Tema II - acidos carboxilicos

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QUÍMICA ORGÁNCA IITema II: Ácidos Carboxílicos

Ácidos carboxílicos. Nomenclatura. Estructura y enlace. Propiedades físicas. Acidez de los ácidos carboxílicos. Sales de los ácidos carboxílicos. Sustituyentes y fuerza ácida. Preparación: oxidación de alcoholes primarios. Oxidación de hidrocarburos aromáticos. Síntesis de Grignard. Síntesis nitrílica. Reacciones de los ácidos carboxílicos: reacción del carbono α (HVZ). Ataque nucleofílico al carbonilo. Reemplazo del grupo –OH.-

Los ácidos carboxílicos son compuestos que contienen el grupo carboxilo. Estos compuestos se clasifican d acuerdo al sustituyente que tienen unido al grupo carboxilo. Un ácido alifático tiene un grupo alquilo unido al carboxilo. Un ácido aromático tiene un grupo arilo unido al carboxilo. El ácido fórmico tiene un hidrógeno unido al carboxilo. Los ácidos grasos son ácidos alifáticos de cadena larga, derivados de la hidrólisis de grasas y aceites.-

ESTRUCTURA Y ENLACE DEL GRUPO CARBOXILO

El grupo carboxilo es prácticamente plano cuyo carbono tiene hibridación sp2 con ángulos de enlace prácticamente trigonales (~120°). El enlace O―H también se encuentra en el plano eclipsado con el enlace C=O. El grupo carboxilato posee tres estructuras de resonancia.-

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PROPIEDADES FÍSICAS

Punto de ebullición: Los ácidos carboxílicos hierven a temperaturas considerablemente más altas que los alcoholes, cetonas o aldehídos de masas moleculares similares. Los puntos de ebullición altos de los ácidos carboxílicos resultan de la formación de un dímero estable enlazado por puente de hidrógeno. El dímero contiene un anillo de ocho miembros unido por dos enlaces por puente de hidrógeno, duplicando con eficacia la masa molecular de las moléculas

salientes de la fase líquida.-

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Punto de fusión: Los ácidos que contienen más de ocho átomos de carbono por lo general son sólidos, a menos que contengan enlaces dobles. La presencia de enlaces dobles (en especial enlaces dobles cis) en una cadena larga impide la formación de una red cristalina estable, dando como resultado un punto de fusión menor. Por ejemplo, el ácido esteárico (ácido octadecanoico) y el ácido linoleico (cis, cis-9-12-octadecanoico) tienen 18 átomos de carbono, pero el ácido esteárico funde a 70°C y el ácido linoleico funde a - 5°C.-

Los puntos de fusión de los ácidos dicarboxílicos son relativamente altos. Con dos grupos carboxilo por molécula, las fuerzas del enlace por puente de hidrógeno son muy intensas en los diácidos; se requiere una temperatura alta para romper la red de los enlaces por puente de hidrógeno en el cristal y fundir el diácido.-

Solubilidad: Los ácidos carboxílicos forman enlaces por puente de hidrógeno con el agua y los ácidos de masas moleculares más pequeñas (basta cuatro átomos de carbono) son miscibles en agua. A medida que la longitud de la cadena de hidrocarburos aumenta, la solubilidad en agua disminuye hasta los ácidos con más de 10 átomos de carbono que son casi insolubles en agua. Los ácidos carboxílicos son muy solubles en alcoholes debido a que forman enlaces por puente de hidrógeno con ellos. Además, los alcoholes no son tan polares como el agua, por lo que los ácidos de cadena más larga son más solubles en alcoholes que en agua.-

La mayoría de los ácidos carboxílicos son bastante solubles en disolventes relativamente no polares como el cloroformo, debido a que el ácido continua existiendo en su forma dimérica en el disolvente no polar. Por lo tanto, los enlaces por puente de hidrógeno del dímero cíclico no son interrumpidos cuando el ácido se disuelve en un disolvente no polar.-

ACIDEZ DE LOS ACIDOS CARBOXILICOS

Un ácido carboxílico puede disociarse en agua para formar un protón y un ion carboxilato. Los valores de pKa son de alrededor de 5 (Ka = 10 -5) para los ácidos carboxílicos sencillos. Por ejemplo, el ácido acético tiene un pKa de 4.7 (Ka = 1.8 X 10-5). Aunque los ácidos carboxílicos no son tan fuertes como la mayoría de los ácidos minerales, son todavía mucho más ácidos que otros grupos funcionales orgánicos.-

La disociación de un ácido o un alcohol involucra la ruptura del enlace O―H, pero la disociación de un ácido carboxílico produce un ion carboxilato con la carga negativa dispersa de manera equitativa sobre los dos átomos de oxígeno, comparada con sólo un oxígeno en un ion alcóxido. Esta deslocalización de la carga

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hace al ion carboxilato más estable que el ion alcóxido; por lo tanto, la disociación de un ácido carboxílico a un ion carboxilato es menos endotérmica que la disociación de un alcohol a un ion alcóxido.-

El ion carboxilato puede imaginarse como un hibrido de resonancia (como en la figura) o como un sistema conjugado de tres orbitales p conteniendo cuatro electrones. El átomo de carbono y los dos átomos de oxígeno tienen hibridación sp2 y cada uno tiene un orbital p no hibridado. El traslape de estos tres orbitales p forma un sistema de orbitales moleculares π de tres centros. Existe la mitad de un enlace π entre el carbono y cada átomo de oxígeno, y existe la mitad de una carga negativa en cada átomo de oxígeno.-

Efecto de los sustituyentes sobre la acidez: Cualquier sustituyente que estabilice el ion carboxilato con carga negativa estimula la disociación y da como resultado un ácido más fuerte. Los átomos electronegativos potencian la fuerza de un ácido retirando densidad electrónica del ion carboxilato. Este efecto inductivo puede ser bastante grande si uno o más de los grupos atractores de densidad electrónica más fuertes están presentes en el átomo de carbono α. La magnitud del efecto del sustituyente

depende de su distancia del grupo carboxilo. Los sustituyentes en el átomo de carbono a son más efectivos en el incremento de la fuerza del ácido. Los sustituyentes más distantes tienen efectos más

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pequeños sobre la acidez, mostrando que los efectos inductivos disminuyen rápidamente con la distancia.-

Los ácidos benzoicos sustituidos muestran tendencias similares en acidez, con grupos atractores de densidad electrónica potenciando la fuerza del ácido y grupos donadores de densidad electrónica disminuyéndola. Estos efectos son más fuertes para los sustituyentes en las posiciones orto y para. En los ejemplos que se muestran a continuación, observe que un sustituyente nitro (atractor de densidad electrónica) aumenta la fuerza del ácido, mientras que un sustituyente metoxi (donador de densidad electrónica) la disminuye. El grupo nitro tiene un efecto más grande en las posiciones orto y para que en la posición meta.-

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SALES DE LOS ACIDOS CARBOXILICOS

Una base fuerte puede desprotonar por completo a un ácido carboxílico. Los productos son un ion carboxilato, el catión restante de la base y agua. La combinación de un ion carboxilato y un catión es una sal de un ácido carboxílico.-

Por ejemplo, la neutralización del ácido acético con hidróxido de sodio genera el acetato de sodio:

Debido a que los ácidos minerales son más fuertes que los ácidos carboxílicos, la adición de un ácido mineral convierte una sal del ácido carboxílico de nuevo al ácido carboxílico original.-

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Los carboxilatos metálicos son iónicos y menos olorosas que los ácidos, y cuando el peso molecular no es muy alto, las sales de sodio y de potasio de los ácidos carboxílicos son solubles en agua. En consecuencia, los ácidos carboxílicos pueden extraerse de soluciones etéreas con hidróxido de sodio o de potasio acuoso. Por lo general funden a temperaturas altas y con frecuencia se descomponen antes de alcanzar sus puntos de fusión. Las sales carboxilato de los metales alcalinos (Li+, Na+, K+) y amonio (NH4

+) son solubles en agua pero relativamente insolubles en disolventes orgánicos no polares.-

SINTESIS

1. OXIDACIÓN DE ALCOHOLES PRIMARIOS

Un alcohol 1º se oxida a aldehídos y este posteriormente se oxida a un ácido carboxílico en presencia de ácido crómico H2CrO4, que se prepara en el momento por la reacción entre el dicromato de sodio Na2Cr2O7 y ácido sulfúrico H2SO4. También se suele usar como agente oxidante el permanganato de potasio KMnO7, pero da rendimientos bajos.-

2. RUPTURA OXIDATIVA DE ALQUENOS Y ALQUINOS

a) Ruptura oxidativa de alquenos: El permanganato de potasio diluido y frío reacciona con alquenos para producir glicoles. Las disoluciones de permanganato concentradas y calientes oxidan todavía más a los glicoles, rompiendo el enlace carbono-carbono central dando mezclas de cetonas y ácidos carboxílicos. A esta reacción también se le llama hidroxilación ya que se añaden dos grupos hidroxilos a cada lado del doble enlace.-

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b) Ruptura oxidativa de alquinos: La ozonólisis o una oxidación con permanganato vigorosa, rompe el enlace triple para formar ácidos carboxílicos. La ozonólisis también es una ruptura oxidativa ya que se rompe el triple enlace para formar enlaces C―O. Ambas reacciones generan los mismos productos.-

Ozonólisis (ruptura oxidativa con ozono): Se requiere la reacción de un alquino con ozono seguida de la hidrólisis.-

Ruptura oxidativa con permanganato: Cuando se trata un alquino con una solución básica y caliente de permanganato se produce una ruptura oxidativa, dando como productos dos sales de ácido carboxílico, que luego por agregado de agua o ácido diluido se obtienen los ácidos carboxílicos correspondientes. Los alquinos terminales se rompe para dar un ácido carboxílico y dióxido de carbono.-

Por ejemplo:

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3. OXIDACIÓN DE HIDROCARBUROS AROMÁTICOS

Las cadenas laterales de los alquilbencenos se oxidan a los derivados del ácido benzoico por el tratamiento con permanganato de potasio caliente o ácido crómico caliente. Debido a que esta oxidación requiere condiciones severas, sólo es útil para preparar derivados del ácido benzoico sin grupos funcionales oxidables. Los grupos funcionales pueden estar presentes ―Cl, ―NO2, ―SO3H, ―COOH.-

4. CARBOXILACIÓN DE REACTIVOS DE GRIGNARD (Síntesis de Grignard)

El dióxido de carbono se agrega a los reactivos de Grignard para formar carboxilatos de magnesio, y la posterior adición de ácidos diluidos protonan a los carboxilatos para dar el ácido carboxílico.-

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5. FORMACIÓN E HIDRÓLISIS DE NITRILOS (síntesis nitrílica)

Se puede convertir un halogenuro de alquilo, 1º o 2º no impedidos, en un nitrilo (con un átomo de carbono más que el halogenuro) por medio de un desplazamiento (SN2) del halógeno con cianuro. Posteriormente, el nitrilo sufre una hidrólisis ácida o básica para convertirse en una amida que luego esta también experimenta hidrólisis para dar un ácido carboxílico.-

Ecuación general total:

Mecanismo general:

1. Formación del nitrilo (SN2):

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2. Hidrólisis del nitrilo:

a) Hidrólisis básica del nitrilo para formar una amida que se hidrolizará (en medio básico) para dar el ácido carboxílico:

Reacción total:

Mecanismo:

b) Hidrólisis ácida de nitrilos para formar una amida que se hidrolizará (en medio ácido o básico) para dar el ácido carboxílico:

Reacción total:

Mecanismo:

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3. Hidrólisis de la amida para dar el ácido carboxílico:

a) Hidrólisis básica de amida:

Ecuación total:

Mecanismo general:

b) Hidrólisis ácida de amida:


Mecanismo general:

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REACCIONES DE LOS ÁCIDOS CARBOXÍLICOS

Tanto las cetonas, aldehídos y ácidos carboxílicos contienen el grupo carbonilo, aunque las reacciones de los ácidos son bastante diferentes de las de cetonas y aldehídos. Las cetonas y aldehídos reaccionan por medio de la adición nucleofílica al grupo carbonilo; sin embargo, los ácidos carboxílicos (y sus derivados) reaccionan por medio de sustitución nucleofílica sobre el grupo acilo (que se puede dar en medio ácido o básico dependiendo de la fuerza del nucleófilo), donde un nucleófilo reemplaza a otro en el átomo de carbono del grupo acilo (C=O). Esta diferencia en la reactividad de aldehído y cetonas con los ácidos carboxílicos se debe a que estos últimos tienen el grupo –OH que se puede convertir en un grupo saliente, así que después de la adición nucleofílica al carbono electrofílico se produce la eliminación. Es decir, esta sustitución nucleofílica en el acilo es la suma de dos mecanismo el de adición y eliminación . La sustitución nucleofílica en el acilo tiene la siguiente forma general donde “L” representa ―OH, ―X, ―OR, ―NH 2

(―NHR, ―NR2):

1. Sustitución nucleofílica en el acilo catalizada por base (adición-eliminación):

a) Paso I: Desprotonación del nucleófilo:

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b) Adición-Eliminación:

c) Regeneración del catalizador:

2. Sustitución nucleofílica en el acilo catalizada por ácido (adición-eliminación):

a) Protonación:

b) Adición-Eliminación:

c) Desprotonación, y regeneración del catalizador ácido:

1. SÍNTESIS DE CLURUROS DE ÁCIDO

Los ácidos carboxílicos reaccionan con cloruro de tionilo (SOCl2) para dar cloruros de ácido. El mecanismo es una sustitución nucleofílica en el acilo catalizada por ácido.-


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Mecanismo general:

I. Activación del carbono del acilo (se lo convierte en más electrofílico):

II. Adición:

III. Eliminación:

Por ejemplo:

2. SÍNTESIS DE ÉSTERES (condensación de ácidos con alcoholes: esterificación de Fischer)

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Los ácidos carboxílicos se convierten es ésteres mediante la esterificación de Fischer, esta es una sustitución nucleofílica en el acilo catalizada por ácido. El carbono del acilo de un ácido no es lo suficientemente electrofílico para ser atacado por un alcohol (nucleófilo débil), por lo tanto, el catalizador ácido protona al acilo y lo activa hacia el ataque nucleofílico. Luego la pérdida de un protón forma el hidrato de un éster, y después la pérdida de agua del hidrato genera el éster.-


Mecanismo general:

I. Protonación del oxígeno. Activación:

II. Ataque nucleofílico por el alcohol (adición):

III. Eliminación de agua:

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3. SÍNTESIS DE AMIDAS (condensación de ácidos con aminas o amoníaco: aminólisis)

Los ácidos carboxílicos reaccionan con amoníaco y aminas para formar amidas. La reacción inicial da una sal de carboxilato de amonio, pero calentando esta sal a temperaturas mayores de 100ºC se elimina el vapor de agua y se forma una amida.-


Mecanismo general:

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4. SÍNTESIS DE ANHIDRIDOS DE ÁCIDOS

Hay dos maneras de preparar anhídridos, una por reacción de dos moléculas de ácido carboxílico, y la otra por reacción entre un ácido carboxílico y un cloruro de ácido.-

A. A partir de cloruro de ácido:


Mecanismo general:

B. A partir de dos moléculas de ácido carboxílico:


Mecanismo general:

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Formación de anhídridos cíclicos: Se obtiene por calentamiento de un ácido dicarboxílico de cuatro o más átomos de carbono para que forme un anhídrido cíclico de 5 o más miembros.-

5. REDUCCIÓN DE ÁCIDOS CARBOXÍLICOS (alcoholes 1º)

El hidruro de litio y aluminio (LiAlH4) reduce a los ácidos carboxílicos a alcoholes 1º. El aldehído es un intermediario en esta reacción pero no se puede aislar porque se reduce con mayor facilidad que el ácido original.-


Mecanismo general:

I. El hidruro de litio y aluminio es una base fuerte y el primer paso es la Desprotonación del ácido. Se desprende hidrógeno gaseoso y se forma la sal de carboxilato de litio:

II. El hidruro de aluminio de agrega al carbono del acilo de la sal de litio:

III. La eliminación forma un aldehído, el cual se reduce rápidamente a un alcóxido de litio:

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IV. La adición de agua en el segundo paso protona al alcóxido y forma el alcohol primario:

6. ALQUILACIÓN DE ÁCIDOS CARBOXÍLICOS (síntesis de cetonas)

Los ácidos carboxílicos reaccionan con dos moléculas de un reactivo organolitio.-


Descripción simplificada de la reacción: El primer equivalente del reactivo de organolitio tan sólo desprotona el ácido. El segundo equivalente se adiciona al grupo carbonilo para formar un dianión estable. La hidrólisis del dianión (por adición de agua) produce el hidrato de una cetona. Debido a que la cetona se forma en un paso de hidrólisis separada (en vez de en la presencia del reactivo de organolitio), no se observa sobrealquilación.-

7. SÍNTESIS DE IMIDAS:

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Las amidas en que están unidos dos grupos carbonilo con el mismo nitrógeno se llaman imidas, se forman a partir de un ácido dicarboxílico o de un anhídrido en presencia de una amina o amoniaco. Tienen la siguiente forma general. Mecanismo propuesto por mí.-


Mecanismo general:

I. Primera adicción de la amina: formación de la amida.-

II. Segunda adición de la amina: formación de la imida.-

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Por ejemplo:

8. REACCIÓN DE HELL-VOLHARD-ZELINSKY (HVZ) (bromación de ácidos):

Esta reacción consiste en el reemplazo de un átomo de hidrógeno del carbono α por un halógeno. El ácido carboxílico se trata con Br2 en presencia de PBr3 y a continuación se agrega agua para hidrolizar el intermediario bromuro de α-bromo acilo. Si se desea obtener un derivado del α-bromoácido, el bromuro de α-bromoacilo actúa como un intermediario activado (similar a un cloruro de ácido) y puede sufrir reacciones SN para la síntesis de un éster, una amida u otro derivado. Si es necesario el mismo α-bromoácido, se hidroliza con agua para completar la síntesis.-


Mecanismo de la reacción HVZ: El primer paso es la formación del bromuro de acilo que se enoliza fácilmente en medio ácido. Este enol es moderadamente nucleofílico y ataca a la molécula de bromo para dar el bromuro de 2-bromoalcanoílo (bromuro de α-bromoacilo).-

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