Acidos Carboxilicos y Derivados

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



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



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



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



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



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



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



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



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



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



-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



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



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



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



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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