cidos carboxlicos y DerivadosPROF. VIRGINIA GITTO CTEDRA DE QUIMICA ORGANICA I- Qumica II
cidos carboxlicos en productos naturales
Derivados de los cidos carboxlicos
Los steres cclicos son llamados lactonas Las amidas cclicas son llamas lactamas
1.- NOMENCLATURA La funcin cido carboxlico es siempre, con muy pocas excepciones, la principal.
cido 2-cloropropanoico
cido 3-butenoico
cido 2-(1-metiletil)3,4,5-trimetilhexanoico
cido 2,4-bis(1-metiletil)3-metil-4-pentenoico
cido 2-(1-metiletil)3,5-dimetil-4-oxohexanoico
cido 2-bromo-2-metilciclohexanocarboxlico
cido 2-(2-formilciclopentil) actico
CF3CO2H cido trifluoractico (TFA)
Estado de agregacin de los cidos carboxlicosC1 a C3 son lquidos fluidos C4 a C 6 lquidos oleosos Ms de C6 slidos
Poseen olores intensos y desagradables especialmente el cido butanoico
2.- PROPIEDADES FSICASPropiedades fsicas de algunos compuestos orgnicosMasa Molecular 88 88 86 88 88 87 87 87 83 86 Punto Ebullicin 164 C 138 C 103 C 77 C 80 C 216 C 165 C 103 C 140 C 69 C Solubilidad en agua muy soluble poco soluble poco soluble moderadamente soluble poco soluble soluble muy soluble muy soluble poco soluble insoluble
Frmula CH3(CH2)2CO2H CH3(CH2)4OH CH3(CH2)3CHO CH3CO2C2H5 CH3CH2CO2CH3 CH3(CH2)2CONH2
IUPAC Nombre cido butanoico 1-pentanol pentanal Etanoato de etilo Propanoato de metilo Butanamida N,N-dimetilletanamida 1-aminobutano pentanonitrilo hexano
CH3CON(CH3)2 CH3(CH2)4NH2 CH3(CH2)3CN CH3(CH2)4CH3
Formula HCO2H CH3CO2H CH3CH2CO2H CH3(CH2)2CO2H CH3(CH2)3CO2H CH3(CH2)4CO2H CH3(CH2)5CO2H CH3(CH2)6CO2H CH3(CH2)7CO2H CH3(CH2)8CO2H
Nombre comn cido frmico cido acetico cido propionico cido butrico cido valrico cido caproico cido enntico cido caprlico cido pelargnico cido cprico
Fuente Hormiga (L. formica) vinagre (L. acetum) leche (Gk. protus prion) mantequilla (L. butyrum) Valeriana raiz cabras (L. caper) vid (Gk. oenanthe) cabras (L. caper) pelargonium (hierba) cabras (L. caper)
IUPAC Nombre cido metanoico cido etanoico cido propanoico cido butanoico cido pentanoico cido hexanoico cido heptanoico cido octanoico cido nonanoico cido decanoico
Punto fusin 8.4 C 16.6 C -20.8 C -5.5 C -34.5 C -4.0 C -7.5 C 16.3 C 12.0 C 31.0 C
Punto ebullicin 101 C 118 C 141 C 164 C 186 C 205 C 223 C 239 C 253 C 219 C
Puntos de ebullicin de los cidos carboxlicos.Los puntos de ebullicin de los cidos carboxlicos son el resultado de la formacin de un dmero, con enlace de hidrgeno, estable. Este dmero contiene un anillo de ocho miembros con dos enlaces de hidrgeno, que en efecto dobla el peso molecular de las molculas que abandonan la fase lquida.
Para romper los enlaces de hidrgeno y vaporizar el cido es necesario que la temperatura sea ms elevada.
Saturados Frmula Nombre Comn cido lurico cido mirstico cido palmtico cido esterico cido araqudico Punto Fusin 45 C 55 C 63 C 69 C 76 C
CIDOS GRASOS
CH3(CH2)10CO2H CH3(CH2)12CO2H CH3(CH2)14CO2H CH3(CH2)16CO2H CH3(CH2)18CO2H Insaturados Frmula
Nombre ComnCH3(CH2)5CH=CH(CH2)7CO2H CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7CO2H cido palmitoleico cido oleico cido linoleico cido linolnico cido araquidnico
Punto Fusin0 C 13 C -5 C -11 C -49 C
CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7CO2H CH3CH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH(CH2)7CO2H CH3(CH2)4(CH=CHCH2)4(CH2)2CO2H
Formas de resonancia del cido frmicoUno de los pares de electrones no compartidos del tomo de oxgeno del grupo hidroxilo est deslocalizado en el sistema electroflico pi del grupo carbonilo
La estructura de resonancia mayoritaria es neutral, mientras que las formas minoritarias tienen separacin de carga.
In acetatoCada enlace C-O tiene un orden de enlace de 3/2 (un enlace y la mitad de un enlace ). Cada tomo de oxgeno tiene la mitad de la carga negativa.
La deslocalizacin de la carga negativa sobre los dos tomos de oxgeno hace que el in acetato sea ms estable que un in alcxido
3.- ACIDEZ DE LOS CIDOS CARBOXLICOSCompuesto RCH3 R-NH2 pKa 45 35 25 R-CH2CO-R R-OH H2O 20 18 15
La acidez de los cidos carboxlicos es patente, como lo demuestra el valor medio de pKa. El valor ms bajo (mayor acidez) corresponde a la funcin CO2H. Los cidos carboxlicos son un milln de veces ms cidos que los fenoles, 1011 veces ms que el agua, 1014 veces ms que los alcoholes, etc. Por qu?.
ArOHR-CO2H
104
La fortaleza de un cido AH est relacionada con la estabilidad de su base conjugada A-. El anin carboxilato, base conjugada de la funcin cido, es extraordinariamente estable porque posee una elevada deslocalizacin de la carga negativa.
Formas resonantes del anin carboxilato, totalmente equivalentes, en las que la carga negativa se sita sobre tomos electronegativos.
Adems del efecto resonante, el efecto inductivo tambin juega un papel notable en la acidez de los cidos carboxlicos
La acidez de un cido carboxlico est modulada por la estructura del grupo R. Un grupo R dador de electrones, desestabilizar el anin carboxilato y har que la fortaleza del cido correspondiente sea menor. Este es el caso, por ejemplo, de los restos alquilo. Por el contrario, un grupo R electronegativo deslocalizar an ms la carga negativa del anin carboxilato, estabilizandolo, con lo que la fortaleza del cido aumentar. Este es el caso, por ejemplo, de los restos halometilo
R-CO2H CH3 ClCH2 Cl2CH Cl3C F3C
pKa 4.74 2.86 1.26 0.64 0.23
R-CO2H CH3CH2CH2 CH3CH2CHCl CH3CHClCH2 ClCH2CH2CH2
pKa 4.90 2.84 4.06 4.52
El aumento del nmero de halgenos estabiliza de forma creciente el anin carboxilato y la acidez aumenta. El cambio de cloro por fluor, ms electronegativo, aumenta la acidez.
La presencia de un tomo de cloro en posicin contigua al grupo carboxilato deslocaliza la carga negativa y aumenta la acidez. Pero esta deslocalizacin es muy sensible a la distancia. Cuando el cloro est en la posicin 3 4 la acidez disminuye, aunque contina siendo ligeramente mayor que en ausencia del halgeno
Mtodos de obtencin
Oxidacin de aldehdos, alquenos y alquinos y cetonas con oxidantes enrgicos A partir de Reactivos de Grignard con Dixido de carbono Adicin cataltica de CO a alquenos e hidrlisis Hidrlisis de derivados de cidos
4.- PREPARACIN DE CIDOS CARBOXLICOS
4.1.- MTODOS INDUSTRIALES
cido frmico
cido actico Oxidacin de etileno
Ruptura oxidativa del butano
Carbonilacin del metanol
4.2.- MTODOS LABORATORIO 4.2.1.- OXIDACIN
Los cidos y derivados poseen el carbono del grupo carboxlico en un estado de oxidacin formal +3, el ms alto que puede tener un carbono en un grupo funcional orgnico. Por tanto, un cido carboxlico podr obtenerse a partir de la oxidacin de casi cualquier otro grupo funcional, siempre que exista el reactivo adecuado.
Los alquenos pueden oxidarse a cidos carboxlicos, sufriendo la ruptura del doble enlace
La ozonolisis resulta til para comvertir cicloalquenos en compuestos dicarbonlicos que, a su vez, pueden dar lugar a reacciones importantes.
Los alquenos no cclicos dan lugar a una mezcla de productos. El anlisis de la estructura y cantidad de los fragmentos obtenidos puede permitir averiguar la estructura del alqueno de partida
Los alcoholes primarios son los nicos que pueden oxidarse a cidos carboxlicos sin ruptura de enlaces C-C
Los alcoholes secundarios y terciarios pueden oxidarse en condiciones muy enrgicas a cidos carboxcos, pero sufriendo ruptura de enlaces C-C
Los aldehdos se oxidan en condiciones muy suaves y con reactivos muy selectivos a cidos carboxlicos
El xido de plata es un oxidante muy suave que resulta selectivo de aldehdos. No se oxidar ninguna otra funcin, si existe en la molcula. Por supuesto, oxidantes ms fuertes como el KMnO4, K2Cr2O7 tambin oxidarn los aldehdos a cidos carboxlicos.
Las cetonas tambin pueden oxidarse a cidos carboxcos pero tienen que sufrir ruptura de un enlace C-C
La oxidacin de cetonas pasa obligatoriamente por la ruptura de un enlace C-C. Si es enrgica se producen dos cidos carboxlicos. Si suave (oxidacin de Baeyer-Villiger), se produce un ster que, una vez hidrolizado, da lugar a un cido y un alcohol. Reactivos enrgicos: KMnO4, K2Cr2O7 Reactivo suave: percidos carboxlicos.
4.2.2.- CARBOXILACIN DE COMPUESTOS ORGANOMETLICOS
Un mtodo muy directo de preparar un cido carboxlico, aadiendo un tomo de carbono ms a la molcula, es hacer reaccionar un compuesto organometlico con dixido de carbono. Reactivos de Grignard
Reactivos organolticos
El carbono unido al metal, muy rico en electrones debido a la baja electronegatividad de ste ltimo, ataca al carbono del dixido, muy pobre en electrones al estar unido a dos oxgenos ms electronegativos que l.
4.2.3.- HIDRLISIS DE NITRILOS
Los nitrilos se hidrolizan en medio cido o bsico para dar cidos carboxlicos. As la introduccin de un grupo nitrilo, a partir de cianuro por SN de un compuesto con un buen grupo saliente, es otro mtodo para obtener un cido carboxlico.
Recuerda que las reacciones de sustitucin nuclefila pueden no darse fcilmente, en funcin de la estructura el grupo R..
Otra posibilidad interesante es la formacin de una cianhidrina, por adicin de cianuro a un aldehdo. La hidrlisis del nitrilo permite obtener -hidroxicidos en este caso.
Hidrlisis cida
Hidrlisis alcalina
4.2.4.- HIDRLISIS DE DERIVADOS DE CIDO
Cloruros de cido
Anhdridos
steres
Amidas
Propiedades qumicas
Acidez Reduccin Sustitucin nucleoflica (obtencin de derivados)-adicin nucleoflica seguida de eliminacin
5.- REACTIVIDAD DE CIDOS CARBOXLICOS
El mapa de reactividad de un cido carboxlico est marcado, en primer lugar, por la elevada acidez del OH y, en segundo, por la electrofilia del carbono carbonlico.
La limitada acidez de los hidrgenos en a, muy patente en otros derivados carbonlicos, queda totalmente enmascarada por la elevada acidez del grupo carboxilo.
La acidez del grupo carboxilo suele interferir casi siempre en las reacciones que se quieran llevar a cabo en medio bsico, neutralizando la base e impidiendo que se produzcan. Por tanto, el ataque nuclefilo al carbono carbonlico deber hacerse, en general, en medio cido.
5.1.- REDUCCIN DE CIDOS CARBOXLICOS
Un cido carboxlico podr reducirse y dar lugar a otro grupo funcional con el carbono en un estado de oxidacin menor, siempre que exista el reactivo adecuado
Reduccin a aldehdos
Los metales alcalinos son buenos reductores porque tienen una gran tendencia a ceder su electrn ms externo. El carbono carboxlico, con deficiencia electrnica, puede aceptar el electrn y reducirse as. La amina puede aportar los hidrgenos necesarios. Podras plantear un mecanismo razonable?
El hidruro de diisobutilaluminio, menos reactivo que el hidruro de litio y aluminio, reduce el grupo carboxilo parcialmente y la reduccin se detiene en el aldehdo.
Reduccin a alcoholesPara reducir un grupo carboxilato a alcohol se necesitan reductores ms enrgicos. Hay que tener precaucin si la molcula posee otros grupos funcionales ya que algunos de ellos pueden reducirse.
Reductor [H]
Otros grupos que interfieren
LiALH4 / ter Precaucin!. La reaccin del LAH con un cido es fuertemente exotrmica y puede dar lugar a explosiones o incendios.
BH3 / THF
5.2.- SUSTITUCIN DEL GRUPO HIDROXILOEl mecanismo de ataque a un cido carboxlico o a un derivado suyo se denomina de adicineliminacin porque siempre consta de, al menos, esas dos etapas. La etapa de adicin ocurre primero y es seguida de otra de eliminacin.Las reacciones de los cidos carboxlicos se llevan a cabo en medio cido mineral o de Lewis. De esta forma se evita la interferencia de la acidez del grupo OH y se aumenta la nucleofilia del carbono, al producirse la protonacin parcial del grupo carbonilo, de propiedades bsicas.
El oxgeno del grupo carbonilo tiene propiedades dbilmente bsicas. En presencia de un cido mineral o de Lewis, las pocas molculas que se protonen van a ser mucho ms reactivas frente a un nuclefilo, ya que se aumenta la deficiencia electrnica del carbono carbonlico. Las formas resonantes as nos lo indican.
En la etapa de adicin el carbono inicialmente carbonlico cambia de hibridacin sp2 (trigonal plana) a sp3 (tetradrica).
Se produce entonces la adicin del nuclefilo, que debe ser protonado porque estamos en medio cido.
En la eliminacin el carbono reaccionante recupera de hibridacin sp2. El protn utilizado inicialmente se recupera, por lo que la cantidad requerida de cido para estas reacciones es cataltica.
La molcula de agua incipiente formada en la etapa anterior se elimina con facilidad, dando lugar al derivado de cido carboxlico, tras la prdida de un protn.
5.2.1- ESTERIFICACIN
La reaccin se lleva a cabo con una cantidad cataltica de un cido mineral (clorhdrico o sulfrico) que es capaz de protonar el grupo carbonilo, dbilmente bsico.
En presencia de un exceso de alcohol, que suele ser el disolvente de la reaccin, se produce el ataque nuclefilo
La prdida de agua reintegra la estructura protonada del grupo carbonilo, que ya est unido al oxgeno alcohlico
Diagrama de energa
5.2.2- FORMACIN DE HALUROS DE CIDOLa transformacin de un cido carboxlico en un haluro de cido conduce a un compuesto con mucha mayor reactividad en el grupo carbonilo por la presencia del tomo de halgenoEl tomo de azufre del cloruro de tionilo es muy electrfilo al estar unido a tres tomos muy electronegativos. Puede ser atacado por el OH de un alcohol o de un cido carboxlico y as expulsar un ion cloruro, muy buen grupo saleinte.
Se prodece el ataque del cloruro al grupo carbonilo
En el ltimo paso se produce la prdida del grupo saliente, creado en la primera etapa previa a la adicin-eliminacin. La formacin final de SO2 gaseoso y su desprendimiento, desplazan los equilibrios de las etapas anteriores hacia la generacin del cloruro de cido
5.3.- SUSTITUCIN EN EL HIDRGENO La halogenacin en a de un cido carboxlico puede lograrse con bromo molecular y fsforo atmico rojo:
Se consigue as funcionalizar la posicin a de un cido y activarla para poder efectuar reacciones posteriores. La reaccin toma el nombre de sus descubridores: Hell-Volhard-Zelinski
5.4.- FORMACIN DE SALES (ACIDEZ)CON METALES
CON HIDRXIDOS METLICOS
CON CARBONATOS O HIDROGENOCARBONATOS
CON AMONIACO
CON AMINAS
cidos polifuncionales
Pirvico (cetopropanoico) Acrlico (propenoico) Metacrlico( metilpropanoico) Tartrico Glutrico Ascrbico Ctrico (2-hidroxi-1,2,3-propanotricarboxlico)
6.- DERIVADOS DE LOS CIDOS CARBOXLICOS
Los steres cclicos son llamados lactonas Las amidas cclicas son llamas lactamas
6.1- NOMENCLATURA DE LOS DERIVADOS DE LOS CIDOS CARBOXLICOSsteres Un ster es un derivado de condensacin entre un cido carboxlico y un alcohol (cido + alcohol = ster + agua). Por analoga con las sales inorgnicas (cido + base = sal + agua), los steres se nombran como si fueran sales del cido (carboxilato), siendo el imaginario contraion un resto alquilo.
2-Benciloxicarbonilbenzaldehdo Isobutirato de isopropilo 2-Metilpropanoato de 1-metiletilo d-Lactona 2-oxooxaciclohexano 2-oxopirano
Formiato de metilo
Ciclohexilcarboxilato de etilo
2-Bencilcarboniloxibenzaldehdo
Cuando la funcin ster no es la principal se nombra como alquilioxicarbonil o alquilcarboniloxi, dependiendo de si se une a la cadena principal por el grupo carbonilo o por el oxgeno.
Formacin de anhdridos cclicos (cidos dicarboxlicos de 4 o 5 C) Formacin de lactonas ( en hidroxicidos que poseen un grupo OH en carbono 4 o 5 formando Esteres cclicos) Lctidas ( steres cclicos dmeros del cido lctico)
Amidas Una amida es un derivado de condensacin de un cido carboxlico y una amina. Las amidas se nombran como los cidos correspondientes, sustituyendo el sufijo ico, oico o lico por amida. Los sustituyentes en el nitrgeno se nombran como en las aminas, con el localizador N.
Formamida
N,N,2-Trimetilpropanamida
cido 3-carbamoilbenzoico
N-Metil Ciclopentilcarboxamida
d-Lactama 2-oxoazaciclohexano 2-oxopiperidina
propenamida acrilamida
Cuando la funcin amida no es la principal el grupo CONH2 de denomina carbamolo.
DERIVADOS DE CIDOS Reactividad
para la hidrlisis
Halogenuros-anhdridos-Ester- amidas Por su reactividad son muy utilizados como intermediarios de sntesis
Haluros de cido (acilo o alcanolo) Los haluros de cido, acilo o alcanolo son como los cidos carboxlicos, en los que el grupo OH se ha sustitudo por un halgeno. Se nombran como halogenuros de alcanolo, no de alquilo, para indicar la presencia del grupo carbonilo.
Cloruro de acetilo
Bromuro de 3-bromo-2metilbutanoilo
Fluoruro de ciclobutanocarbonilo
cido 2-(2cloroformilciclopentil)actico
Cuando la funcin haluro de acilo no es la principal, se nombra como haloformil, con el correspondiente nmero localizador.
Anhdridos Un anhdrido es un producto de condensacin de dos cidos carboxlicos. Se nombran como los cidos carboxlicos, sustituyendo el nombre de cido por anhdrido.
Anhdrido actico
Anhdrido 3,5-dimetilhexanoico
Anhdrido actico benzoico
Nitrilos Un nitrilo puede considerarse un derivado de cido ya que proviene de la deshidratacin de una amida. Si el grupo funcional CN es el principal se engloba dentro del nombre de la cadena principal, utilizando el sufijo "nitrilo". Si no acta como funcin principal, se considera como un sustituyente "ciano" con el nmero localizador correspondiente.
4-Metilpentanonitrilo El grupo funcional se engloba dentro de la cadena principal
(S)-2-Metil-3hexinonitrilo El grupo funcional se engloba dentro de la cadena principal
Butanodinitrilo (succinonitrilo) Los grupos funcionales se engloban dentro de la cadena principal
trans-3-metilciclohexanocarbonitrilo El grupo funcional no se puede englobar dentro de la cadena principal
m-Clorobenzonitrilo El grupo funcional no se puede englobar dentro de la cadena principal
Cianoacetato de 2-cianoetilo El grupo CN no es la funcin principal
6.2- PROPIEDADES FSICAS DE LOS DERIVADOS DE LOS CIDOS CARBOXLICOS
Diagrama comparativo Puntos de ebullicin de alcanos, cidos carboxlicos, steres, haluros de cido y amidas
Los cidos forman dmeros y tienen puntos de ebullicin equivalentes a los alcanos de peso molecular doble. Los steres y haluros de cido no pueden formar dmeros. Tienen puntos de ebullicin parecidos a los alcanos de igual nmero de carbonos, lo que indica que la funcin ster o haluro de cido, sin duda polar, no aporta cohesin intermolecular adicional a las fuerzas de van der Waals, que son las ms importantes. Las acetamidas tienen puntos de ebullicin mucho ms altos que los alcanos de peso molecular semejante. En una molcula pequea, como las acetamidas, la polaridad del grupo amida s aporta cohesin intermolecular adicional.
Physical Properties of Some Carboxylic Acid Derivatives
Formula CH3(CH2)2CO2H CH3(CH2)2CONH2 CH3CH2CONHCH3 CH3CON(CH3)2 HCON(CH3)CH2CH3 CH3(CH2)3CN CH3CO2CHO CH3CH2CO2CH3 CH3CO2C2H5 CH3CH2COCl
IUPAC Name butanoic acid butanamide N-methylpropanamide N,N-dimethylethanamide N-ethyl, N-methylmethanamide pentanenitrile ethanoic methanoic anhydride methyl propanoate ethyl ethanoate propanoyl chloride
Molecular Weight 88 87 87 87 87 83 88 88 88 92.5
Boiling Point 164 C 216-220 C 205 -210 C 166 C 170-180 C 141 C 105-112 C 80 C 77 C 80 C
Water Solubility very soluble soluble soluble very soluble very soluble slightly soluble reacts with water slightly soluble moderately soluble reacts with water
CH3(CH2)3CHOCH3(CH2)2COCH3
pentanal2-pentanone
8686
103 C102 C
slightly solubleslightly soluble
6.3- REACTIVIDAD DE LOS DERIVADOS DE LOS CIDOS CARBOXLICOS
El orden de reactividad se explica teniendo en cuenta la basicidad del grupo saliente
Propiedades qumicas de los halogenuros
Reduccin: *con Hidrgeno a aldehdos `*con Hidruro de Al y Li a alcohol mas hidrcido Oxidacin: Formacin de perxidos de cidos con perxido de sodio en medio pentano (para obtener polietileno)
Anhdridos
Propiedades Hidrlisis (dos cidos) Alcoholisis (cido mas ster) Amoniolisis (sal de amonio y amida)
Esteres
Prop. Fsicas: Aromticos Obtencin: A partir de halogenuros de cido con alcohol A partir de anhdridos con alcohol A partir de cidos con alcohol Propiedades Pirlisis -se obtiene cido mas alqueno Amonlisis amida mas alcohol Alcohlisis trans esterificacin
6.4- SNTESIS DE LOS DERIVADOS DE LOS CIDOS CARBOXLICOS
6.4- REACCIONES DE LOS DERIVADOS DE LOS CIDOS CARBOXLICOS
6.4.1.- REDUCCIN DE CIDOS CARBOXLICOS Y STERES
Tanto los cidos carboxlicos como los steres pueden reducirse a alcoholes empleando un reductor fuerte como el hidruro de aluminio y litio
6.4.4.- SAPONIFICACIN DE STERES