Mg. Helda C. Del Castillo C. Química Biológica 2007
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. Acidos carboxílicos y sus derivados. Sales, haluros de ácido, ésteres. Anhídridos de ácido. Propiedades físicas, obtención. Reacciones funcionales. Importancia y aplicaciones
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Acidos carboxílicos 1.- Introducción Los ácidos carboxílicos son compuestos muy comunes en la naturaleza. Aparte del agua, el ácido acético (etanoico) es el principal componente del vinagre
Las hormigas (del latín formica) producen una gran cantidad de ácido fórmico (metanoico), que les sirve como sustancia urticante de defensa
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Ácidos carboxílicos en productos naturales
ACIDO MÁLICO (Varias frutas)
Biotina Fijación de CO2
ACIDO PIRÚVICO (Un metabolito intermedfiario)
NIACINA (Una vitamina)
ACIDO ABIÉTICO (Resina de pino)
ACIDO CÍTRICO (Frutas cítricas)
ACIDO CÓLICO (Sal biliar)) 4
Los ácidos orgánicos (RCOOH ) :
El grupo funcional de un ácido carboxílico es el grupo carboxilo, llamado así porque está formado por un grupo carbonilo y un grupo hidroxilo.
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A continuación se incluye una estructura de Lewis para el grupo carboxilo y también tres representaciones del mismo:
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2.- Propiedades físicas:
Casi todas las propiedades de los ácidos orgánicos son el resultado de la estructura del grupo carboxilo. Un grupo carboxilo tiene un doble enlace con el oxígeno y un grupo -OH unido a un átomo de carbono. Estos grupos y el grupo R se distribuyen simétricamente en un plano alrededor del átomo de carbono central. 7
Puesto que el átomo de oxígeno es más electronegativo que el átomo de carbono, cada enlace carbono-oxígeno en el grupo carboxilo es polar. Cada átomo de oxígeno tiene una carga parcialmente negativa, y el átomo de carbono tiene una carga parcialmente positiva. 8
2.- Propiedades físicas: 1.-Altamente polares, por la presencia del grupo carboxilo. 2.-Punto de ebullición influído por la formación de puentes de hidrógeno inter e intramoleculares.
3.-Totalmente solubles en agua hasta C4. Disminución radical, en función del tamaño de la cadena unida al grupo –COOH.
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Los puentes de hidrógeno en los ácidos carboxílicos:
La capacidad de formación de los puentes de H delos compuestos carboxílicos tiene gran importancia en los medios biológicos.
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Propiedades fisicas Puente de hidrógeno intermolecular.
δH δ+O R C O H
O δ+ C R O δ-
En el estado sólido y líquido existen como dímeros. Pf mucho mayor que el de los alcoholes correspondientes. 11
PUENTE DE HIDROGENO (S)
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Fórmula
IUPAC Nombre
Masa Molecular
Punto Ebullición
Solubilidad en agua
CH3(CH2)2CO2H
Ácido butanoico
88
164 ºC
muy soluble
CH3(CH2)4OH
1-pentanol
88
138 ºC
poco soluble
CH3(CH2)3CHO
pentanal
86
103 ºC
poco soluble
CH3CO2C2H5
Etanoato de etilo
88
77 ºC
moderadamente soluble
CH3CH2CO2CH3
Propanoato de metilo
88
80 ºC
poco soluble
CH3(CH2)2CONH2
Butanamida
87
216 ºC
soluble
CH3CON(CH3)2
N,N-dimetilletanamida
87
165 ºC
muy soluble
CH3(CH2)4NH2
1-aminobutano
87
103 ºC
muy soluble
CH3(CH2)3CN
pentanonitrilo
83
140 ºC
poco soluble
CH3(CH2)4CH3
hexano
86
69 ºC
insoluble 13
Formula
Nombre común
Fuente
IUPAC Nombre
Punto fusión
Punto ebullición
HCO2H
Ácido fórmico
Hormiga (L. formica)
Ácido metanoico
8.4 ºC
101 ºC
CH3CO2H
Ácido acetico
vinagre (L. acetum)
Ácido etanoico
16.6 ºC
118 ºC
CH3CH2CO2H
Ácido propionico
leche (Gk. protus prion)
Ácido propanoico
-20.8 ºC
141 ºC
CH3(CH2)2CO2H
Ácido butírico
mantequilla (L. butyrum)
Ácido butanoico
-5.5 ºC
164 ºC
CH3(CH2)3CO2H
Ácido valérico
Valeriana raiz
Ácido pentanoico
-34.5 ºC
186 ºC
CH3(CH2)4CO2H
Ácido caproico
cabras (L. caper)
Ácido hexanoico
-4.0 ºC
205 ºC
CH3(CH2)5CO2H
Ácido enántico
vid (Gk. oenanthe)
Ácido heptanoico
-7.5 ºC
223 ºC
CH3(CH2)6CO2H
Ácido caprílico
cabras (L. caper)
Ácido octanoico
16.3 ºC
239 ºC
CH3(CH2)7CO2H
Ácido pelargónico
pelargonium (hierba)
Ácido nonanoico
12.0 ºC
253 ºC
CH3(CH2)8CO2H
Ácido cáprico
cabras (L. caper)
Ácido decanoico
31.0 ºC
219 ºC
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Saturados Fórmula
ÁCIDOS GRASOS
Nombre Común
Punto Fusión
CH3(CH2)10CO2H
Ácido láurico
45 ºC
CH3(CH2)12CO2H
Ácido mirístico
55 ºC
CH3(CH2)14CO2H
Ácido palmítico
63 ºC
CH3(CH2)16CO2H
Ácido esteárico
69 ºC
CH3(CH2)18CO2H
Ácido araquídico
76 ºC
Insaturados Nombre Común
Fórmula
Punto Fusión
CH3(CH2)5CH=CH(CH2)7CO2H
Ácido palmitoleico
0 ºC
CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7CO2H
Ácido oleico
13 ºC
CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7CO2H
Ácido linoleico
-5 ºC
CH3CH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH(CH2)7C O2H
Ácido linolénico
-11 ºC
CH3(CH2)4(CH=CHCH2)4(CH2)2CO2H
Ácido araquidónico
-49 ºC
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3.- Acidez de los ácidos carboxílicos Los ácidos carboxílicos son un millón de veces más ácidos que los fenoles, 1011 veces más que el agua, 1014 veces más que los alcoholes, etc. ¿Por qué?.
Compuesto
pKa
RCH3
45
R-NH2
35 25
R-CH2CO-R’
20
R-OH
18
H2O
15
ArOH
10
R-CO2H
4
pKa = -log Ka
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La ionización del ácido está influenciada por dos factores: - La fuerza del enlace que se rompe - La estabilidad del ión que se forma
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La acidez de los ácidos orgánicos se explica en términos de la estabilidad del anión que se produce después de que ocurre la ionización. Cuando el ácido carboxílico dona un ion hidrógeno, produce un anión estabilizado por resonancia; este se denomina anión carboxilato:
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La fortaleza de un ácido está relacionada con la estabilidad de su base conjugada
Resonancia entre dos formas idénticas Alojamiento de la carga negativa en un átomo electronegativo como el oxígeno Deslocalización electrónica por medio de un sistema π que se extiende entre los dos oxígenos y el carbono 19
Aclarando…..
La resonancia se produce cuando se deslocalizan los electrones de una molécula. Si una molécula presenta resonancia, el enlace real dentro de dicha molécula se representa mejor por el promedio de todas las estructuras de resonancia. Todos los enlaces son intermedios entre simples y dobles. A mayor número de formas resonantes mayor estabilidad. Para el anión carboxilato, la mejor representación es la siguiente:
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Efecto del sustituyente O G < C O
Ka
O G > C O CH3CO2H ClCH2CO2H Cl2CHCO2H Cl3CCO2H 1.76x10-5 136x10-5 5530x10-5 23200x10-5
Ka
HCO2H 17.7x10-5
CH3CO2H 1.76x10-5
CH3CH2CH2CO2H 1.52x10-5
Los grupos que retiran electrones, AUMENTAN LA ACIDEZ. Los grupos que ceden electrones DISMINUYEN LA ACIDEZ. 21
Efecto inductivo:
“Desplazamiento parcial del par electrónico en enlace sencillo “σ” hacia el átomo más electronegativo provocando fracciones de carga”. –I : Grupos que retiran electrones. Ejemplos: –NO2, – COOH, – X (halógeno), –OH... +I : Grupos que aportan electrones. Ejemplos: –CH3, –CH2–CH3, –C(CH3), –COO–, –O–...
Se transmite a lo largo de la cadena a enlaces adyacentes, aunque cada vez más débilmente. 22
Variación en la acidez de los ácidos carboxílicos La cadena carbonada disminuye la acidez de los ácidos carboxílicos debido al efecto dador de electrones de los grupos alquilo
pKa HCOOH
3.75
CH3COOH
4.76
CH3CH2COOH
CH3CH2CH2CO OH
4.87 4.82
El ión acetato es menos estable que el formiato, en consecuencia, el ácido acético es más débil que el fórmico
pKa CH3COOH
CH2ClCOOH CHCl2COOH CCl3COOH
4.76 2.86 1.29 0.65
La presencia de átomos electronegativos en la cadena carbonada aumenta la acidez del ácido por deslocalización de la carga negativa del ión carboxilato
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pKa
CH2FCOOH
CH2ClCOOH
CH2BrCOOH CH2ICOOH
2.66 2.86 2.90 3.17
pKa
CH3CH2CH2COOH
CH3CH2CHClCOOH CH3CHClCH2COOH
CH2ClCH2CH2COOH
Cuanto más electronegativo es el halógeno más fuerte es el ácido
4.82 2.84
El efecto del halógeno es muy significativo si se une al carbono adyacente al grupo carboxílico. Su efecto en carbonos más lejanos es muy poco significativo
4.06 4.52
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Ejercicio : Justifica basándote en el efecto inductivo la mayor acidez de los derivados clorados del ácido acético.
El ácido tricloro-acetico será el más ácido pues los tres átomos de cloro producen un efecto “–I” (tiran de la nube electrónica) y provocan una alta “δ+” en el átomo de carbono del grupo carboxilo (COOH). El O del OH debe suministrarle parte de sus electrones y se rompe con mayor Efecto Inductivo en el facilidad el enlace más polarizaácido tricloroacético do (OH). Después vendrá el ácido dicloro-acético y el menos ácido será el ácido cloro acético. 25
4.- Preparación de ácidos carboxílicos 4.1.-Oxidacion de alcoholes primarios o de aldehídos :
RCH2OH
KMnO4
(CH3)2CHCH2OH
KMnO4
RCO2H
(CH3)2CHCO2H
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4.2.-Oxidacion de arenos
Ar-R
KMnO4 o K2Cr2O7
ArCO2H
CO2H
CH2CH2CH2CH3 Q KMnO4
+ CO2
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Oxidacion de arenos CH3
CO2 H Q KMnO4
CH3
p-xileno
CO2 H
Acido terftalico
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4.3.- Carboxilación de compuestos organometálicos Un método muy directo de preparar un ácido carboxílico, añadiendo un átomo de carbono más a la molécula, es hacer reaccionar un compuesto organometálico con dióxido de carbono. •Reactivos de Grignard
•Reactivos organolíticos
El carbono unido al metal, muy rico en electrones debido a la baja electronegatividad de éste último, ataca al carbono del dióxido, muy pobre en electrones al estar unido a dos oxígenos más electronegativos que él. 29
Carboxilacion de reactivos de Grignard H 3C Mg H3C C Cl H 3C
H 3C H3C C MgCl H 3C
i) CO2 ii) H+
H 3C H3C C CO2H H 3C
Acido 2,2-dimetilpropanoico
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Ejemplos de síntesis de ácidos carboxílicos a traves de organometálicos
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4.4.- Hidrólisis de derivados de ácido •Cloruros de ácido
•Anhídridos
•Ésteres
•Amidas 32
5.- Reactividad de ácidos carboxílicos •5.1.-Reducción a aldehídos
El hidruro de diisobutilaluminio, menos reactivo que el hidruro de litio y aluminio, reduce el grupo carboxilo parcialmente y la reducción se detiene en el aldehído.
5.2.- Reducción a alcoholes
reactivos
LiALH4 / éter BH3 / THF
Para reducir un grupo carboxilato a alcohol se necesitan reductores más enérgicos. Hay que tener precaución si la molécula posee otros grupos funcionales ya que algunos de ellos pueden reducirse. THF = Tetrahidrofurano 33
5.3.- Sustitución del grupo hidroxilo Ejemplos de sustitución del grupo hidroxilo Formación de haluros de ácido
Formación de amidas
Formación de anhidridos
Formación de ésteres 34
Derivados de ácidos carboxílicos 1.-Esteres 2.-Halogenuros de acilo. 3.-Anhidridos
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1.-ESTERES
Los ésteres (RCOOR´) están compuestos de dos partes, el componente del ácido precursor y el componente del alcohol precursor. Los ésteres tienen puntos de ebullición inferiores a los de los ácidos correspondientes puesto que no pueden donar enlaces de hidrógeno. Pueden aceptar enlaces de hidrógeno de los solventes polares; por lo tanto, los de baja masa molecular son solubles en agua y en otros solventes polares. Los ésteres tienen olores frutales agradables y se utilizan como aromatizantes. Si la reacción de hidrólisis de un éster se lleva a cabo en una solución básica, se denomina reacción de saponificación, es decir, una reacción de formación de jabón. Los ésteres se encuentran en el mundo natural. Muchos aditivos de alimentos son ésteres, incluyendo los aromatizantes y los preservativos. Los ésteres del ácido salicílico se utilizan en medicina. El ácido acetil salicílico o aspirina es droga analgésica más utilizada en el mundo. 37
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Reacción general:
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Ejemplo: CH3–CH2–COOH + CH3OH
CH3–CH2–COO–CH3 + H2O
propanoato de metilo
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Halogenuros de acilo
Los halogenuros de acilo, que también se llaman halogenuros de ácido, se nombran de acuerdo con el sistema UIPAC y también en el sistema común, substituyendo la palabra ácido por la palabra halogenuro, según el halógeno correspondiente, y cambiando la terminación ico del ácido por ilo. La posición de los substituyentes se indica en igual forma que en el caso de los ácido; en el sistema de la IUPAC se emplean números y en el sistema común, letras
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2.-Halogenuros de acilo
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4.1. Síntesis de cloruros de ácido
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Anhidridos de ácido
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Anhidridos
Los anhídridos se forman a partir de dos moles de un ácido carboxílico por eliminación de una molécula de agua. Los anhídridos cíclicos se forman a partir de ciertos ácidos dicarboxílicos a través del cierre interno del anillo y la pérdida de agua. NOMENCLATURA. Los anhídridos forman su nombre al tomar ya sea el nombre común o el del sistema UIQPA del ácido o diácido y al cambiar la denominación ácido a anhídrido. Casi siempre se emplea el nombre común. ESTRUCTURA. (Ar- ) R - C - O - C - R (-Ar) ó (Ar) R COOCOR (Ar) 50
anhidridos de ácido
Es necesario una base no nucleófila como la piridina Ejemplo:
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Nomenclatura de Acidos Carboxílicos. Atomos involucrados
Suffijo Prefijo
Acido -oico carboxi
Posición en la cadena
Solo al final de la cadena
Nombre de la familia
Acidos carboxílicos 52
Notas: Se nombran cambiando la terminación o de los alcanos por la terminacion oico En este caso el nombre de la IUPAC para este tipo de compuestos contiene dos palabras el prefijo ácido y el sufijo -oico. El grupo carbonilo siempre se va a encontrar al final de la cadena por lo que el número localizados no es necesario..
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Estructura
Nombre de la IUPAC y nombre común Acido metanoico (Acido fórmico ) Acido etanoico (Acido acético ) Acido octanoico Acido(cis)-2-hexenoico
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Acido 6-metilheptanoico
Acido 3-cloropentanoico
Acido hexanodioico
Acido 6-hidroxi-4oxononanoico 55
Acidos carboxílicos saturados
Fórmula
IUPAC
Nombre común
.
H-COOH CH3-COOH CH3-(CH2)2-COOH CH3-(CH2)3-COOH CH3-(CH2)4-COOH CH3-(CH2)6-COOH CH3-(CH2)8-COOH CH3-(CH2)10-COOH CH3-(CH2)12-COOH CH3-(CH2)14-COOH CH3-(CH2)16-COOH CH3-(CH2)18-COOH
ácido metanoico ácido etanoico ácido butanoico ácido pentanoico ácido hexanoico ácido octanoico ácido decanoico ácido dodecanoico ácido tetradecanoico ácido hexadecanoico ácido octadecanoico ácido eicosanoico
ácido fórmico ácido acético ácido butírico ácido valérico ácido caproico cido caprílico ácido cáprico ácido láurico ácido mirístico ácido palmítico ácido esteárico ácido araquídico
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Acidos dicarboxílicos Fórmula
HOOC-COOH HOOC-CH2-COOH HOOC-(CH2)2-COOH HOOC-(CH2)3-COOH HOOC-(CH2)4-COOH HOOC-(CH2)5-COOH HOOC-(CH2)6-COOH HOOC-(CH2)7-COOH HOOC-(CH2)8-COOH
N. común oxálico malónico succínico glutárico adípico pimélico subérico azelaico sebásico
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Nomenclatura δ γ β α C C C C O H
O
CH3CH2CHCO2H NH2
Acido α-aminobutirico
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Nomenclatura CH3CHCO2H αOH hidroxipropionico o
acido lactico H 3C CHCH2CH2CO2H H 3C
Acido isocaproico
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Acidos aromaticos Br
CO2H Acido p-bromobenzoico
CH3 CO2H Acido m-toluico
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Nomenclatura de ésteres
Atomos Involucrados
Suffijos
-oato
Prefijos
-
Posición en la cadena
Solo al final
Fórmula General
CnH2nO2
Nombre de la familia
ester 67
Se cambia la terminación o de los alcanos por la teminación -oato de los ésteres.. El caso de los ésteres consiste en dos cadenas separadas por un oxígeno. Cada una de estas cadenas debe de nombrarse por separado y el nombre de los ésteres siempre consiste en dos palabras separadas del tipo alcanoato de alquilo.
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Estructura
Nombre de la IUPAC
Metanoato de metilo
Metanoato de etilo
Etanoato de metilo
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hexanoato de etilo
etanoato de ciclohexilo
3-metilpentanoato de 2butilo
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Nomenclatua de halogenuros de acilo
Grupo Funcional R-(C=O)X(X=Cl, Br)
Nomenclatura haluro de .......-oilo
EJEMPLO:
Cloruro de butanoilo 72
Nomenclatura de anhidridos.
R-(C=O)O(C=O)R‘ Grupo funcional
anhídrido ......-oico
EJEMPLO: Anhídrido butanoico 73
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