1 Ácidos Carboxílicos Unidad 2 Temas 2.1 a 2.4 Química Orgánica II Facultad de CC.QQ. Y Farmacia USAC Segundo Semestre 2016

2 Ácidos carboxílicos en la naturaleza Licda. D. Pinagel

3 Introducción Los ácidos carboxílicos tienen un grupo C=O con un –OH unido al mismo carbono Generalmente el grupo se escribe como –COOH o –CO 2 H El carbono del grupo –COOH se conoce comúnmente con el nombre de carbono carboxilo Licda. D. Pinagel

4 Estructura del grupo -COOH El carbono tiene hibridación sp 2 Los ángulos de enlace son + 120° El oxígeno hidroxilo está eclipsado con el carbono, para lograr así traslape del orbital π con un par de los electrones no apareados del oxígeno. Licda. D. Pinagel

5 Estructuras de resonancia del grupo carboxilo Uno de los pares de electrones no compartidos del átomo de oxígeno del grupo hidroxilo está deslocalizado en el sistema electrofílico pi del grupo carbonilo Licda. D. Pinagel

6 Clasificación De acuerdo al grupo carbonado unido al carbono carboxilo: Ácidos alifáticos: CH 3 COOH Ácidos alifáticos α, β -insaturados: CH 3 CH 2 CH=CHCOOH Ácidos aromáticos: Licda. D. Pinagel

7 Clasificación De acuerdo al número de grupos carboxilo (–COOH) presentes en la estructura Monocarboxílicos CH 3 CH 2 CH 2 COOH Dicarboxílicos HOOC-COOH Tricarboxílicos, etc Licda. D. Pinagel

8 Clasificación Ácidos grasos, que derivan de aceites y grasas naturales y que se subdividen en saturados e insaturados. Estos ácidos por lo general tienen número PAR de átomos de carbono. Los más abundantes son ácidos no ramificados y sin otras funciones químicas, de 12 a 22 átomos de carbono Licda. D. Pinagel

9 Ácidos Grasos Saturados FórmulaNombre ComúnNombre IUPAC CH 3 (CH 2 ) 10 CO 2 HÁcido láuricoÁcido dodecanoico CH 3 (CH 2 ) 12 CO 2 HÁcido mirístico Ácido tetradecanoico CH 3 (CH 2 ) 14 CO 2 HÁcido palmítico Ácido hexadecanoico CH 3 (CH 2 ) 16 CO 2 HÁcido esteárico Ácido octadecanoico CH 3 (CH 2 ) 18 CO 2 HÁcido araquídicoÁcido icosanoico Licda. D. Pinagel

10 Ácidos grasos insaturados Fórmula (todos son cis) Nombre Común Nombre IUPAC CH 3 (CH 2 ) 5 CH=CH(CH 2 ) 7 CO 2 H Ácido palmitoleico Ácido cis- hexadeca-9- enoico CH 3 (CH 2 ) 7 CH=CH(CH 2 ) 7 CO 2 HÁcido oleico Ácido cis- octadeca-9- enoico CH 3 (CH 2 ) 4 CH=CHCH 2 CH=CH(CH 2 ) 7 CO 2 H Ácido linoleico Ácido cis,cis- octadeca-9,12- dienoico CH 3 CH 2 CH=CHCH 2 CH=CHCH 2 CH=CH(CH 2 ) 7 CO 2 H Ácido linolénico Ácido octadeca- 9,12,15-trienoico CH 3 (CH 2 ) 4 (CH=CHCH 2 ) 4 (CH 2 ) 2 CO 2 H Ácido araquidónico Ácido icosa- 5,8,11,14- tetraenoico Licda. D. Pinagel

11 Nomenclatura IUPAC: se nombran como ácidos alcanoicos: se antepone la palabra ácido y el nombre se construye usando la raíz que indica el número de átomos de carbono de la cadena más larga que incluya al grupo carboxilo y añadiendo el sufijo –oico. CH 3 (CH 2 ) 6 COOH ácido octanoico CH 3 COOH ácido etanoico Licda. D. Pinagel

12 Nomenclatura El carbono carboxilo tiene la posición número 1. Si hay sustituyentes, se enumeran en orden alfabético: Ácido 2,4-bis(1-metiletil)-3-metil-4-pentenoico Ácido 2,4-isopropil-3-metilpenta-4-enoico Ácido 2-(2-formilciclopentil)etanoico Licda. D. Pinagel

13 Nomenclatura Los ácidos cíclicos se nombran como ácidos cicloalcanocarboxílicos: En el caso de ácidos aromáticos, también se sigue este sistema: Ácido 2-isopropilciclopentanocarboxílico Ácido 1-naftalenocarboxílico Licda. D. Pinagel

14 Nomenclatura Los ácidos dicarboxílicos se nombran anteponiendo el prefijo di a la terminación –oico: HOOC-CH 2 -CH 2 -CH 2 -COOH ácido pentanodioico Ácido 3-bromohexanodioico Los ácidos tri o policarboxílicos se nombran con el mismo sistema de nomenclatura que se usa para los ácidos cíclicos, ya que no es posible que mas de 2 grupos carboxilo formen parte de la cadena principal: Ácido 1,2,3-propanotricarboxílico Recordar que al usar este sistema el sufijo carboxílico incluye al carbono del COOH, por lo que éste no se toma en cuenta al numerar la cadena principal. Licda. D. Pinagel

15 Nomenclatura común Los nombres deben aprenderse de memoria, ya que la mayoría tienen origen histórico. La posición de los sustituyentes se indica con letras griegas en vez de números: En el caso de los ácidos grasos, al último carbono se le designa con la letra ω (omega), sin importar el tamaño de la cadena. Licda. D. Pinagel

16 FormulaNombre comúnFuenteNombre IUPAC HCO 2 HÁcido fórmicoHormiga (L. formica)Ácido metanoico CH 3 CO 2 HÁcido aceticovinagre (L. acetum)Ácido etanoico CH 3 CH 2 CO 2 H Ácido propionico leche (Gk. protus prion) Ácido propanoico CH 3 (CH 2 ) 2 CO 2 HÁcido butírico mantequilla (L. butyrum) Ácido butanoico CH 3 (CH 2 ) 3 CO 2 HÁcido valéricoValeriana raíz Ácido pentanoico CH 3 (CH 2 ) 4 CO 2 HÁcido caproicocabras (L. caper)Ácido hexanoico CH 3 (CH 2 ) 5 CO 2 HÁcido enánticovid (Gk. oenanthe) Ácido heptanoico CH 3 (CH 2 ) 6 CO 2 HÁcido caprílicocabras (L. caper)Ácido octanoico CH 3 (CH 2 ) 7 CO 2 H Ácido pelargónico pelargonium (hierba) Ácido nonanoico CH 3 (CH 2 ) 8 CO 2 HÁcido cápricocabras (L. caper)Ácido decanoico Licda. D. Pinagel

17 EstructuraNombre comúnNombre IUPAC HOOC-COOHÁcido oxálicoÁcido etanodioico HOOC-CH 2 -COOHÁcido malónicoÁcido propanodioico HOOC-(CH 2 ) 2 COOHÁcido succínicoÁcido butanodioico HOOC-(CH 2 ) 3 COOHÁcido glutáricoÁcido pentanodioico HOOC-(CH 2 ) 4 COOHÁcido adípicoÁcido hexanodioico HOOC-(CH 2 ) 5 COOHÁcido pimélicoÁcido heptanodioico HOOC-(CH 2 ) 6 COOHÁcido subéricoÁcido octanodioico HOOC-(CH 2 ) 7 COOHÁcido azelaicoÁcido nonanodioico HOOC-(CH 2 ) 8 COOHÁcido sebásicoÁcido decanodioico Nomenclatura de ácidos dicarboxílicos Licda. D. Pinagel

18 Ejemplos Ácido  -clorobutíricoÁcido  -fenilcaproico Ácido β-bromoadípico H 2 N-CH 2 CH 2 CH 2 COOH Ácido γ -aminobutírico Licda. D. Pinagel

19 Ácidos grasos insaturados ω -3 y ω -6 La nomenclatura en este caso hace referencia a la posición de las insaturaciones contadas a partir del último carbono de la cadena (carbono ω ): CH 3 (CH 2 ) 4 CH=CHCH 2 CH=CH(CH 2 ) 7 CO 2 H Ácido linoleico, un ácido ω-6 CH 3 CH 2 CH=CHCH 2 CH=CHCH 2 CH=CH(CH 2 ) 7 CO 2 H Ácido linolénico, un ácido ω-3 y ω-6 Licda. D. Pinagel

20 Ácidos aromáticos Se nombran como derivados del ácido benzoico Ácido orto-hidroxibenzoico Ácido salicílico Ácido 2-hidroxibencenocarboxílico Ácido 2-hidroxibenzoico Licda. D. Pinagel

21 Propiedades físicas Poseen puntos de ebullición más elevados que los alcoholes de estructura similar, debido a que pueden formar dímeros por formación de puentes de hidrógeno Licda. D. Pinagel

22 Puntos de ebullición de las series homólogas de alcanos, aldehídos, 1- alcoholes y ácidos carboxílicos, de C1 a C10 Licda. D. Pinagel

23 Propiedades físicas Los ácidos alifáticos monocarboxílicos saturados son líquidos hasta C 8 Los ácidos alifáticos insaturados tienen menor punto de fusión que los saturados. Los ácidos con insaturaciones cis tienen menor punto de fusión que los trans Licda. D. Pinagel

24 Puntos de fusión de algunos ácidos carboxílicos Ácido esteárico72 °C saturado Ácido oleico16 °C una insaturación cis Ácido linoleico -5 °C dos insaturaciones cis Ácido linolénico -11 °C tres insaturaciones cis Licda. D. Pinagel

25 Puntos de fusión de algunos ácidos carboxílicos FórmulaNombre IUPAC Punto fusión ºC Punto ebullición ºC HCO 2 HÁcido metanoico8.4101 CH 3 CO 2 HÁcido etanoico16.6118 CH 3 CH 2 CO 2 HÁcido propanoico-20.8141 CH 3 (CH 2 ) 2 CO 2 HÁcido butanoico-5.5164 CH 3 (CH 2 ) 3 CO 2 HÁcido pentanoico-34.5186 CH 3 (CH 2 ) 4 CO 2 HÁcido hexanoico-4.0205 CH 3 (CH 2 ) 5 CO 2 HÁcido heptanoico-7.5223 CH 3 (CH 2 ) 6 CO 2 HÁcido octanoico16.3239 CH 3 (CH 2 ) 7 CO 2 HÁcido nonanoico12.0253 CH 3 (CH 2 ) 8 CO 2 HÁcido decanoico31.0219 Licda. D. Pinagel

26 Propiedades físicas Los ácidos alifáticos dicarboxílicos son sólidos a temperatura ambiente Los ácidos aromáticos son sólidos a temperatura ambiente Licda. D. Pinagel

27 Solubilidad en agua Al aumentar el largo de la cadena carbonada, disminuye la solubilidad. Los ácidos monocarboxílicos alifáticos son miscibles con agua hasta C4. Los ácidos dicarboxílicos alifáticos saturados hasta C5 son solubles en agua. Los ácidos aromáticos son insolubles en agua. Licda. D. Pinagel

28 Preparación

29 Obtención de ácidos carboxílicos por reacciones de oxidación Los ácidos y derivados poseen el carbono del grupo carboxílico en un estado de oxidación formal +3, el más alto que puede tener un carbono en un grupo funcional orgánico. Por tanto, un ácido carboxílico podrá obtenerse a partir de la oxidación de casi cualquier otro grupo funcional, siempre que exista el reactivo adecuado. Licda. D. Pinagel

30 Oxidación de grupos alquilo Oxidación de la cadena lateral en alquilbencenos (arenos) No importa el tamaño del grupo alquilo, pero el átomo de carbono unido al anillo aromático DEBE poseer por lo menos un –H unido a él (hidrógeno bencílico) Licda. D. Pinagel

31 Ruptura oxidativa de alquenos La ozonólisis seguida de condiciones oxidativas, produce ácidos carboxílicos Licda. D. Pinagel

32 Ruptura oxidativa de alquenos Los alquenos pueden romperse con KMnO 4 acuoso y caliente, en medio acido y producir ácidos carboxílicos El alqueno debe poseer por lo menos un hidrógeno vinílico, ya que de no ser así, se obtendrán cetonas. Licda. D. Pinagel

33 Oxidación de alcoholes Oxidación de alcoholes primarios con permanganato de potasio caliente en medio ácido o dicromato de potasio en medio ácido Licda. D. Pinagel

34 Oxidación de cetonas Las cetonas son más resistentes a las condiciones de oxidación, pero las metilcetonas pueden sufrir una ruptura oxidativa (reacción del haloformo), cuyo mecanismo se verá más adelante Licda. D. Pinagel

35 Oxidación de aldehídos Los aldehídos se oxidan muy fácilmente a ácidos carboxílicos, por lo que es posible emplear oxidantes suaves, como Ag 2 O o Ag(NH 3 ) + (reactivo de Tollens) CH 3 (CH 2 ) 3 CHO + Ag(NH 3 ) +  CH 3 (CH 2 ) 3 COO - NH 4 + + Ag 0 Recuerde que también se oxidarán con oxidantes más fuertes como permanganato de potasio y ácido crómico. Licda. D. Pinagel

36 Carboxilación de compuestos organometálicos Los reactivos de Grignard reaccionarán con CO 2 para dar ácidos carboxílicos Los reactivos organolitio reaccionan de manera similar Licda. D. Pinagel

37 Ejemplos: con reactivos de Grignard Mecanismo: Licda. D. Pinagel

38 Ejemplos: con reactivos organolitio Licda. D. Pinagel

39 Hidrólisis de nitrilos Los nitrilos se hidrolizan en medio ácido o básico para dar ácidos carboxílicos. Así la introducción de un grupo nitrilo, a partir de cianuro por S N 2 sobre un compuesto con un buen grupo saliente, es otro método para obtener un ácido carboxílico. La reacción de aldehidos con NaCN/HCN para formar halohidrinas puede ser una reacción previa a la obtención de un RCO 2 H Licda. D. Pinagel

40 Hidrólisis de nitrilos Recuerda que las reacciones de sustitución nucleófila para introducir el grupo CN se dan en condiciones S N 2. Otra posibilidad interesante es la formación de una cianhidrina, por adición de cianuro a un aldehído. La hidrólisis del nitrilo permite obtener α-hidroxiácidos en este caso. Licda. D. Pinagel

41 Hidrólisis de nitrilos La hidrólisis puede darse en medio ácido o en medio básico. Licda. D. Pinagel

42 Reactividad de los ácidos carboxílicos El carbono carboxilo es deficiente en densidad electrónica, será reactivo frente a nucleófilos Los átomos de oxígeno son centros de elevada densidad electrónica, será reactivo frente a electrófilos. La acidez del –O-H enmascara por completo la acidez del hidrógeno alfa al carboxilo, no sufrirán reacciones en este sitio. Licda. D. Pinagel

43 Reacciones de ácidos carboxílicos Licda. D. Pinagel

44 Acidez de los ácidos carboxílicos Los ácidos carboxílicos son 10 5 veces más ácidos que los fenoles, 10 11 veces más ácidos que el agua y 10 14 veces más ácidos que los alcoholes. CompuestopK a RCH 3 45 R-NH 2 35 RC=CH 25 R-CH 2 CO-R’20 R-OH18 H2OH2O15 ArOH10 R-CO 2 H4 Licda. D. Pinagel

45 Acidez de los ácidos carboxílicos: resonancia La fuerza ácida está relacionada con la estabilidad de la base conjugada. El anión carboxilato es estable porque puede deslocalizar la carga negativa sobre dos átomos electronegativos Licda. D. Pinagel

46 Acidez de ácidos carboxílicos Al comparar la acidez de alcoholes y ácidos carboxílicos, vemos que los ácidos son mejores donadores de protones porque el anión resultante está estabilizado por resonancia, lo que disminuye la energía de la reacción. Licda. D. Pinagel

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48 Acidez de los ácidos carboxílicos: efecto inductivo La acidez de un ácido carboxílico está modulada por la estructura del grupo R. Un grupo R dador de electrones, desestabilizará el anión carboxilato y hará que la fuerza del ácido correspondiente sea menor. Un grupo R atractor de electrones, deslocaliza más la carga y estabiliza al ion carboxilato, incrementando la acidez. Licda. D. Pinagel

49 Acidez de los ácidos carboxílicos: efecto inductivo Recordar que los efectos inductivos son de corta distancia, así que si el grupo atractor de electrones está más allá de la posición γ, su efecto no se hará sentir en la acidez. Licda. D. Pinagel

50 Acidez de los ácidos carboxílicos: efecto inductivo El número e identidad de los grupos electronegativos y la posición de éstos determinará su efecto sobre la acidez del ácido carboxílico R-CO 2 HpK a CH 3 4.74 ClCH 2 2.86 Cl 2 CH1.26 Cl 3 C0.64 F3CF3C0.23 R-CO 2 HpK a CH 3 CH 2 CH 2 4.90 CH 3 CH 2 CHCl2.84 CH 3 CHClCH 2 4.06 ClCH 2 CH 2 CH 2 4.52 Licda. D. Pinagel

51 Acidez de los ácidos carboxílicos: efecto inductivo En el caso de los ácidos aromáticos, el efecto de los grupos sustituyentes es importante. FUERZA ÁCIDA + pKa 4.46 4.19 3.47 3.41 2.16 Licda. D. Pinagel

52 Efecto de los grupos sobre la acidez en ácidos benzoicos sustituidos Licda. D. Pinagel

53 Sales de los ácidos carboxílicos Se forman por reacción con una base como el NaOH o el NaHCO 3 La reacción es reversible y el ácido se regenera por tratamiento con un ácido mineral diluido. Licda. D. Pinagel

54 Nomenclatura de las sales de ácidos carboxílicos (alcanoato de Metal) El nombre del ácido se modifica de la siguiente manera: Se omite la palabra ácido Se cambia la terminación –oico por -ato Se indica el nombre del catión, precedido de la palabra de Ácido acéticoAcetato de sodio Licda. D. Pinagel

55 Nomenclatura de sales de ácidos carboxílicos β-clorovalerato de potasiocomún 3-cloropentanoato de potasioIUPAC Benzoato de amonio Bencenocarboxilato de amonio (CH 3 COO) 2 Mg Acetato de magnesio Etanoato de magnesio Licda. D. Pinagel

56 Propiedades de las sales de ácidos carboxílicos Las sales de Li +, Na +, K + y NH 4 + son solubles en agua. Son sólidos incoloros (blancos) de alto punto de fusión. Los jabones son sales, generalmente de sodio o potasio, de ácidos grasos. Licda. D. Pinagel

57 Separación de mezclas Licda. D. Pinagel

58 Mezcla insoluble en agua disuelta en éter etílico: ácido benzoico, 2-metilfenol y 1-octanol 2-metilfenol y 1-octanol 2-metilfenóxido De sodio 2-metilfenol descartar 1-octanol Benzoato de sodio descartarÁcido benzoico éter f.acuosa NaHCO 3 5% NaOH 5% éterf.ac. HCl 5% éter f.acuosa éter HCl 5% Licda. D. Pinagel

59 Equivalente de neutralización Se define como el peso equivalente del ácido determinado por titulación con una base normalizada. Procedimiento: disolver una cantidad conocida de ácido, en agua o en EtOH acuoso, y se determina el volumen de base necesaria para neutralizar la solución. Licda. D. Pinagel

60 Equivalente de neutralización Ejemplo: 0.1924 g de un ácido desconocido (p.f. 106-107 °C) consumen 13.6 mL de NaOH 0.1040 N para su neutralización (se usó fenolftaleína como indicador). ¿Cuál es el equivalente de neutralización del ácido? Licda. D. Pinagel

61 Equivalente de neutralización E.N.= (0.1924 g)(1000 meq/eq) (13.6 mL) (0.1040 meq/mL) E.N.= 136 g/eq Equivalente= peso molecular del ácido No. H + Licda. D. Pinagel

62 Equivalente de neutralización Si el ácido es monocarboxílico, entonces el peso equivalente es igual al peso molecular, porque solo tiene un protón ácido. 136 – 45 (COOH) = 91 91 ÷ 12 (C) = 77*12=84 91 – 84 = 7 (número de H) Fórmula molecular propuesta: C 7 H 7 COOH IDH= 5 Licda. D. Pinagel

63 Equivalente de neutralización Estructuras propuestas 106 °C112 °C 180 °C Licda. D. Pinagel

64 Equivalente de neutralización Un ácido orgánico sólido tiene un equivalente de neutralización, determinado experimentalmente, de 45 + 2. ¿Cuál es la identidad del ácido? Licda. D. Pinagel

65 Equivalente de neutralización (45 + 2) – 45 (COOH) = + 2 Estructura propuesta H-COOH Pero el ácido fórmico...¡es líquido! Si fuera un ácido dicarboxílico 45 * 2 (COOH)= 90 90- (45 *2) = + 2 Estructura propuesta HOOC-COOH Licda. D. Pinagel

66 Equivalente de neutralización Un ácido desconocido puede ser el ácido o-nitrobenzoico (pf 147 C) o el ácido antranílico (pf 146 C). Una muestra de 0.201g neutralizó 12.4 mL de NaOH 0.0980 N. ¿cuál es la identidad del ácido? Licda. D. Pinagel

67 Reacciones de ácidos carboxílicos Licda. D. Pinagel

68 Reducción de ácidos carboxílicos Un ácido carboxílico podrá reducirse y dar lugar a otro grupo funcional con el carbono en un estado de oxidación menor, siempre que exista el reactivo adecuado Licda. D. Pinagel

69 R-COOH  R-CH 2 OH Reducción con hidruros Licda. D. Pinagel

70 R-COOH  R-CH 2 OH La reacción de ácidos carboxílicos con LiAlH 4 es muy exotérmica y puede dar lugar a incendios o explosiones. El LiAlH 4 es un reductor poco selectivo y otros grupos pueden reducirse también: Licda. D. Pinagel

71 R-COOH  R-CH 2 OH El borano, BH 3 /THF reduce los ácidos carboxílicos. Otros grupos que son reducidos por el borano: Licda. D. Pinagel

72 R-COOH  R-CH 2 OH Los ácidos carboxílicos NO se reducen mediante hidrogenación catalítica: R-CH=CHCH 2 COOH + H 2 /Ni  R-CH 2 -CH 2 CH 2 COOH Licda. D. Pinagel

73 R-COOH  R-CHO Es una reacción difícil, pero puede usarse un hidruro selectivo como el hidruro de diisobutilaluminio De preferencia, se sugiere transformar el ácido en un derivado y luego hacer la reducción a aldehído. Licda. D. Pinagel

74 Descarboxilación 1,3-diácidos y β -cetoácidos se descarboxilan fácilmente al aplicarles calor Licda. D. Pinagel

75 SEA en ácidos carboxílicos aromáticos El grupo –COOH es desactivador del anillo y orientador meta frente a las reacciones de sustitución electrofílica aromática. Como se vio en QOI, esto es debido a la carga parcial postiva que tiene el carbono del grupo carboxilo. Licda. D. Pinagel

76 Transformación de ácidos carboxílicos en sus derivados Todas las reacciones se basan en la reacción del carbono carboxilo con un reactivo nucleofílico, formación de un intermediario tetraédrico y eliminación de un buen grupo saliente. Licda. D. Pinagel

77 Mecanismo de la sustitución acil nucleofílica Se trabaja siempre en medio ácido para evitar la interferencia de la acidez del – OH y aumentar la electrofilia del carbono carboxilo Licda. D. Pinagel

78 Mecanismo de la sustitución acil nucleofílica Se produce entonces la adición del nucleófilo y la formación de un intermediario tetraédrico Licda. D. Pinagel

79 Mecanismo de la sustitución acil nucleofílica La molécula de agua, al ser buen grupo saliente, se elimina y se forma de nuevo el enlace C=O Licda. D. Pinagel

80 Mecanismo de la sustitución acil nucleofílica El resultado final de la reacción es la sustitución del grupo –OH del carboxilo por un nucleófilo. La reacción se lleva a cabo mediante un proceso de adición-eliminación. Licda. D. Pinagel

81 Reacciones de sustitución acil-nucleofílica en ácidos carboxílicos Licda. D. Pinagel

82 Referencias: Carey, F. (2006) Química Orgánica. 6ª. Edición. McGraw Hill. Wade,L.G. (2012) Química Orgánica. 7ª. Edición. Pearson. McMurry, John. (2008) Química Orgánica. 7ª Edición. Cengage Learning. Licda. D. Pinagel