Acidos Carboxilicos Y Derivados 5jz11

Instituto Tecnológico de la Paz

Ingeniería bioquímica

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; solo que en estos, las reacciones son de sustitución nucleofilica y no de adición nucleofílica como en aldehídos y cetonas, además de las 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.

M.C. Jesús Ignacio González García

1

Instituto Tecnológico de la Paz

Ingeniería bioquímica

H3C C

N

R

C

N

N CH3 4-metilpentanonitrilo

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. H3C O HO

Acido propanoico

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. O

OH

O

OH

Br

Acido 3-bromociclohexanocarboxilico Acido 1-pentenocarboxilico

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: M.C. Jesús Ignacio González García

2

Instituto Tecnológico de la Paz

Ingeniería bioquímica

OH

O OH

O

OH

O

OH

O

O OH

+

N

O

Acido benzoico

Acido ftalico

O

CH3

Acido p-metoxibenzoico

O

-

Acido p-nitrobenzoico

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 O

R

O Cl

R O

Halogenuro de acido

HO

Acido carboxilico

R

1

Ester

X = Cl, Br O

O

O

O

R

R

NH2

NH2

Amida

OH

R

Tioester

P

OH

O

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:

M.C. Jesús Ignacio González García

3

Instituto Tecnológico de la Paz

Ingeniería bioquímica O O

O

Cl

Br

H3C Cl

Cloruro de acetilo (del acido acetico)

Cloruro de ciclohexano carbonilo

Bromuro de benzoilo

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: H3C

O

CH3

O

O

Anhidrido acetico

O

O O

O

O

O

Anhidrido succinico

Anhidrido benzoico

Los anhídridos de ácidos mono carboxílicos sustituidos se nombran adicionando el prefijo BIS al nombre del acido. O

O

Cl

Cl O

Anhidrido bis-cloroacetico

Para los anhídridos asimétricos se nombran los dos grupos acilo por orden alfabético: O

H3C

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. O H3C

O NH2

NH2

Acetamida

Ciclopentano

Etanamida

carboxiamida

M.C. Jesús Ignacio González García

4

Instituto Tecnológico de la Paz

Ingeniería bioquímica

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: O

O

N

H3C

NH

CH3 CH3

CH3

N,N-dietil-ciclohexanocarboxi amida

N-metil propanamida

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: O

O

O H3C

O

O

H3C

H3C

CH3 O

O

CH3

O

Acetato de etilo

CH3

CH3

Malonato de dimetilo

Ciclohexanocarboxilato de ter-butilo

Propanodiato de dimetilo

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: O

H3C

O O

O

Piruvato

H3C

SCoA

Acetil CoA

Catabolismo de la glucosa

M.C. Jesús Ignacio González García

5

Instituto Tecnológico de la Paz

Ingeniería bioquímica

Mas ejemplos serian algunas otras de las moléculas que participan en el ciclo de Krebs o ciclo del acido cítrico: COO

COO

COO

COO

CH2

CH2

CH2

CH2

O

HO

CH2

CO2

O CO2

Oxalacetato

COOH

OH

CH2

CO2

CO2

Maleato

Citrato

α-cetoglutarato

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 OH de la glucosa se produce otro hidroxiácido llamado acido láctico: H3C C COOH H 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) Acido lactico se convierte en cuerpos cetonicos los cuales son utilizados como combustible por el cerebro: O

H3C

H3C

CH3 Acetona

COO 3-hidroxibutirato

OH

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): R

M+

COOH

R COOM sal soluble del acido carboxilico

acido carboxilico

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: R-COOH

+

H2 O Ka =

→

R-COO-

+

H3 O+

[ RCOO- ] [H3O+] [R-COOH]

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 M.C. Jesús Ignacio González García

6

Instituto Tecnológico de la Paz

Ingeniería bioquímica

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: O

O

R

R-O-H

+

R-O-

H2O

+

H3

O+

R O

O

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 O oxigenos; en este híbrido la longitud de enlace entre el carbono y los oxígenos es la misma R con los dos (127 pm) cuando se debería de observar una diferencia si hubieran un enlace O 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: ACIDEZ H3C

COOH

ClH2C

pKa = 4.75

COOH

Cl3C COOH pKa = 0.64

Cl2HC COOH pKa = 1.48

pKa = 2.85

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: ClH2C

H3C

Cl

H3C

COOH

COOH pKa = 4.82

Cl

pKa = 4.52

COOH pKa = 4.05

H3C

COOH pKa = 2.86

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: COOH

COOH

pKa = 4.46

pKa = 4.19

O

COOH

pKa = 3.41 NO2

CH3

3.4 Obtención de ácidos carboxílicos y derivados Ácidos carboxílicos 1. Oxidación de alquilbencenos R

KMnO4 / H2O H

COOH Δ

H

M.C. Jesús Ignacio González García

7

Instituto Tecnológico de la Paz

Ingeniería bioquímica

2. Ruptura oxidativa de alquenos R

H

H

KMnO4

R-COOH

H3O+

R'

+

R'-COOH

3. Oxidación de alcoholes primarios H2 C

O

CrO3/H3O+

R

R

OH

OH

4. Oxidación de aldehídos O

O

CrO3/H3O+

R

R

o Ag+/NH4OH

H

OH

Ag+ = Ag2O

5. Hidrólisis de nitrilos R

C

N

O

H3O+/H2O

R OH

La hidrólisis también puede ser alcalina pero acidificando al final: R

C

N

10 NaOH/H2O

O

R

20 H3O+

OH

6. Carboxilacion de reactivos de Grignard R

MgX

CO2

R

H3O+

COO-

CN

CH2

Mg

/ete

CO2H

CH2

/THF NaCN

CH2 H3

O+

r

CH2MgBr

M.C. Jesús Ignacio González García

R OH

R = alifatico o aromatico

Br

O

1° CO2 2°H3O+

CO2H CH2

8

Instituto Tecnológico de la Paz

Ingeniería bioquímica

1° NaCN

CH3

O

2° NaOH/H2O 3° H3

Br

CH3

O

O+

COOH

Fenoprofeno (agente antiartritico, antiinflamatorio no esteroideo)

Halogenuros de acido O

R

O

SOCl2 OH

R

Cl O

R

O

PBr3 OH

R

Br

Anhídridos de acido O

Cl

O

O

R' R

O M

R

O

O

R'

El mecanismo es tanto para anhídridos simétricos como para asimétricos (cuando R ≠ R’) y es a través de una sustitución nucleofílica: O

H2 C

H3C

OH

H3C

O

O

CH3

Esteres O

R

O

1° NaOH

R'

2° R'-X (primario)

OH

R

O

X= Cl, Br o I O

O

R

OH

O

R'-OH

SOCl2 R

Cl

piridina

R' R

O

METODO GENERAL

M.C. Jesús Ignacio González García

9

Instituto Tecnológico de la Paz

Ingeniería bioquímica

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? O

O R

H3C

O

O CH3

CH3

O

O

O

O

CH3

Butanoato de metilo olor y sabor de piña (aceite)

CH3

R'

O O

Acetato de isopentilo aceite de olor y sabor a platano

R"

Grasas C11-C17

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: O

3 :NH

O

R

NH2 O

R'-NH2 R

Cl

R

2N

R

H

N H

R'

N

R

O

R

R

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

CO

catalizador

H3C

COOH

de Rh

M.C. Jesús Ignacio González García

10

Instituto Tecnológico de la Paz

Ingeniería bioquímica O

H3C

COOH

HC H3C

O

CH2

acetato de vinilo

-Acido Tereftalico (fibras de poliéster): En EUA se producen 5 millones de toneladas al año y se obtiene por oxidación del xileno: CH3

COOH O2 Co (III)

CH3

COOH

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 O carbonilo (en el grupo acilo) el cual experimenta reacciones similares a las cetonas, H3C aunque en lugar de reacciones de adición sobre el carbonilo las reacciones son de sustitución nucleofílica: Z En el caso de los ácidos carboxílicos estas reacciones dan lugar a la formación de los :Nu derivados de acido y, en el caso de estos últimos a la interconversion entre los diversos derivados: O

Cl 2 SO

O

R O

R'-OH/H+ R

OH

:N H

Cl

R

3

O

R'

O

R

NH2

Para los derivados de acido:

M.C. Jesús Ignacio González García

11

Instituto Tecnológico de la Paz

Ingeniería bioquímica O Hidrolisis R

R'

H R'-O

O

OH O

H 2O

R

Alcoholisis

O

O

:NH3 R

Y

R'M R'-

R

gX

CO O

Aminolisis

NH2

O

-

R

Reaccion de Grignard

R' O

R

O

O

R'

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: R

O

O

O

Δ

OH

O

O

R

H3C

R

H

R

CH2

R COOH

R

C

O

COO

H

O

CH2

O

H3C

Intermediario

R

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: O

R

H2 C

1° LiAlH4 Z

2° H3O+

R

OH

En tanto que las amidas producirán aminas:

M.C. Jesús Ignacio González García

12

Instituto Tecnológico de la Paz

Ingeniería bioquímica O

H2 C

1° LiAlH4

R

NH2

2° H3O+

R

NH2

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: O

H2O R

R

COOH

Cl O

O 2 H2O

R

O

R'

R

COOH

R'

COOH

Los esteres y las amidas que son derivados más estables, requieren la presencia de un acido o una base para poder hidrolizarse: O

O R'

R

H3O+

O

R' R

O R' R

O

OH

OH

R

COO

R'

OH

R

COOH

H3O+

R

COOH

NaOH/ H2O

O

R

NH2

H3O+

NH3/H2O (NH4+OH- )

O

R

NH2

NaOH/ H2O

R

COONa

H3O+

R-COOH

NH3

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.

M.C. Jesús Ignacio González García

13

Instituto Tecnológico de la Paz

Ingeniería bioquímica

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 COOH

CH2

H3C

COOH

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

O

CH3

1° CH3CH2MgBr 2° H3O+

Cl H3C

NH2

O

M.C. Jesús Ignacio González García

14

Instituto Tecnológico de la Paz

Ingeniería bioquímica CO2H H

H3C

CH3

OH

H2SO4 H CH3

O 1° LiAlH4

H2C

2° H3O+

O CH3 OH

Piridina H3C

O

O

CH3 O

O

NH2 CH3

1° LiAlH4 2° H3O+

8. Obtener la acetofenona a partir de: Benceno

Bromobenceno O Benzoato de metilo Benzonitrilo

CH3

Estireno

M.C. Jesús Ignacio González García

15