente considerato come elettron-donante, e l’acido acetico, CH3 COOH, è circa 10 volte più debole come acido dell’acido formico, HCOOH. Allo stesso modo, l’acido cloroacetico, ClCH2 COOH, in cui il cloro fortemente elettron-donante sostituisce un atomo di idrogeno, è circa 100 volte più forte come acido dell’acido acetico, e l’acido nitroacetico, NO2CH2 COOH, è ancora più forte. (Un effetto ancora maggiore si trova nell’acido tricloroacetico, Cl3CCOOH, la cui forza acida è circa uguale a quella dell’acido cloridrico.