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Instituto Tecnológico de la Paz Ingeniería bioquímica
M.C. Jesús Ignacio González García 1
UNIDAD 3 ACIDOS CARBOXILICOS Y DERIVADOS
3. 1 Características estructurales de ácidos carboxílicos y derivados (halogenuros de
acido, anhídridos, amidas, esteres y nitrilos. La familia de los ácidos carboxílicos y los derivados de los ácidos carboxílicos tiene como característica la presencia del grupo acilo al cual están unidos diferentes grupos: En el caso de los ácidos carboxílicos la estructura es un caso atípico ya que tiene dos grupos funcionales en el mismo carbono: un carbonilo y un grupo -OH. El grupo R puede ser alquilo, cicloalquilo, arilo, alilo, alquenilo, etc. En los ácidos carboxílicos, el grupo funcional es el carboxilo, -COOH, el cual está compuesto por un carbono SP2 con geometría trigonal plana y ángulos de 120 °, al cual están unidos dos oxígenos: uno con un doble enlace (carbonilo) y el otro por medio de un enlace sencillo. Es por este motivo que los ácidos carboxílicos presentan muchas propiedades físico-químicas similares a las de los aldehídos y las cetonas; al igual que estos, sufren reacciones de sustitución nucleofilica, además de reacciones características de los ácidos como es la reacción con metales para formar sales. Por sustitución del grupo -OH del carboxilo se generan diferentes derivados de acido: Los compuestos llamados nitrilos tienen el grupo funcional -C≡N: y están relacionados con los ácidos carboxílicos porque son precursores de estos y presentan una química
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similar. En la naturaleza hay gran presencia de ácidos carboxílicos, como el acido acético, acido butanoico o butírico, acido hexanoico o caproico (olor característico de las cabras y de los calcetines sucios), acido cólico (bilis humana) y los ácidos grasos como el palmítico, el oleico, linoleico, linolenico Etc. Nomenclatura Hay dos nomenclaturas aceptadas por la IUPAC: a) Ácidos carboxílicos derivados de alcanos de cadena abierta. Se nombran reemplazando la terminación –o del alcano por –oico y se antepone la palabra acido. El carbono del grupo carboxilo se considera el carbono 1 en la numeración. Los sustituyentes se nombran como en las demás familias.
b) Ácidos carboxílicos en el que el grupo carboxilo esta unido a un anillo. Estos se nombran anteponiendo la palabra acido y utilizando el sufijo –carboxílico. El –CO2H esta unido al carbono 1 y no se numera.
Existe gran cantidad de nombres triviales en esta familia, pero al igual que en las demás no se recomienda su uso, excepción hecha de los ácidos fórmicos (metanoico) y acético (etanoico) ampliamente conocidos por estos nombres. En el caso de los aromáticos estos se nombran como acido benzoico y derivados de este:
O OH
Acido 1-pentenocarboxilico
Br
O OH
Acido 3-bromociclohexanocarboxilico
CH3
O
OH
Acido propanoico
C N R C N
H3CN
CH34-metilpentanonitrilo
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DERIVADOS DE ACIDOS CARBOXILICOS Este tipo de compuestos son aquellos en los que el grupo acilo (R-CO-) esta unido a un elemento electronegativo o un sustituyente que se comporta como un buen grupo saliente para reacciones de sustitución. Hay muchos tipos de derivados de acido siendo los mas comunes los siguientes: halogenuros de acido, anhídridos de acido, esteres y amidas. En los sistemas biológicos también encontramos a los tioesteres y a los fosfatos de acilo. Las formulas generales de estos derivados son:
R
O
OH
Acido carboxilico
R
O
Cl
Halogenuro de acido
X = Cl, Br
R
O
O R1
Ester
R
O
NH2Amida
R
O
NH2
Tioester
R
O
O P
O
OH
OH
Fosfato de acido
NOMENCLATURAS HALOGENUROS DE ACIDO Para nombrar a estos compuestos primero se identifica al halogenuro y después al grupo acilo. Para nombrar al grupo acilo tomamos el nombre del acido del que proviene, quitamos la palabra acido y cambiamos la terminación –oico por –oilo o la terminación carboxílico por carbonilo (excepto en nombres triviales). Para el nombre completo nombramos primero al halógeno y luego al grupo acilo:
O OH
N+
O-
O
Acido p-nitrobenzoico
O OH
OCH3
Acido p-metoxibenzoico
O OHO
OH
Acido ftalico
O OH
Acido benzoico
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CH3
O
Cl
Cloruro de acetilo
(del acido acetico)
O Br
Bromuro de benzoilo
O Cl
Cloruro de ciclohexano carbonilo
ANHIDRIDOS DE ACIDO: RCO2COR’ Estos compuestos pueden ser simétricos o asimétricos y también los hay cíclicos. Para nombrarlos cambiamos la palabra acido por anhídrido y el resto se mantiene igual al acido carboxílico correspondiente:
OO
OCH3 CH3
Anhidrido acetico
OO
O
Anhidrido benzoico Anhidrido succinico
O OO
Los anhídridos de ácidos mono carboxílicos sustituidos se nombran adicionando el prefijo BIS al nombre del acido.
O
O O
ClCl
Anhidrido bis-cloroacetico
Para los anhídridos asimétricos se nombran los dos grupos acilo por orden alfabético:
CH3 O
O O
Anhidrido acetico benzoico
AMIDAS: RCONH2 Para nombrar a las amidas se elimina la palabra acido y se cambia la terminación –oico o –ico por –amida. Otra forma es reemplazando acido-carboxílico por –carboxiamida, eliminando la palabra acido.
CH3
NH2
O
Acetamida
Etanamida
NH2
O
Ciclopentano
carboxiamida
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Cuando uno de los hidrógenos del grupo amino es sustituido por un grupo alquilo se identifica a este ultimo y se nombra anteponiendo la letra N lo que implica que está unido al nitrógeno:
NH
O
CH3 CH3
N-metil propanamida
N CH3
CH3
O
N,N-dietil-ciclohexanocarboxiamida
ESTERES: RCO2R’ Al igual que en los otros derivados de acido, para nombrar a los esteres se elimina la palabra acido y se cambia la terminación –oico o ico del nombre base por –ato. Se identifica al grupo alquilo unido al oxigeno para nombrarlo al último:
CH3
O
CH3
O
Acetato de etilo
OCH3
O
OCH3
O
Malonato de dimetilo
Propanodiato de dimetilo
O
CH3CH3
CH3
O
Ciclohexanocarboxilato de ter-butilo
Ciclohexanocarboxilato de 1,1-dimetiletilo EJERCICIOS Escribe las formulas de los compuestos siguientes:
a) benzoato de fenilo b) N-etil-N-metilbutanamida c) Cloruro de 2,4-dimetilpentanoilo d) 1-metilciclohexanocarboxilato de metilo e) 3-oxopentanoato de etilo f) anhídrido bis (p-bromobenzoico) g) anhídrido fórmico propanoico h) bromuro de cis-2-metilciclopentanocarbonilo
3.2 Hidroxiácidos y cetoacidos de importancia biológica Hay diferentes cetoacidos e hidroxiácidos que participan en diferentes rutas metabólicas de los seres vivos, tanto en su papel de productos como en el de precursores de otras moléculas, es decir, rutas catabólicas y anabólicas:
H3CO
O
O
Acetil CoA
SCoAH3C
O
Piruvato
Catabolismo de la glucosa
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Mas ejemplos serian algunas otras de las moléculas que participan en el ciclo de Krebs o ciclo del acido cítrico:
En el catabolismo de las proteínas todos los aminoácidos pierden el grupo amino para convertirse en cetoacidos por reacciones de transaminacion (TGP y TGO). En el catabolismo anaerobio de la glucosa se produce otro hidroxiácido llamado acido láctico: En situaciones en las que el organismo esta estresado por motivos de inanición prolongada, la acetil CoA en lugar de seguir hasta CO2 y agua (ciclo del acido cítrico) se convierte en cuerpos cetonicos los cuales son utilizados como combustible por el cerebro:
3.3 Acidez de ácidos carboxílicos Como su nombre lo indica, los ácidos carboxílicos son compuestos orgánicos que exhiben cierta acidez. Son ácidos débiles aunque su acidez es mayor que la de los alcoholes pero inferior que la de los ácidos minerales. Los ácidos carboxílicos pueden reaccionar con bases como el NaOH o el NaHCO3 para dar los carboxilatos metálicos (sales):
Las sales formadas en este tipo de reacciones, por ser iónicas, suelen ser muy solubles en solventes muy polares, como el agua, a diferencia de los ácidos de los que provienen cuyo límite de solubilidad anda en aproximadamente 6 carbonos. Como otros ácidos débiles de Bronsted y Lowry, la disociación de los ácidos carboxílicos en solución presentan equilibrios que dan lugar a una constante de acidez característica (constante de acidez, Ka) y con un valor especifico en condiciones normales:
En la mayoría de los ácidos carboxílicos sus Ka andan en el rango de 10-5 , que corresponden a disociaciones aproximadas al 0.1 % en soluciones 0.1 M, por ejemplo el acido acético que tiene una Ka de 1.76 x 10-5 (pKa= 4.75). Los alcoholes, al disociarse, forman alcoxidos pero sus Ka son del orden de 10-16 ¿ porque esa diferencia con los ácidos carboxílicos?. La razón se encuentra en el anión formado en cada caso; mientras que en los alcoxidos formados por los alcoholes la carga negativa se encuentra sobre un solo átomo electronegativo; en los ácidos carboxílicos esta misma carga se dispersa o distribuye entre dos átomos electronegativos (oxígenos) ya que el carboxilato formado se puede representar mediante dos estructuras resonantes equivalentes:
Ka =[ RCOO- ] [H3O+]
[R-COOH]R-O-H + H2O R-O- + H3O+
R COOH M+ R COOMacido carboxilico sal soluble del acido carboxilico
H3C CH3
OH3C
COO
OH3-hidroxibutirato
Acetona
COO
CH2
OH
CO2
Maleato
COO
CH2
O
CO2
COO
CH2
CH2
Oxalacetato
O
CO2
α-cetoglutarato
COO
CH2
CH2
CO2
COOHHO
Citrato
H3C CH
COOH
OH
Acido lactico
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Se ha demostrado, en el caso de los carboxilatos, que en realidad lo que se forma es un híbrido entre las dos estructuras resonantes y en el que la carga negativa se reparte por igual entre los dos oxigenos; en este híbrido la longitud de enlace entre el carbono y los oxígenos es la misma con los dos (127 pm) cuando se debería de observar una diferencia si hubieran un enlace sencillo y uno doble, 120 pm y 134 pm. La longitud que se observa es intermedia entre estas, correspondiendo a un enlace y medio. Esta deslocalización de la carga ocasiona que la energía disminuya, lo que favorece el equilibrio de disociación, aumentando la acidez. Por este mismo efecto, los grupos o átomos atractores de electrones que se encuentren como sustituyentes estabilizaran mas al anión por lo que la acidez también se incrementara:
Este efecto inductivo se trasmite a través de los enlaces σ y depende de la distancia, es decir, disminuye conforme el grupo atractor se aleja del carboxilo:
En el caso de los ácidos carboxílicos aromáticos el efecto es el mismo: grupos o átomos atractores (desactivadores) incrementan la acidez del acido, en tanto que los grupos activadores la disminuyen:
3.4 Obtención de ácidos carboxílicos y derivados Ácidos carboxílicos 1. Oxidación de alquilbencenos
2. Ruptura oxidativa de alquenos
R
H
HKMnO4 / H2O
ΔCOOH
COOH
O
COOH COOH
NO2CH3
pKa = 4.46 pKa = 4.19 pKa = 3.41
H3CCOOH H3C
COOHpKa = 4.05pKa = 2.86Cl
Cl
H3CCOOH
ClH2CCOOH
pKa = 4.82 pKa = 4.52
ACIDEZ
H3C COOH ClH2C COOH Cl2HC COOH Cl3C COOH
pKa = 4.75 pKa = 2.85 pKa = 1.48 pKa = 0.64
R
O
O
R
O
O
R-O-H + H2O R-O- + H3O+
R
O
O
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3. Oxidación de alcoholes primarios
4. Oxidación de aldehídos
5. Hidrólisis de nitrilos
La hidrólisis también puede ser alcalina pero acidificando al final:
6. Carboxilacion de reactivos de Grignard
CH2
BrNaCN/THF CH2
CN
CH2
CO2H
H3O+
Mg/eter
CH2MgBr1° CO2
2°H3O+ CH2
CO2H
R MgX CO2 R COO-H3O+
R
O
OHR = alifatico o aromatico
R C N 10 NaOH/H2O
R
O
OH20 H3O+
R C N H3O+/H2O
R
O
OH
R
O
H
R
O
OH
CrO3/H3O+
oAg+/NH4OH
Ag+ = Ag2O
R
H2C
OH
CrO3/H3O+R
O
OH
R
H
H
R'
KMnO4
H3O+R-COOH + R'-COOH
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Halogenuros de acido
Anhídridos de acido
El mecanismo es tanto para anhídridos simétricos como para asimétricos (cuando R ≠ R’) y es a través de una sustitución nucleofílica:
Esteres
R OH
OSOCl2
R Cl
OR'-OH
piridinaR O
O
R'
METODO GENERAL
R OH
O 1° NaOH
2° R'-X (primario)
X= Cl, Br o IR O
O
R'
H3CH2C
OHH3C O
O
CH3
O
R O
O
R'
Cl
OM R O
O
R'
O
R OH
OPBr3
R Br
O
R OH
OSOCl2
R Cl
O
Fenoprofeno(agente antiartritico, antiinflamatorio no
esteroideo)
OCH3
Br
1° NaCN
2° NaOH/H2O
3° H3O+ OCH3
COOH
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Utilizando el método general podemos introducir grupos R’ ramificados (con carbonos secundarios o terciarios) mientras que utilizando el primer método nos restringe a que este sea primario. Ejemplos de esteres y ¿Como los prepararía?
Amidas Las amidas se preparan más fácilmente partiendo de un cloruro de acido por lo que los ácidos carboxílicos primeramente se convierten en estos ya que el cloro es un muy buen grupo saliente, mejor que el grupo -OH, además de que se evita una reacción de tipo acido-base entre el alcohol y la amina:
3.5 Obtención industrial, usos e impacto ambiental de ácidos carboxílicos y derivados como son: acido acético, acido tereftalico, acido adipico (hexanodioico), anhídrido maleico, acetato de vinilo, ε- caprolactama (nylon 6), acrilonitrilo y acrilamida. -Acido acético: en EUA el 30 % (2 millones de toneladas) se obtiene por oxidación del acetaldehído y el 70 % restante por reacción del metanol con monóxido de carbono en presencia de rodio:
H3C OH COcatalizador
de RhH3C COOH
R Cl
O:NH3 R NH2
O
R'-NH2
R NH
O
R'R2NH
R N
O
R
R
O
O
O
R
R'
R"
O
O
O
GrasasC11-C17
H3C OCH3
OButanoato de metilo
olor y sabor de piña (aceite)
CH3
O
CH3
O
CH3
Acetato de isopentiloaceite de olor y sabor a platano
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-Acido Tereftalico (fibras de poliéster): En EUA se producen 5 millones de toneladas al año y se obtiene por oxidación del xileno:
3.6 Reacciones de los ácidos carboxílicos y derivados 4.
3.6.1 Sustitución nucleofílica Los ácidos carboxílicos y los derivados de acido tienen en común la presencia de un carbonilo (en el grupo acilo) el cual experimenta reacciones similares a las cetonas, aunque en lugar de reacciones de adición sobre el carbonilo las reacciones son de sustitución nucleofílica: En el caso de los ácidos carboxílicos estas reacciones dan lugar a la formación de los derivados de acido y, en el caso de estos últimos a la interconversion entre los diversos derivados:
Para los derivados de acido:
R OH
OSOC
l2 R Cl
O
R'-OH/H+
R O
O
R':NH3
R NH2
O
CH3
CH3
O2
Co (III)
COOH
COOH
H3C COOHH3C O
HCCH2
O
acetato de vinilo
H3C
Z
O
:Nu
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3.5.2 Descarboxilacion Los ácidos β-ceto carboxílicos se descarboxilan muy fácilmente debido al mismo motivo de la acidez de los hidrógenos que se encuentran en posición α, es decir si se genera un anión, después de soltar al grupo CO2, la carga negativa formada puede ser deslocalizada hacia el carbonilo y así se estabiliza:
3.5.3 Reducción Los ácidos carboxílicos y derivados de acido como los cloruros de acido, esteres y anhídridos pueden ser reducidos con LiAlH4 (el NaBH4 no los reduce) para formar alcoholes primarios:
En tanto que las amidas producirán aminas:
R Z
O1° LiAlH4
2° H3O+ R
H2C
OH
R
COOH
O
R
COO
O H R CH2
O H
RH3C
OR C CH2
OIntermediario
R O
OHO RH3C
O
Δ
R Y
O
H2O
R'-OH
:NH3
R'MgXR'-COO -
R OH
O
R O
O
R NH2
O
R R'
O
R O
O
R'
R'
O
Hidrolisis
Alcoholisis
Aminolisis
Reaccion de Grignard
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3.5.4 Hidrólisis Los cloruros de acido y los anhídridos de acido por ser los derivados de ácidos carboxílicos mas reactivos, se hidrolizan fácilmente en presencia de agua para dar los ácidos carboxílicos de los que provienen:
Los esteres y las amidas que son derivados más estables, requieren la presencia de un acido o una base para poder hidrolizarse:
Los ácidos carboxílicos se pueden halogenar en el carbono alfa de manera muy simple agregando Br2/P o utilizando PBr3 y con estos productos halogenados obtener posteriormente otros productos.
R NH2
O
R NH2
O
H3O+
NaOH/ H2O
R COOH NH3/H2O
(NH4+OH- )
R COONa
NH3
H3O+R-COOH
R O
O
R' NaOH/ H2OR COO
R' OH
H3O+R COOH
R O
O
R' H3O+R OH
O
R' OH
R Cl
O
H2O R COOH
R O
O
R'
O
2 H2O R COOH R' COOH
R NH2
O1° LiAlH4
2° H3O+ R
H2C
NH2
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PROBLEMAS DE ACIDOS CARBOXÍLICOS Y DERIVADOS
1. Ordene por orden de acidez creciente a) Acido acético, acido oxálico, acido fórmico b) Acido p-bromo benzoico, acido p-nitro benzoico, acido 2,4-dinitrobenzoico c) acido fluoroacetico, acido 3-fluoropropanoico, acido yodo acético 2. Por medio de reacciones adecuadas convierta al acido butanoico en: a) 1-butanol b) 1-buteno c) 1-bromobutano d) octano e) acido pentanoico 3. Diga como convertiría cada uno de los siguientes compuestos en acido butanoico: a) 1-butanol b) 1-14 c) 1-buteno d) 1-bromopropano e) 4-octeno 4. Convierta al butanonitrilo en: a) 1-butanol b) butilamina c) 2-metil-3-hexanona
5. Realice las siguientes transformaciones: 6. Diga como prepararía los siguientes compuestos a partir del acido butanoico: a) butanal b) pentanonitrilo c) 2-hexanona d) butilbenceno 7. Prediga el o los productos de las siguientes reacciones:
O CH3
O
1° CH3CH2MgBr
2° H3O+
Cl
O
H3C NH2
CH2
COOH
COOH
H3C
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8. Obtener la acetofenona a partir de:
CH3
O
Benceno
Bromobenceno
Benzoato de metilo
Benzonitrilo
Estireno
OH
H3C O CH3
O O
Piridina
NH2
O
CH3
1° LiAlH4
2° H3O+
CO2H
HCH3
H
H3C OH
H2SO4
H2CO
CH3 O
CH3
1° LiAlH4
2° H3O+
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