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• Gabriela Gonzalez

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Ácidos carboxílicos y derivados de ácidos: Nomenclatura de ácidos carboxílicos: La nomenclatura de los ácidos carboxílicos es de la siguiente forma:

Recordemos que:

Por ejemplo:

Estructura general de los ácidos carboxílicos: La estructura general de los ácidos carboxílicos es la siguiente:

Estos compuestos se caracterizan por el grupo carboxilo, el cual coinciden sobre un mismo carbono un grupo carbonilo y un grupo hidroxilo. Por lo general el grupo carboxilo se escribe en forma abreviada como -COOH y puede estar unido a una cadena alifática R o a una cadena aromática Ar. El átomo de carbono de este grupo mantiene una hibridación sp2 y su naturaleza es electrofila.

Algunas longitudes y ángulos promedios de enlace para este tipo de compuestos se muestran en la siguiente figura:

Observamos que el grupo carboxilo tiene una alta polaridad ya que, debido a la diferencia de electronegatividad entre el oxígeno y el carbono, los átomos de oxígeno atraen a los electrones del enlace y en consecuencia dichos átomos de oxigeno presentan excesos de carga negativa, mientras que el átomo de carbono se queda con un exceso de carga positiva. Finalmente, vemos que el grupo carboxilo presenta resonancia de la siguiente forma:

Propiedades físicas de los ácidos carboxílicos: Se observa que el punto de ebullición de estos compuestos es alto ya que sus moléculas presentan dimerización.

El punto de ebullición aumenta al aumentar el numero de carbonos de la molécula de ácido carboxílico considerado. De manera similar, el punto de fusión de los ácidos carboxílicos aumenta al aumentar el numero carbonos de la molécula de dicho acido carboxílico. En cuanto a la solubilidad y al aspecto de los ácidos carboxílicos, en general se encuentra que: » Para ácidos carboxílicos de bajo peso molecular (Entre uno y siete átomos de carbono): Estos son de sabor amargo, son líquidos de olor desagradable, son solubles en agua (ya que pueden formar enlaces por puente de hidrogeno) y son solubles en solventes orgánicos. » Para ácidos carboxílicos de peso molecular medio (Entre ocho y doce átomos de carbono): Estos son solidos a temperatura ambiente y son solubles en solventes orgánicos. » Para ácidos carboxílicos de alto peso molecular (Mas de trece átomos de carbono): Estos son sólidos grasos, menos olorosos y tienen gran importancia en la bioquímica y las industrias (ya que a partir de estos se obtienen los jabones y los aceites). Estos son solubles en etanol y en solventes orgánicos, pero no así en agua.

Acidez de los ácidos carboxílicos: Los ácidos carboxílicos se disocian en agua originando un protón y un ion carboxilato.

Para este equilibrio se tiene que:

La constante de equilibrio Ka tiene un valor aproximado de 10-5 (pKa=5). Observamos que el ácido se disociara más fácilmente si el pH de la solución es mas alto que el pK a del ácido (Es decir, cuando la solución sea más básica). Para los alcoholes se tenia que: R-OH + H2O

R-O- + H3O+

Donde la constante de equilibrio viene dada por: Ka =

[R − O− ][H3 O+ ] [R − OH]

La constante de equilibrio Ka tiene un valor aproximado de 10-16 (pKa=16). De esta manera realizamos una comparación general entre la acidez de los ácidos carboxílicos y los alcoholes:

Se observa que los ácidos carboxílicos tienen una mayor acidez que los alcoholes ya que su base conjugada puede estabilizarse por resonancia, como se indica en la segunda reacción.

Un factor que afecta la acidez de los ácidos carboxílicos es el efecto de los sustituyentes cercanos al grupo carboxilo. Para ver la forma en que los sustituyentes afectan a la acidez de estos compuestos consideremos la siguiente imagen:

Se observa que la magnitud del efecto de los sustituyentes cercanos al grupo carboxilo sobre la acidez de los ácidos carboxílicos dependerá de la cercanía del grupo electro atrayente respecto del grupo carbonilo (los grupos electro atrayentes estabilizan mejor la carga negativa del carboxilato y en consecuencia la acidez del compuesto de partida es mayor). En el caso de que el ácido carboxílico sea aromático, la acidez de este será influenciada por los sustituyentes sobre el anillo aromático de la siguiente manera:

Es decir que entre mas desactivante sea el grupo sobre el anillo, más acida será la sustancia (menor pKa). Adicionalmente, los grupos activantes hacen que las sustancias sean menos acidas (mayor pKa). Este efecto se halla mas pronunciado en las posiciones orto y para (por la resonancia del anillo aromático).

Finalmente, observamos que ante una base fuerte se forman iones carboxilato, que se clasifican como sales. Estos son sólidos sin olor, a diferencia de los ácidos de los cuales proceden.

En general, los carboxilatos de Li+, Na+, K+, NH4+ son solubles en agua, mientras que los carboxilatos de Ca+2, Mg+2 y Ba+2 son insolubles en agua. Teniendo el carboxilato, es posible regenerar el ácido carboxílico, tras la adición de ácido mineral al carboxilato:

Obtención de los ácidos carboxílicos: Los ácidos carboxílicos se pueden obtener de diferentes maneras, algunas de las cuales se ilustran en el siguiente esquema:

Desarrollaremos algunos de estos métodos de obtención de ácidos carboxílicos a continuación.

Métodos industriales de obtención de ácidos carboxílicos de interés: Industrialmente, para obtener el ácido fórmico se utiliza el siguiente método:

Por otra parte, para obtener el ácido acético generalmente en las industrias se utilizan tres procesos distintos que conducen a la formación de este ácido. Estos son: » Oxidación del etileno:

» Ruptura oxidativa del butano:

» Carbonilacion del metanol:

Método de saponificación de esteres: Los esteres se pueden hidrolizar no solo en medio acido sino también en medio básico. El proceso de hidrolisis básica de los esteres se denomina saponificación y resulta ser de gran interés industrial en los procesos de obtención de aceites y jabones.

El mecanismo que sigue la reacción de saponificación de esteres es el siguiente:

A continuación, se muestra un ejemplo de saponificación de esteres para la obtención de jabón y glicerina:

Métodos de laboratorio para la obtención de ácidos carboxílicos: En el laboratorio se utilizan además otros métodos de obtención de ácidos carboxílicos, algunos de los cuales se detallan a continuación: » Oxidación de alcoholes: Los ácidos y derivados poseen el carbono del grupo carboxílico en un estado de oxidación formal +3, el más alto que puede tener un carbono en un grupo funcional orgánico. Por tanto, un ácido carboxílico podrá obtenerse a partir de la oxidación de casi cualquier otro grupo funcional, siempre que exista el reactivo adecuado.

Los alcoholes primarios y aldehídos se pueden oxidar a ácidos carboxílicos por el uso de agentes oxidantes como KMnO4, acido crómico, dicromato de potasio, K2Cr2O7, CrO3 en medio acuoso (reactivo de Jones) o OsO4. En general la reacción que se produce es la siguiente:

» Ruptura oxidativa de alquenos: En general la reacción de ruptura oxidativa de alquenos para la obtención de ácidos carboxílicos es la siguiente:

Dependiendo de la estructura del alqueno de partida se pueden obtener combinaciones de ácido carboxílico con cetona al tratarlo con KMnO4 tibio y concentrado. Sin embargo, si el KMnO4 esta frio solamente obtendremos dioles. Dado que con esta reacción se obtiene una mezcla del ácido carboxílico con cetona no es la mejor reacción desde el punto de vista del porcentaje de rendimiento. » Ruptura oxidativa de alquinos: En general la reacción de ruptura oxidativa de alquinos para la obtención de ácidos carboxílicos es la siguiente:

Los alquinos, al ser oxidados en ozono o KMnO4 tibio y concentrado darán mezclas de ácidos carboxílicos tras romper el triple enlace. Sin embargo, si el KMnO4 esta frio solamente obtendremos dicetonas. Se observa de la reacción dada que si el alquino de partida es terminal entonces se obtendrá ácido fórmico. Esta reacción tampoco resulta ser la mejor para obtener ácidos carboxílicos desde el punto de vista del porcentaje de rendimiento.

» Oxidación de alquilbencenos: La reacción general de oxidación de alquilbencenos para la obtención de ácidos carboxílicos se muestra a continuación:

» Carbonatación de reactivos de Grignard: La reacción general de carbonatación de reactivos de Grignard para la obtención de ácidos carboxílicos se muestra a continuación:

El mecanismo de esta reacción es el siguiente:

» Hidrólisis de nitrilos: La hidrolisis en medio básico o ácido de un nitrilo produce un ácido carboxílico. La reacción general de hidrolisis de nitrilos para la obtención de ácidos carboxílicos se muestra a continuación:

Se observa que en esta reacción se añade un carbono adicional a la molécula respecto al haluro con el que se comenzó. Esta reacción es una reacción de sustitución nucleofílica bimolecular (SN2) y por lo tanto el haluro de partida (R-X) debe ser primario, ya que si dicho haluro es secundario o terciario podría existir competencia con la eliminación bimolecular (E2). El mecanismo de la reacción de hidrolisis de nitrilos se desarrolla a continuación: 1) Protonación del nitrilo, seguido por ataque de agua en el carbono del nitrilo, dando un ion oxonio. 2) El ion oxonio pierde un protón para dar el tautómero de una amida. 3) En el intermediario tetrahedral se transfiere un protón, perdiendo amoniaco en forma de ion amonio, liberando el ácido carboxílico.

Condensación de Claisen: Cuando el acetato de metilo se trata con una disolución metanolica de metóxido de sodio y la mezcla de reacción se acidifica se obtiene como producto el acetilacetato de metilo. La reacción que se produce es la siguiente:

Este proceso, que permite la obtención de β-cetoésteres, se conoce con el nombre de reacción de condensación de Claisen. El mecanismo de la reacción de Claisen se muestra a continuación:

Se observa que el mecanismo de esta reacción es bastante similar al mecanismo de condensación aldólica estudiado anteriormente.

Síntesis malonica: La síntesis malónica es un método que permite obtener ácido propanoico a partir del propanodioato de dietilo (malonato de dietilo). La reacción que se produce es la siguiente:

Esta reacción se desarrolla a través de las siguientes etapas:

Síntesis acetil acética: El 3-oxobutanoato de etilo (acetilacetato de etilo) puede obtenerse mediante el método de Claisen a partir del acetato de etilo y es un reactivo muy eficiente para la preparación de cetonas. La reacción de obtención de butanona a partir del acetilacetato de etilo se muestra a continuación:

Esta reacción se desarrolla a través de las siguientes etapas:

Reactividad de los ácidos carboxílicos: Para estudiar las reacciones que producen los ácidos carboxílicos y sus derivados utilizaremos las propiedades conocidas de su estructura, las cuales nos permiten distinguir los siguientes centros de reacción de este tipo de compuestos.

Algunas de las reacciones mas comunes de este tipo de compuestos se desarrollan a continuación. » Adición nucleofílica al grupo carbonilo: El mecanismo general del proceso de adición nucleofílica al grupo carbonilo se muestra a continuación:

» Adición nucleofílica/eliminación: El mecanismo general del proceso de adición nucleofílica/eliminación se muestra a continuación:

» Sustitución nucleofílica en el acilo: La reacción de sustitución nucleofílica en el acilo en general se produce en presencia de nucleófilos fuertes o moderados y es de la siguiente forma:

Donde Z puede ser el grupo -OR’ (éster), -NH2/-NHR’/-NR’2 (amidas), -Cl/-Br/-I/-F (halogenuros de ácido) o -O/-C/-R’ (anhidridos). El mecanismo que sigue esta reacción es el siguiente: 1) Ataque nucleofílico. 2) Expulsión del grupo saliente.

Algunos de los nucleófilos involucrados en esta reacción son los basados en el oxigeno o en el nitrógeno.

Esta reacción se utiliza para convertir a los ácidos carboxílicos o a los derivados de ácidos carboxílicos en otros tipos de compuestos como amidas o esteres. Por ejemplo:

Otros ejemplos:

A continuación se desarrollarán algunos casos particulares de reacciones de sustitución nucleofílica en el acilo.

- Formación de cloruros de ácidos: Al tratar un ácido carboxílico en presencia de cloruro de tionilo (SOCl2) se formará un cloruro de ácido.

El grupo -OH aunque es mal saliente se ve expulsado durante la conversión del ácido a cloruro ya que el Cl desplaza al -OH por ser mejor nucleófilo. Pese al buen rendimiento, al realizar esta reacción se debe tener cuidado ya que el SO 2 y el HCl son gases tóxicos y se deben recoger en trampas para gases. El mecanismo de esta reacción es el siguiente: 1) Ataque del C=O al cloruro de tionilo. 2) Formación del intermediario clorosulfito (buen grupo saliente). 3) Eliminación del grupo clorosulfito por parte del cloruro.

- Esterificación de Fischer: La esterificación de Fischer consiste en una reacción entre un ácido carboxílico y un alcohol con la finalidad de obtener un éster. Esta reacción se cataliza por un medio ácido y tiene un rendimiento moderado.

Vemos que la reacción es un equilibrio y requiere de condiciones estequiométricas para asegurar la formación de producto (exceso de alcohol). El mecanismo de la esterificación de Fischer en medio acido es el siguiente:

1) El carboxilo se protona en medio ácido para después sufrir ataque nucleofílico por parte del alcohol formando intermediario tetrahedral, que pierde alcohol por desprotonación dando como producto un hidrato de éster. 2) El intermediario hidrato se protona, haciendo que este expulse agua para dar un éster protonado, el cual se estabiliza por una abstracción final de protón por parte del agua.

No es posible llevar a cabo una esterificación de Fischer en medio básico por la naturaleza propia del ion hidroxilo, el cual vence al equilibrio formando el ion carboxilato antes que realizar el ataque nucleófilo.

- Esterificación de Fischer con cloruros de ácidos: También se pueden obtener esteres por la reacción de esterificación de Fischer usando como reactivos un cloruro de acido y un alcohol. En este caso la reacción que se produce es la siguiente:

El uso de cloruros de ácidos para la obtención de esteres tiene ciertas ventajas y desventajas en relación a la esterificación de Fischer tradicional. Algunas ventajas son que la reacción no es un equilibrio, es una reacción más directa y más rápida que la de los RCOOH y no requiere de medio ácido ni básico para catalizar, esta solo requiere piridina como disolvente. Sin embargo también existen algunas desventajas como por ejemplo el hecho de que para trabajar con cloruros de ácidos se requiere atmosfera seca ya que estos compuestos son muy inestables, sensibles a la humedad y se pueden dañar fácilmente.

El mecanismo de la esterificación de Fischer con cloruros de ácidos es el siguiente: 1) Adición del nucleófilo y formación del intermediario tetrahedral. 2) Eliminación del grupo saliente. 3) Deprotonación.

- Obtención de amidas a partir de ácidos carboxílicos: La síntesis de amidas a partir de amoniaco o aminas primarias y ácidos carboxílicos no es muy efectiva ya que se puede formar sal de amonio y requiere mucho calor (temperaturas mayores a 100°C).

Un mecanismo probable para esta reacción sería el siguiente:

El uso de DCC (diciclohexilcarbodimida) favorece el secado y eliminación del agua en la reacción, evitando así las altas temperaturas y resolviendo el problema anterior.

El mecanismo que sigue esta reacción es el siguiente:

- Obtención de amidas a partir de cloruros de ácidos: La síntesis de amidas es más efectiva usando cloruros de ácidos en lugar de ácidos carboxílicos, pese a su sensibilidad a la humedad. Se puede utilizar piridina o NaOH para neutralizar el HCl y evitar así la protonación de la amina que resulta como subproducto. En este tipo de reacción se observa que el amoniaco genera una amida primaria, que las aminas primarias (1°) generan una amida N sustituida y que las aminas secundarias (2°) generan una amida N, N disustituida. El mecanismo general de esta reacción es el siguiente:

- Obtención de anhídridos de ácidos a partir de ácidos carboxílicos: Es posible convertir ácidos carboxílicos a anhídridos de ácido por dos maneras: 1) Deshidratación del ácido carboxílico en presencia de calor. 2) Formación a partir del cloruro de ácido. Sin embargo, la deshidratación de los ácidos carboxílicos presenta la desventaja de que es muy lenta, como es típico de los ácidos carboxílicos al ser convertidos a un derivado. El mecanismo de deshidratación de ácidos carboxílicos es de la siguiente forma:

El mecanismo de la formación de anhídridos a partir del cloruro de ácido es el siguiente:

El ácido carboxílico hace de nucleófilo en el grupo –OH, atacando al cloruro de ácido y formando un intermediario tetrahedral. Luego, el ion Cl- es expulsado, restableciendo el carbonilo. Finalmente, la desprotonación forma al anhídrido. Por lo dicho anteriormente se encuentra que la conversión desde cloruros de ácido resulta ser más efectiva, aunque nuevamente debemos tener en cuenta las precauciones acerca del desprendimiento de vapores tóxicos de HCl.

Otras reacciones de ácidos carboxílicos: A continuación desarrollaremos algunas otras reacciones comunes que se producen con los ácidos carboxílicos. » Reducción de ácidos carboxílicos a alcoholes primarios: Es posible usar agentes reductores para convertir los ácidos carboxílicos en alcoholes primarios.

El LiAlH4 es un reductor fuerte y por lo tanto el ácido carboxílico de partida no pasa por aldehído para llegar al correspondiente alcohol primario ya que incluso si este se forma, se reduce directamente a alcohol. Además de LiAlH4 se puede usar el borano (BH3) en THF o el diborano (B2H6) para efectuar esta reducción. El mecanismo que sigue esta reacción se muestra a continuación.

» Reducción de cloruros de ácidos a aldehídos: Este método sirve para obtener de forma indirecta la reducción de un cloruro de ácido a aldehído. Involucra la conversión del ácido carboxílico en cloruro de ácido y después la reducción de este. Para esto último se utiliza LiAl(OtBu)3 porque es un reductor más suave en comparación al LiAlH4.

» Conversión de ácidos carboxílicos a cetonas por reactivos de organolitio: Los reactivos de organolitio atacan los ácidos carboxílicos para dar un dianion, que posteriormente al protonarse forma como producto un hidrato de cetona, que rápidamente pierde agua para dar la cetona. La reacción se produce de la siguiente manera:

De forma similar, los cloruros de ácido también son capaces de dar esta reacción.

» Reactividad del hidrogeno del carbono alfa, reacción de Hell Volhard Zelinsky (alfa halogenación): La reacción de Hell Volhard Zelinsky (reacción HVZ) consiste en la obtención de un alfa halogenuro de ácido a partir de un ácido carboxílico. Esta reacción tiene la siguiente forma:

El mecanismo que sigue esta reacción se detalla a continuación: 1) Formación del bromuro de ácido que se enoliza para tener carácter nucleofílico. 2) El enol ataca al bromo para dar el bromuro del alfa bromoacido. 3) Finalmente la hidrolisis del bromuro del alfa bromoacido da como producto el ácido alfa bromo carboxílico.

» Esterificación de ácidos carboxílicos mediante el uso de diazometano: También es posible obtener esteres a partir de ácidos carboxílicos mediante el uso de diazometano. El mecanismo general que siguen esta reacción es el siguiente: