Ácidos carboxílicos
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UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Generalidades del curso Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 CAMPO DE Disciplinar básica FORMACION TIPO DE CURSO Metodológico CRÉDITOS 2 OBJETIVO GENERAL DEL CURSO: Estudiar de forma profunda la estructura, las propiedades tanto físicas como químicas, los métodos de obtención, los mecanismos de reacción y los principales compuestos de los ácidos carboxílicos, sus derivados y biomoléculas. OBJETIVOS ESPECÍFICOS DEL CURSO: Reconocer la estructura y propiedades físicas y químicas de ácidos carboxílicos, sus derivados y biomoléculas. Conocer diferentes métodos de obtención de estos compuestos tanto a nivel industrial como en el laboratorio. Estudiar a profundidad las reacciones químicas y los mecanismos de transformación de ácidos los carboxílicos y sus derivados. Identificar los principales ácidos carboxílicos y sus derivados que tienen aplicación industrial y comercial. COMPETENCIA GENERAL DE APRENDIZAJE: El estudiante analiza los conceptos e ideas relacionados con la estructura, las propiedades, la obtención y las reacciones de los ácidos carboxílicos sus derivados y biomoléculas. 1 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA INDICE DE CONTENIDO Generalidades de curso 1 Unidad 1: Ácidos Carboxílicos y sus derivados 7 Capítulo 1: Ácidos carboxílicos, Estructura del ion carboxilato y efecto de los sustituyentes sobre la acidez, Derivados funcionales de los ácidos carboxílicos 7 Ácidos carboxílicos 7 Lección 1: Ácidos Carboxílicos 1.1 Estructura 1.2 Nomenclatura 1.3 Propiedades físicas 1.4 Fuentes Industriales Lección 2: Preparación, Reacciones, Sales 1.5 Preparación 1.6 Reacciones 1.6.1 Sales Lección 3: Ionización, Constante de acidez 1.7.1 Ionización de los ácidos carboxílicos 1.7.2 Constante de acidez 1.7.3 Acidez de los ácidos carboxílicos Estructura del ion carboxilato y efecto de los sustituyentes sobre la acidez Lección 4: El ion Carboxilato 1.8 Conversión a cloruros de ácido 1.9 Conversión a ésteres 1.10 Conversión a amidas Lección 5: Reducción y Halogenación de ácidos 1.11 Reducción de ácidos a alcoholes 1.12 Halogenación de ácidos alifáticos 7 8 10 12 12 13 13 16 17 18 22 22 23 24 25 25 2 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Derivados funcionales de los ácidos carboxílicos 26 1.13 Estructura 1.14 Nomenclatura 1.15 Propiedades físicas Lección 6: Cloruros de ácidos y reacciones 1.16 Cloruros de ácido 1.16.1 Preparación, Reacciones, Conversión de cloruros de Ácido en otros derivados Lección 7: Anhídridos, amidas, ésteres 1.17 Anhídridos de ácido: Reacciones 1.18 Amidas: Preparación, Reacciones 1.19 Ésteres: Preparación, Reacciones, Hidrólisis alcalina de los Ésteres Lección 8: Grasas 1.20 Grasas 1.20.1 Composición 1.20.2 Hidrólisis, Saponificación 1.21 Jabones 1.22 Detergentes 1.23 Grasas Insaturadas 26 27 28 29 29 32 35 37 41 41 43 44 45 46 Ejercicios (Unidad 1- Capítulo 1) 48 Capítulo Dos: Ácidos Sulfónicos, Aminas 50 Ácidos Sulfónicos 50 Lección 9: Ácidos sulfónicos 2.1 Estructura, Propiedades y uso 2.2 Nomenclatura 2.3 Preparación Lección 10: Sulfonación y Desulfonación 2.4 Sulfonación y Desulfonación 2.5 Sulfonamidas 50 50 51 52 54 3 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Lección 11: Ésteres, tosilatos y metilatos 2.6 Ésteres de los ácidos sulfónicos 2.7 Formación de tosilatos y metilatos Aminas Lección 12: Aminas 2.8 Estructura, Clasificación, Nomenclatura 2.9 Propiedades físicas 2.10 Sales 2.11 Estereoquímica del nitrógeno 2.12 Fuentes industriales, Preparación Lección 13: Reacciones y basicidad 2.13 Reacciones 2.14 Basicidad de las aminas, Efecto de los sustituyentes sobre la basicidad 55 55 57 57 59 59 60 60 64 68 Lección 14: Sales de amonio 2.15 Sales de amonio cuaternarias 69 Ejercicios (Unidad 1- Capítulo 2) 71 Capítulo 3: Sales de diazonio, Ácidos dicarboxílicos, Otros derivados 73 Sales de diazonio 73 Lección 15: Sales de diazonio 3.1 Propiedades, Preparación 3.2 Reacciones Ácidos dicarboxílicos 73 75 77 Lección 16: Ácidos dicarboxílicos 3.3 Estructura, Propiedades físicas 3.4 Nomenclatura 3.5 Fuentes, Preparación, Reacciones 77 80 81 4 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Otros derivados 86 Lección 17: Otros derivados 3.6 Úrea y barbituratos 3.7 Fosgeno, Cianamida, Isocianatos Lección 18: Cetoácidos 3.8 Cetoácidos 3.8.1 Estructura y propiedades 3.8.2 Preparación Lección 19: Hidroácidos 3.9 Hidroxiácidos 3.10 Preparación Ejercicios (Unidad 1- Capítulo 3) Ejercicios y Problemas Unidad Uno Unidad 2: Carbohidratos, Aminoácidos y Compuestos Heterocíclicos Capítulo 1: Carbohidratos Lección 20: Carbohidratos 1.1 Clasificación, Propiedades Lección 21: Reacciones 1.2 Reacciones como aldohexosas 1.2.1 Alargamiento y acortamiento de las cadenas Lección 22: Disasacáridos y polisacáridos 1.3 Disacáridos y polisacáridos Lección 23: Almidones 1.3.1 Almidones, Amilosa, Amilopectina 1.3.2 Celulosa, Reacciones de la celulosa Ejercicios (Unidad 2- Capítulo 1) 86 90 93 93 94 96 97 98 99 101 101 101 109 112 119 123 126 129 5 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Capítulo 2: Aminoácidos Lección 24: Aminoácidos 2.1 Estructura 2.2 Iones dipolares Lección 25: Punto isoeléctrico 2.3 Punto isoeléctrico 2.4 Preparación Lección 26: Reacciones 2.5 Reacciones 2.6 Péptidos Lección 27: Grupos terminales 2.6.1 Análisis de grupos terminales 2.6.2 Síntesis de péptidos Lección 28: Proteínas 2.7 Proteínas 2.7.1 Clasificación y funciones 2.7.2 Estructura 2.7.3 Desnaturalización Ejercicios (Unidad 2- Capítulo 2) 130 130 134 135 136 139 139 141 143 150 151 152 156 157 Capítulo 3: Compuestos heterocíclicos Lección 29: Heterocíclos 3.1 Clasificación y nomenclatura Lección 30: Aromaticidad 3.2 Aromaticidad, estructura y propiedades 3.3 Heterociclos aromáticos, reactividad Ejercicios (Unidad 2- Capítulo 3) Respuestas a ejercicios (Unidad 2- Capítulo 1) Respuestas a ejercicios (Unidad 2- Capítulo 2) Respuestas a ejercicios (Unidad 2- Capítulo 3) 172 174 180 182 184 186 Bibliografía Webgrafía 189 190 158 158 6 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA UNIDAD UNO Ácidos carboxílicos y sus derivados Capítulo 1: Ácidos carboxílicos. Lección 1. Ácidos carboxílicos 1.1 Estructura. Los ácidos más importantes en química orgánica son miembros de una familia de compuestos denominados ácidos carboxílicos. Los ácidos carboxílicos fueron unos de los primeros compuestos estudiados por los antiguos químicos, ya que se encuentran presentes, o pueden obtenerse de muchos productos naturales. El grupo funcional característico de estos compuestos es el grupo carboxilo -COOH, el cual puede estar unido a un grupo alquilo (R-COOH) en ácidos alifáticos o a un anillo (Ar-COOH) en ácidos tienen lugar las reacciones químicas. Sin embargo, la mayoría de grupos funcionales presentes en las moléculas orgánicas contienen carbonos unidos a distintos heteroátomos lo que permite que una amplia variedad de reacciones químicas puedan tener lugar sobre el carbono o sobre los heteroátomos de los grupos funcionales. Esto mismo ocurre con los ácidos carboxílicos llamados así por poseer en su estructura dos grupos funcionales, un grupo carbonilo y un grupo funcional hidroxilo, estos dos grupos funcionales forman el grupo funcional carboxilo: –COOH. En estos compuestos cuya estructura general es RCOOH, se llevan a cabo diferentes reacciones químicas sobre el carbono o sobre los heteroátomos del grupo aromáticos. Los nombres vulgares o comunes de estos ácidos tienen su origen en las antiguas fuentes de dichos compuestos (ver tabla 1.) Se sabe que los enlaces dobles y triples de los hidrocarburos insaturados como los alquenos y alquinos son a menudo las posiciones sobre las que reaccionan un grupo funcional. Estas reacciones ocurren porque el oxígeno hidroxílico se conjuga con el grupo carbonilo, el mecanismo puede representarse de la siguiente forma: 7 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA 1.2. Nomenclatura. Un gran número de ácidos carboxílicos son mejor conocidos por los nombres comunes que por sus nombres sistemáticos. En la tabla 1, se presentan algunos ácidos importantes y se relacionan sus nombres comunes y sistemáticos. En el sistema de nomenclatura IUPAC, el nombre sistemático de los ácidos carboxílicos se deriva del nombre de la cadena carbonada continua más larga que incluye al grupo carboxilo reemplazando la –o final del correspondiente alcano por –oico y haciéndolo preceder por la palabra ácido, por ejemplo los ácidos metanoico (1 carbono), etanoico (2 carbonos) y octadecanoico (18 carbonos): H-COOH H3C - COOH ácido metanoico ácido etanoico Tabla 1. Fórmula estructural 1 H-COOH 2 H3C - COOH 3 ácido octadecanoico Nombre sistemático Nombre común ácido metanoico ácido fórmico ácido etanoico ácido acético ácido octadecanoico ácido esteárico 4 ácido láctico ácido 2-hidroxipropanoico 5 ácido mandélico ácido 2-fenil-2-hidroxietanoico 6 ácido 2-propenoico ácido acrílico ácido (Z)- 9-octadecenoico ácido oleico ácido bencenocarboxílico ácido benzoico 7 8 8 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Fórmula estructural Nombre sistemático Nombre común ácido o-hidroxibencenocarboxílico ácido salicílico ácido propanodioico ácido malónico ácido butanodioico ácido succínico 9 10 11 12 ácido bencenodicarboxílico 1,2- ácido ftálico La localización de un sustituyente se identifica por un número, empezando la numeración de la cadena de carbono por el grupo carboxilo, ejemplos: ácido 2-hidroxipropanoico ácido 2-fenil-2-hidroxietanoico Los dobles enlaces en la cadena principal se señalan con la terminación –enoico y su posición se designa por un prefijo numeral, ejemplo los ácidos 2-propenoico y (Z)-9octadecenoico: ácido 2-propenoico ácido (Z)- 9-octadecenoico la estereoquímica del doble enlace se especifica utilizando la notación cis-trans o E-Z. Cuando el grupo funcional se haya unido a una estructura cíclica, el sufijo adecuado es -carboxílico. El término -carboxi- se emplea cuando el grupo funcional se nombra como sustituyente: 9 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA ácido bencenocarboxílico ácido o-hidroxibencenocarboxílico En el caso de compuestos con dos grupos carboxílicos se utiliza el sufijo –dioico o dicarboxílico, precedidos de la palabra ácido, ejemplo los ácidos propanodioico, butanodioico y 1,2-bencenodicarboxílico: ácido propanodioico àcido butanodioico ácido 1,2-bencenodicarboxílico 1.3. Propiedades físicas. Los ácidos carboxílicos son líquidos o sólidos con punto de ebullición considerablemente mayores que los de los hidrocarburos y compuestos orgánicos que contienen oxígeno de peso molecular comparable. CH2 H3C CH3 H3C O OH CH3 2-Metil-1-buteno 2-Butanona 31°C 80°C H3C O CH3 H3C 2-Butanol 99°C OH Ácido propanoico 141°C Los compuestos de peso molecular bajo son solubles en agua, los primeros miembros de la serie son líquidos incoloros con olor picante y desagradable. Los de peso molecular alto son por lo general inodoros, debido en gran parte a su escasa volatilidad. Los ácidos monocarbónicos de la serie de los benzoles presentan propiedades cristalinas con temperaturas de fusión por encima de los 100 °C. Los derivados de estos compuestos que presentan en la posición para (p-) un grupo metil, hidroxilo, amina o un halógeno, poseen temperaturas de fusión mayores a los 200 °C. ( Química Orgánica, Stanley H. Pine, cuarta edición en español). 10 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Los ácidos carboxílicos son polares, forman dímeros a través de puentes de hidrógeno cuya formación explica la solubilidad en agua de los ácidos de menor peso molecular tal como se muestra en la siguiente gráfica: R H O O C O H O R La tabla 2. muestra las propiedades físicas de algunos ácidos carboxílicos comunes. Tabla 2.( Química Orgánica, Stanley H. Pine, cuarta edición en español) Nombre Fórmula p.f., °C p.e.,°C HCO2H 8 101 Solubilidad g/100 ml H2O ∞ 1 Metanoico (Fórmico) 2 Etanoico (Acético) CH3CO2H 17 118 ∞ 3 4 5 Propanoico (Propiónico) Butanoico (Butírico) 2-Metilpropanoico (Isobutírico) CH3CHCO2H CH3(CH2)2CO2H (CH3)2CH CO2H -21 -4 -46 141 164 153 ∞ ∞ ∞ CH3(CH2)3 CO2H -34 186 3,7 CH3(CH2)4 CO2H -2 205 1,0 CH3(CH2)6 CO2H 17 239 0,1 CH3(CH2)8 CO2H 32 270 0,02 HO2CCO2H HO2CCH2 CO2H 190 136 HO2CCH2 CO2H 188 6 Pentanoico (Valeriánico) 7 Hexanoico (Caproico) 8 Octanoico (Caprílico) 9 10 11 12 13 Decanoico (Cáprico) Etanodioico (Oxálico) Propanodioico (Malónico) Butanodioico (Succínico) Pentanodioico (Glutárico) HO2C(CH2)3 CO2H CH2 99 140 desc. 235 desc. 303 desc. 10 136 6,8 64 11 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Nombre Fórmula 13 Hexanodioico (Adípico) 14 2-Hidroxietanoico (Glicólico) 2-Hidroxipropanoico (Láctico) Bencenocarboxílico (Benzoico) 15 16 1.4. p.f., °C p.e.,°C Solubilidad g/100 ml H2O 1,4 HO2C(CH2)4 CO2H HOCH2 CO2H 153 265 80 ∞ CH3CHOH CO2H 17 ∞ C6H5 CO2H 122 249 0,21 Fuentes industriales. De fuentes naturales se aislaron muchos ácidos carboxílicos y de allí se derivan los nombres comunes. El ácido fórmico (del latín formica, “hormiga”) se obtuvo destilando hormigas; en el vino que se agría se encuentra el ácido acético, en la mantequilla rancia el ácido butírico y el ácido láctico en la leche agria. La preparación a gran escala de los ácidos carboxílicos se basa en la síntesis química. El ácido acético industrial proviene de la reacción del metanol con el monóxido de carbono. El principal uso final del ácido acético es la producción de acetato de vinilo para pinturas y adhesivos. El 1,4-bencenodicarboxílico, es el ácido carboxílico que se produce en mayor cantidad, en Estados Unidos se producen alrededor de 5 x 109 lb/año como materia de partida para la preparación de fibras de poliéster. Lección 2. Preparación, Reacciones, Sales 1.5. Preparación. Se describen cuatro formas para preparar ácidos orgánicos: 1) oxidación de alcoholes primarios o de aldehídos, 2) oxidación de cadenas de alquilo laterales sobre anillos aromáticos, 3) reacción de Grignard con dióxido de carbono y 4) hidrólisis de cianuros de alquilo (nitrilos). 12 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA 1.6. Reacciones. 1.6.1. Sales. En presencia de bases fuertes, como el hidróxido de sodio, los ácidos carboxílicos se neutralizan rápida y cuantitativamente. Un ejemplo de esto es el del ácido acético que al reaccionar con una solución acuosa de hidróxido de sodio, produce la sal acetato de sodio. Este compuesto es polar, contiene iones de sodio y de acetato muy similar por sus propiedades al cloruro de sodio Na+Cl-. acetato de sodio Estas sales son estables en agua y tan solo se disocian en sus iones, por la tanto sus propiedades se diferencian totalmente de las del metilato de sodio, ya que este último compuesto (obtenido al reaccionar el sodio con el alcohol metílico) metilato de sodio se descompone en agua en alcohol metílico e hidróxido de sodio: CH3ONa + H2O CH3OH + NaOH Oxidación de alcoholes primarios. Estos compuestos reemplazan enlaces C – H por enlaces C – O. 13 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA R O R H C C OH R O C OH H H alcohol aldehído ácido (un enlace C-O) (dos enlace C-O) (tres enlace C-O) Los agentes oxidantes utilizados con mayor frecuencia son el permanganato de potasio (KMnO4), ácido crómico (CrO3), ácido nítrico (HNO3) y, solamente para aldehídos, el óxido de plata (Ag2O). H OH O CrO3 H+, acetona (reactivo de Jones) CHO Ag2O COOH Una cadena lateral alquílica primaria o secundaria en un anillo aromático se convierte en un grupo carboxílico por reacción con un agente oxidante fuerte como el permanganato de potasio. CH3 KMnO4 COOH calor ácido benzoico Las cadenas más largas también se oxidan hasta el grupo carboxilo. 14 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA CH3 COOH KMnO4 calor El ácido tereftálico, que es una de las dos materias primas necesarias para la fabricación del Dacrón, se produce por oxidación de las cadenas laterales, mediante un catalizador de cobalto y oxidación con aire. CH3 H3C COOH O2, Co (III) HOOC CH3COOH ácido tereftálico p-xileno Reacción de reactivos de Grignard con dióxido de carbono. Los reactivos de Grignard se adicionan al dióxido de carbono para dar sales de magnesio de los ácidos carboxílicos. La acidificación convierte las sales de magnesio a los ácidos carboxílicos deseados. O O Mg X + O R C O HX C R C R OMgX OH + Mg2+X2- Esta reacción produce un buen rendimiento, el ácido que se obtiene tiene un átomo de carbono más que el halogenuro de alquilo o de arilo del cual se prepara el reactivo de Grignard, de modo que la reacción proporciona una forma de aumentar la longitud de una cadena carbonada. Hidrólisis de cianuros (nitrilos). El triple enlace carbono-nitrógeno de los cianuros orgánicos puede hidrolizarse hasta un ácido carboxílico. La reacción requiere, ya sea de un medio ácido o de un medio básico. En medio ácido, el átomo de nitrógeno del cianuro se convierte en ion amonio. O HCl R C N un cianuro o nitrilo amonio + 2 H2O C R OH un ácido + NH4+ + Cl- ion amonio 15 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA En medio básico, el nitrógeno se convierte en amoníaco y el producto orgánico es la sal carboxilato, que se puede neutralizar, en otro paso, para formar el ácido. O NaOH R C + N C 2 H2O - O Na R + + NH3 una sal carboxilato amoníaco H+ O C R OH Los cianuros de alquilo se obtienen generalmente a partir del halogenuro de alquilo correspondiente y cianuro de sodio. Por ejemplo, NaCN CN Br H3C H3C COOH H2O H+ ácido butírico butironitrilo bromuro de propilo + NH4 + H3C Lección 3. Ionización, Constante de acidez 1.7.1. Ionización de los ácidos carboxílicos. Los ácidos carboxílicos se disocian en agua, para producir un anión carboxilato y un ion oxonio. O + C R OH H .. O .. O H R + + C H O - ion carboxilato H O .. H ion oxonio 16 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA 1.7.2. Constantes de acidez. Recordamos los conceptos fundamentales de acidez y basicidad. Los ácidos y las bases se pueden definir de tres formas. De acuerdo con la definición de BronstedLowry, un ácido es un donador de protones y una base un aceptor de protones. Por ejemplo, la reacción de disolución del cloruro de hidrógeno en agua, el agua acepta un protón del cloruro de hidrógeno. H .. ..O base H + H .. ..Cl: H H ácido + .. O + H ácido .. :..Cl: - base conjugado conjugada del agua del cloruro de hidrógeno En este caso, el agua actúa como una base, al aceptar un protón, y el cloruro de hidrógeno actúa como un ácido, pues dona un protón. La fuerza de un ácido se mide cuantitativamente por medio de su constante de acidez o constante de ionización, Ka, que generalmente se calcula en relación con soluciones diluidas del ácido en agua. Para un ácido orgánico se tiene la siguiente ecuación de disolución en agua: RCOOH + RCOO- H2O + H3O+ y su constante de acidez Ka se representa con la expresión: RCOO- H3O+ Ka = RCOOH La constante de disociación ácida, Ka, también conocida como constante de acidez o constante de ionización ácida es una medida cuantitativa de la fuerza de un ácido en 17 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA solución: a mayor valor, más fuerte es el ácido, y más disociado estará el ácido a una concentración dada en su base conjugada y en el ión hidronio. El término constante de disociación ácida también es usada en la forma de pKa, que es igual a -log10 Ka. 1.7.3. Acidez de los ácidos carboxílicos. En la tabla 2, se listan las constantes de acidez de algunos ácidos carboxílicos y de otros ácidos. Al comparar los datos de esta tabla se debe recordar que cuanto mayor es el valor de Ka, el ácido es más fuerte. Nombre Fórmico Acético Propanoico Butanoico cloroacético dicloroacético tricloroacético 2-clorobutanoico 3-clorobutanoico Ácido benzoico o-clorobenzoico m-clorobenzoico p-clorobenzoico p-nitrobenzoico fenol etanol agua Fórmula HCOOH CH3COOH CH3CH2COOH CH3CH2CH2COOH ClCH2COOH Cl2CHCOOH Cl3CCOOH CH3CH2CHClCOOH CH3CHClCH2COOH C6H5COOH o-Cl- C6H4COOH m-Cl- C6H4COOH p-Cl- C6H4COOH p-NO2- C6H4COOH C6H5OH CH3CH2OH HOH Ka 2.1 x 10 -4 1.8 x 10 -5 1.4 x 10 -5 1.6 x 10 -5 1.5 x 10 -3 5.0 x 10 -2 2.0 x 10 -1 1.4 x 10 -3 8.9 x 10 -5 6.6 x 10 -5 12.5 x 10 -4 1.6 x 10 -4 1.0 x 10 -4 4.0 x 10 -4 1.0 x 10 -10 1.0 x 10 -16 1.8 x 10 -16 pKa 3.68 4.74 4.85 4.80 2.82 1.30 0.70 2.85 4.05 4.18 2.90 3.80 4.00 3.40 10.00 16.00 15.74 Para entender la mayor acidez de los ácidos carboxílicos comparada con el agua y los alcoholes, comparemos los cambios estructurales que acompañan a la ionización de un alcohol (etanol) y un ácido carboxílico (ácido acético). Los equilibrios que definen los Ka son: Ionización del etanol: H+ CH3CH2OH Etanol H+ + CH3CH2OIon etóxido Ka = CH3CH2O= 1.0 x 10-16 CH3CH2OH 18 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Ionización del ácido acético: H+ CH3COOH Ácido acético H+ + CH3COO- Ka = CH3COO= 1.8 x 10-5 CH3COOH Ion acetato De estos valores podemos ver que la constante de acidez del ácido acético es mucho mayor que la del etanol por lo que podemos concluir que la fuerza del ácido acético en solución es mayor que la de de este alcohol. La extensión real de la disociación tanto del etanol como la del ácido acético, puede ser calculada, usando el valor de pKa, si se conocen las concentraciones analíticas y los pH de éstos. Estructura del ión carboxilato y efecto de los sustituyentes sobre la acidez. El grupo carbonilo atrae electrones y los atrae del oxígeno cargado negativamente; el ion acetato se estabiliza. Este es un efecto inductivo, consecuencia de la polarización de la distribución electrónica en el enlace σ entre el carbono carbonílico y el oxígeno cargado negativamente − ..Oδ : H3C δ+ C :O. ..: - El carbono polarizado positivamente atrae los electrones del oxígeno cargado negativamente. La deslocalización electrónica, expresada por la resonancia entre las siguientes estructuras de Lewis, origina que la carga negativa del acetato sea compartida igualmente por ambos oxígenos. 19 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA ..O : H3C .. O.: .. C H3C O.-1/2 o H3C C - :O. ..: C. O.-1/2 :O.: La deslocalización electrónica en el ion acetato, así como en el ion carboxilato en general, está fundamentada por estudios que muestran la diferencia significativa entre las longitudes de los enlaces en los ácidos carboxílicos y en sus aniones carboxilato. 125 pm 121 pm O.-1/2 O H3C H3C C OH 136 pm C. NH4+ O.-1/2 125 pm Las dos longitudes de los enlaces carbono-oxígeno en el ácido acético son distintas una de otra. La longitud del doble enlace C=O es más corta que la longitud del enlace sencillo C-O. En el acetato de amónico, las dos longitudes de enlace C-O son iguales, como debían ser de acuerdo con la resonancia y la representación de orbitales moleculares de los aniones carboxilato. Los grupos alquilo tienen un efecto pequeño sobre la acidez de los ácidos carboxílicos. Las constantes de ionización de todos los ácidos que tienen la fórmula general CnH2n+1CO2H son muy similares unas a otras e iguales aproximadamente a 10-5 (pKa 5). La tabla 3 muestra algunos de los ejemplos representativos. Los sustituyentes electronegativos, particularmente cuando están unidos al carbono α, aumentan la acidez del ácido carboxílico. Como muestran los datos de la tabla 3, todos los ácidos monohaloacéticos son alrededor de 100 veces más ácidos que el ácido acético. La sustitución múltiple de halógeno aumenta la acidez todavía más, el ácido tricloroacético es 7000 veces más ácido que el ácido acético. 20 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA El aumento de la fuerza de los ácidos como consecuencia de los átomos o grupos electronegativos se ha atribuido a un efecto inductivo del sustituyente transmitido a través de los enlaces σ de la molécula. De acuerdo con este modelo, los electrones σ del enlace carbono-cloro del ion cloroacetato están desplazados hacia el cloro, dejando al átomo de carbono α con una ligera carga positiva. El carbono α, a causa de este carácter positivo, atrae electrones del carboxilato cargado negativamente, dispersando así la carga y estabilizando el anión. Cuanto más estable es el anión, mayor es la constante de equilibrio para su formación. H O δ− δ+ Cl C C H O - El anión cloroacetato se estabiliza por el efecto atractor de electrones del cloro. El efecto inductivo disminuye rápidamente cuando el número de enlaces σ entre el grupo carboxilo y el sustituyente aumenta. Consecuentemente, el efecto de aumento de la acidez de un halógeno disminuye si se encuentra más lejos del grupo carboxilo: ClCH2CO2H ClCH2CH2CO2H ClCH2CH2CH2CO2H Ácido cloroacético Ka = 1,4 x 10-3 (pKa = 2,9) Ácido 3-cloropropanoico Ka = 1,0 x 10-4 (pKa = 4,0) Ácido 4-clorobutanoico Ka = 3,0 x 10-5 (pKa = 4,5) Tabla 3. Efecto de los sustituyentes sobre la acidez de los ácidos carboxílicos Nombre del ácido Estructura Ka pKa Patrón de comparación: Ácido acético CH3CO2H 1,8 x 10-5 4,7 Los sustituyentes alquilo tienen un efecto despreciable sobre la acidez: Ácido propanoico CH3CH2CO2H 1,3 x 10-5 4,9 Ácido 2-metilpropanoico (CH3)2CHCO2H 1,6 x 10-5 4,8 -5 Ácido 2,2- (CH3)3CCO2H 0,9 x 10 5,1 dimetilpropanoico Ácido heptanoico CH3(CH2)5CO2H 1,3 x 10-5 4,9 Los sustituyentes halógeno en α aumentan la acidez: Ácido fluoroacético FCH2CO2H 2,5 x 10-3 2,6 21 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Nombre del ácido Estructura Ka Ácido cloroacético ClCH2CO2H 1,4 x 10-3 Ácido bromoacético BrCH2CO2H 1,4 x 10-3 Ácido dicloroacético Cl2CHCO2H 5,0 x 10-2 Ácido tricloroacético Cl3CCO2H 1,3 x 10-1 Los grupos atractores de electrones aumentan la acidez: Ácido metoxiacético CH3OCH2CO2H 2,7 x 10-4 Ácido cianoacético NCCH2CO2H 3,4 x 10-3 Ácido nitroacético O2NCH2CO2H 2,1 x 10-2 pKa 2,9 2,9 1,3 0,9 3,6 2,5 1,7 Lección 4. El ion Carboxilato 1.8. Conversión a cloruros de ácido. Los halogenuros de acilo son los derivados más reactivos de los ácidos carboxílicos. Los cloruros de acilo son más comunes y más baratos que los bromuros o yoduros. Generalmente se preparan por la reacción de los ácidos con cloruro de tionilo o con pentacloruro de fósforo. O R C O + SOCl2 OH R OH SO2 O + PCl5 C + Cl cloruro de tionilo O R + HCl C pentacloruro de R + HCl C Cl + POCl3 oxicloruro de fósforo fósforo Los halogenuros de acilo reaccionan rápidamente con la mayoría de los nucleófilos. Por ejemplo, el agua los hidroliza rápidamente. 22 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA O H3C C O rápido + HOH H3C + C Cl HCl OH ácido acètico cloruro de acetilo 1.9. Conversión a ésteres. Los ésteres se obtienen al remplazar el grupo –OH de los ácidos por un grupo –OR. Se nombran de manera semejante a las sales de los ácidos carboxílicos. Primero se da el nombre del ácido, al cambiar la terminación –ico por –ato, seguido por la palabra de y el nombre de la parte R correspondiente al –OR: O O H3C H3C C C H3CH2CH2C acetato de metilo C C OCH2CH3 OCH3 O O OCH3 OCH3 butanoato de metilo acetato de etilo benzoato de metilo Muchos ésteres son sustancias con olor agradable y producen el sabor y el olor de muchos frutos y flores. Entre los más comunes se encuentran acetato de pentilo (plátanos), acetato de octilo (naranjas), butanoato de etilo (piñas) y butanoato de pentilo (duraznos). Los sabores naturales pueden estar formados por mezclas complejas. Por ejemplo, se han identificado más de 53 ésteres entre los constituyentes volátiles de las peras Bartlett. Se utilizan mezclas de ésteres como perfumes y sabores artificiales. Los ésteres se obtienen al calentar una ácido carboxílico y un alcohol en presencia de un catalizador ácido (generalmente HCl o H2SO4), se establece un equilibrio con el éster y agua. O R C O + HO-R` OH + H R + C H2O OR` 23 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Este proceso recibe el nombre de esterificación de Fischer, porque Emil Fischer, desarrolló dicho método. A pesar de que la reacción alcanza el equilibrio, se puede utilizar para obtener ésteres con un buen rendimiento, al desplazar el equilibrio hacia la derecha. Esto puede hacerse de varias formas. Si el alcohol o el ácido es una materia prima barata se puede utilizar en exceso. De manera alternativa, se puede remover el éster y/o el agua en cuanto se forman (por ejemplo, mediante una destilación), lo que dirige la reacción hacia la derecha. 1.10. Conversión a amidas. Las amidas son los derivados de los ácidos carboxílicos menos reactivos. Se encuentran abundantemente en la naturaleza. Las amidas más importantes son las proteínas. Las amidas primarias tienen la fórmula general RCONH2. Se pueden preparar mediante la reacción de amoniaco con ésteres, con halogenuros de acilo o bien con anhídridos de ácido. También se pueden obtener amidas por calentamiento de las sales de amonio de los ácidos. O R O + C NH3 R O C R - OH O NH4 + C + H2O NH2 Las aminas se denominan cambiando la terminación –ico u –oico del nombre común o del nombre IUPAC del ácido, por la terminación amida. H H3C C NH2 O O O H3CH2CH2C C C acetamida (metanamida) (etanamida) C NH2 NH2 formamida O NH2 benzamida butanamida (bencenocarboxamida) 24 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Lección 5. Reducción y Halogenación de ácidos 1.11. Reducción de ácidos a alcoholes. El hidruro de litio y aluminio, LiAlH4, es el reactivo utilizado para reducir un ácido a alcohol, el producto inicial es un alcóxido del cual se libera el alcohol por hidrólisis: O R C 4H2 + 2LiAlO2 + (RCH2O)4AlLi + 3LiAlH4 H2O 4R-CH2OH OH Alcohol 1º Otra forma de obtener alcoholes a partir de ácidos es por un proceso de dos etapas: esterificación y reducción del éster. 1. Esterificación O R O C H+ + HO-R` R + C OH H2O OR` 2. Reducción O R LiAlH4 C OR` éter éster R-CH2OH + R`OH alcohol 1º 1.12. Halogenación de ácidos alifáticos. Los ácidos carboxílicos alifáticos reaccionan suavemente con cloro o bromo, en presencia de una cantidad pequeña de fósforo, para dar un compuesto en el que se ha 25 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA reemplazado un hidrógeno α por un halógeno. Esta es la reacción de Hell-VolhardZelinsky. Debido a su especificidad – halogenación exclusiva en alfa – y a la facilidad con que se realiza, es de gran importancia en síntesis. CH3COOH Cl2, P CH3CH2COOH ClCH2COOH Br2, P Cl2, P Cl2CHCOOH Br2, P CH3CHBrCOOH Cl2, P Cl3CCOOH CH3CBr2COOH Br2, P no hay sustitución adicional Derivados funcionales de los ácidos carboxílicos. 1.13. Estructura. Los derivados de los ácidos, son compuestos en los que el –OH de un grupo carboxilo es reemplazado por –Cl, –OOCR, –NH2 ó –OR‘ para formar cloruros de ácido, anhídridos, amidas o ésteres. O O R R C O O O C R Cl R C alquilo o arilo C NH2 O Cloruro de ácido R C Anhídrido Amida R puede ser OR` Ester Todos ellos contienen el grupo acilo, O R C 26 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Los derivados pueden ser alifáticos o aromáticos, sustituidos o no; cualquiera que sea la estructura del resto de la molécula, se conservan esencialmente las propiedades del grupo funcional. 1.14. Nomenclatura. Los nombres de los derivados de ácidos se deducen en forma sencilla del nombre común o del nombre IUPAC del ácido carboxílico correspondiente. Por ejemplo: O O H3C C C OH OH Ácido acètico o etanoico Ácido benzoico O H3C O C C Cl Cl Cambio: ácido -ico por cloruro de -ilo Cloruro de acetilo Cloruro de etanoilo O H3C Cloruro de benzolilo H3C C O C O H3C O C ácido por anhídrido C O Anhídrido acético H3C O Anhídrido propanoico Anhídrido etanoico 27 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA O H3C O C C NH2 NH2 Benzamida Acetamida o Etanamida O H3C O ácido -ico del nombre común C C OC 2H5 OC 2H5 Acetato de etilo (o ácido -oico del IUPAC) por -amida Benzoato de etilo Etanoato de etilo 1.15. Propiedades físicas. El grupo C=O confiere polaridad a los derivados de ácidos. Los cloruros y anhídridos de ácidos y los ésteres tienen puntos de ebullición aproximadamente iguales que los aldehídos y cetonas de peso molecular comparable. Las amidas tienen puntos de ebullición bastante elevados, debido a su capacidad para establecer puentes de hidrógeno bastante firmes. H O R N C H O C R N H H La solubilidad límite en agua es de tres a cinco carbonos para ésteres, y de cinco a seis, para amidas. Los derivados de ácidos son solubles en los disolventes orgánicos usuales. Los ésteres más volátiles tienen olores agradables y muy característicos, por lo que se suelen emplear en la preparación de perfumes y condimentos artificiales. Los cloruros de ácido tienen olores fuertes e irritantes, debido en parte a su rápida hidrólisis a HCl y ácidos carboxílicos. 28 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Lección 6. Cloruros de ácido y Reacciones 1.16. Cloruros de ácido. 1.16.1. Preparación, Reacciones, Conversión de cloruros de ácido en otros derivados Los cloruros de ácidos se preparan con los ácidos correspondientes, haciéndoles reaccionar con cloruro de tionilo y tri-o pentacloruro de fósforo, como se vio en 1.7.5. Las reacciones de los cloruros de ácido son sustituciones nucleofílicas. El cloro es expulsado en forma de ion cloruro o de cloruro de hidrógeno, y su lugar lo ocupa algún otro grupo básico. Los cloruros de ácido son los derivados más reactivos de los ácidos carboxílicos. REACCIONES DE LOS CLORUROS DE ACIDO Conversión a ácidos y derivados.Reacción general O O R + C HZ R + C HCl Z Cl a.) Conversión a ácidos. Hidrólisis O R O + C Cl H2O R + C HCl OH 29 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Ejemplo: O O + C + C H2O HCl OH Cl Acido benzoico Cloruro de benzoilo El mecanismo de este proceso es el siguiente: b.) Conversión a amidas. Amonólisis O O R C + R 2NH3 + C NH4Cl NH2 Cl una amida Ejemplo: O O + C 2NH3 NH4Cl NH2 Cl Cloruro de benzoilo + C Benzamida 30 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA c.) Formación de cetonas. Acilación de Friedel-Crafts O O R + C AlCl3 ArH R + C HCl - Ar Cl una cetona d.) Conversión a ésteres. Alcohólisis O O R + C R R`OH + C HCl OR` Cl un éster Ejemplo: O C O + + C C2H5OH Cl Cloruro de benzoilo HCl OC2H5 Alcohol etílico Benzoato de etilo e). Formación de cetonas. Reacción con compuestos organocúprico R` CuX R` Li R` CuLi O R C O o Cl - Ar O O R C o Ar - C R` C Cl R` Cetona 31 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA f). Formación de aldehídos por reducción. O O R C o Ar - O LiAlH(OBu-t)3 C R o C Cl Cl O Ar - C H H Lección 7. Anhídridos, amidas, ésteres 1.17. Anhídridos de ácido: Reacciones. El anhídrido acético es de uso común y se prepara por la reacción del ácido acético con cetena, CH2=C=O que, a su vez, se obtiene por deshidratación del ácido acético a temperaturas elevadas. H3C COOH AlPO4 H2O 700ºC + CH2=C=O CH3COOH Cetena (CH3CO)2O Anhídrido acético En el laboratorio la cetena se obtiene por pirólisis de acetona y se suele utilizar de inmediato. 700 - 750ºC H3C CO CH3 CH4 + CH2=C=O Cetena Los ácidos di-carboxílicos generan anhídridos por simple calentamiento: se trata de aquellos que pueden formar anillos de cinco o seis átomos. Por ejemplo: 32 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA O O OH calor + O OH O O H2O Agua Anhídrido succínico REACCIONES DE LOS ANHIDRIDOS DE ACIDO 1. Conversión a ácidos y derivados de àcido. (RCO)2O + HZ RCOZ + RCOOH a. Conversión a ácidos. Hidrólisis (CH3CO)2O + H2O 2CH3COOH Ácido acético Anhídrido acético b. Conversión a amidas. Amonólisis (CH3CO)2O + Anhídrido acético 2NH3 CH3CONH2 Acetamida + CH3COO-NH4+ Acetato de amonio 33 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA O O H2C + CONH2 H+ H2C CONH2 H2C COOH 2NH3 H2C COONH4 O Anhídrido Succinamato de amonio Ácido succinámico succínico c. Conversión a ésteres. Alcohólisis (CH3CO)2O + CH3OH CH3COOCH3 Anhídrido acético + CH3COOH Acetato de metilo Acido acético (Un éster) O O CH2 O H3C + CH O Anhídrido ftálico CH3 CH2 COOH OH O CH3 CH3 Alcohol sec-butílico Ftalato ácido de sec-butilo 2. Formación de cetonas. Acilación de Friedel-Crafts (RCO2)O + ArH AlCl3 - R Ar C + RCOOH O Una cetona 34 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA CH3 (CH3CO)2O H3C AlCl3 + + H3C H3C Anhídrido CH3 CH3 O Ácido acético Metil mesitil cetona Mesitileno acético CH3 CH3COOH O O AlCl3 + C 0ºC COOH O O Ácido o-benzoilbenzoico Anhídrido ftálico 1.18. Amidas: Preparación, Reacciones. Las amidas se preparan por reacción entre amoníaco y cloruro o anhídridos de ácidos, si se dispone de estos últimos. Industrialmente, se suelen preparar por calentamiento de las sales de amonio de ácidos carboxílicos. Al calentarse con ácidos o bases acuosas, una amida se hidroliza. Los productos son amoníaco y ácido carboxílico, aunque se obtienen uno u otro en forma de sal, y están determinados por la acidez o basicidad del medio. REACCIONES DE AMIDAS. 1. Hidrólisis. O + H O R + C NH2 R + C NH4+ OH H2O OH- RCOO- + NH3 35 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Ejemplos: CONH2 COOH + H2SO4 + + NH4+HSO4 H2O Ácido benzoico Benzamida H3C CONH2 + NaOH + - COO Na H2O H3C Butiramida + + NH3 Butirato de sodio 2. Conversión a imidas O 2NH3 O CONH2 - COO NH4 H+ + CONH2 COOH O Ftalamato de amonio Anhídrido ftálico NH3, calor calor, 300ºC Ácido ftalámico calor O NH O Ftalimida 36 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA 3. Degradación de amidas según Hofman O R OBr- C R NH2 + NH2 CO32- Una amina 1º Una amida 1.19. Ésteres: Preparación, Reacciones, Hidrólisis alcalina de los ésteres. Los ésteres se preparan generalmente por la reacción de alcoholes o fenoles con ácidos y sus derivados. PREPARACIÓN DE ESTERES. 1. Con ácidos Reactividad de R`OH: 1º > 2º (> 3º) O O + R + C OH H R`OH R R` generalmente es alquilo Acido carboxílico R puede ser alquilo o arilo + C H2O OR` Ester Ejemplos: H3C COOH Ácido acético + HO CH2 Alcohol bencílico H+ H3CCOO CH2 Acetato de bencilo 37 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA COOH O HO + CH3 + H CH3 CH3 Ácido benzoico CH3 O CH2 Alcohol isobutílico Benzoato de isobutilo 2. Con cloruros o anhídridos de ácido R O R R C R`OH (o ArOH) + O o O C Cl OAr OR` (RCO)2O + R`OH (o ArOH) + HCl C RCOOR` (o RCOOAr) + RCOOH Ejemplos: Br Br COCl + COOC2H5 piridina C2H5OH + Cloruro de o-Bromobenzoato o-bromobenzoilo de etilo (CH3CO)2O + HO NO2 p-Nitrofenol HCl NaOH H3CCOO NO2 + CH3COOH Acetato de p-nitrofenilo 38 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA 3. Con ésteres. Transesterificación. O R C O H+ o OR`` + R``OH OR` R + C R`OH OR`` REACCIONES DE ESTERES. 39 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA c) Conversión a ésteres.Transesterificación. Alcohólisis. O R O H+ o -OH + R``OH C R + C OR` R`OH OR`` Hidrólisis alcalina de los ésteres. Cuando un éster carboxílico se calienta con ácido o base acuosos se hidroliza al ácido correspondiente a un alcohol o fenol. En condiciones alcalinas, se obtiene el ácido en forma de una sal. El ácido puede liberarse por adición de ácido mineral. Una base promueve la hidrólisis de ésteres porque proporciona un reactivo fuertemente nucleofílico –OH. Esta reacción es irreversible esencialmente, puesto que un anión carboxilato estabilizado por resonancia demuestra poca tendencia a reaccionar con un alcohol. O O + R C - OH OR` Ester - R C OR` OH Hidróxido O + RC R`OH O Sal Alcohol Los diversos aspectos del mecanismo que aquí se presentan son los siguientes: En primer lugar, tenemos el ataque del ión hidróxido sobre el éster. Esto concuerda con la cinética, que es de segundo orden, por depender la velocidad de la concentración de éster y de la del hidróxido. 40 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Luego, el hidróxido ataca al carbono carbonílico y desplaza al ión alcóxido; es decir la reacción implica la ruptura del enlace entre el oxígeno y el grupo acilo, RCO-OR’. Lección 8. Grasas 1.20. Grasas 1.20.1. Composición. Las grasas son constituyentes de las células, sirven como sustancias de reserva energética particularmente en animales y plantas por lo tanto constituyen una de las reservas alimenticias importantes del organismo. Las grasas animales y vegetales se pueden extraer (las grasas líquidas suelen describirse como aceites), así se obtiene el aceite de maíz, de coco, de semilla de algodón, de palma, sebo, grasa de tocino y mantequilla. El glicerol es el alcohol que origina las grasas por la formación de ésteres carboxílicos, éstas se conocen como glicéridos, más específicamente de triacilgliceroles. Las grasas se componen de glicéridos derivados de muchos ácidos carboxílicos diferentes, tabla 4 y 5. Tabla 4. COMPOSICION EN ACIDOS GRASOS SATURADOS DE GRASAS Y ACEITES Aceite o grasa Sebo de res Mantequilla Coco Maíz Semilla de algodón Manteca de cerdo Oliva Palma Médula de palma Maní Soya Hígado de bacalao Linaza a 3-4 % C4, 1-2% C6 Acidos saturados % C8 C10 C12 C14 C16 C18 >C18 <C16 C16 1-2ª 5-9 2-3 0.2 1-4 44-51 2-3 8-13 13-18 0-2 0-3 1 0-2 1-6 14-19 0.5 0.3 25-30 25-32 7-10 8-10 17-23 25-30 7-20 32-47 6-9 6-11 7-11 21-26 8-13 1-4 1-4 1-3 12-16 1-3 1-6 1-3 3-6 2-5 0.4-1 0.4-2 0.5 1-2 2-3 2-5 2-6 0.2 7-14 5-9 0-1 4-7 0-1 2-4 3-7 45-52 1-2 0-1 0.2 2-5 1-3 1-2 5-10 1-3 0-1 1-2 0-1 0-2 10-20 0.5-1 41 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Tabla 5. COMPOSICION EN ACIDOS GRASOS NO SATURADOS DE GRASAS Y ACEITES Acidos no saturados % Sebo de res Mantequilla Coco Maíz Semilla de algodón Manteca de cerdo Oliva Palma Médula de palma Maní Soya Enoico C18 39-42 22-29 30-50 23-44 41-51 53-86 40-52 10-18 39-66 22-34 Dienoico C18 2 3 1-3 34-56 34-55 3-8 4-22 2-11 1-2 17-38 50-60 >C18 0.3 0.2-1.5 0-1 0-2 0-1 2-3 0-3 C20 > C20 25-32 10-20 Trienoico C18 2-10 b c 45-67 Hígado de bacalao 25-31 8-29 d Linaza 9-29 8-15 78-82 b Acido linoleico, cis, cis-9,12-octadecadienoico. c Acido linolénico, cis, cis, cis-9,12,15-octadecatrienoico. d Acido eleosteárico, cis, trans, trans-9,11,13-octadecatrienoico, y 3-6% ácidos saturados. Las proporciones de los diversos ácidos varían de unas grasas a otras: cada una de ellas tiene su composición característica, que no difiere mucho de una muestra a otra. R`OC O COR CH O R``OC O Un triacilglicerol (Un glicérido) Los ácidos grasos son compuestos de cadena recta de tres a dieciocho carbonos, aunque existen algunas excepciones, es común encontrar ácidos con número par de carbonos porque son el resultado natural de la biosíntesis de las grasas: las moléculas se construyen con dos átomos de carbono a la vez, mediante unidades acetato. Además de ácidos saturados, también hay ácidos no saturados con uno o más enlaces dobles por molécula, siendo los más importantes: 42 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH Acido oleico Acido linoleico (isómero cis) (isómero cis, cis) CH3CH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH Acido linolénico (isómero cis,cis,cis) La configuración en estos dobles enlaces es casi invariablemente cis, en vez de trans, que es más estable. La insaturación con esta estereoquímica en particular tiene importancia biológica vital, reduce el punto de fusión. En la fase sólida, las moléculas se acomodan lo mejor que pueden; cuanto mejor lo logran, tanto más fuerte son las fuerzas intermoleculares y tanto más elevado resulta el punto de fusión. Las cadenas de ácidos saturados están extendidas linealmente, evidentemente en zigzag, debido a los ángulos de enlace tetraédrico. En nuestro organismo sintetizamos grasas y también nos alimentamos con grasas que han sido sintetizadas en plantas y otros animales: son éstas una de las tres clases príncipales de alimentos, siendo las otras dos los carbohidratos y las proteínas. Se emplean grasas en grandes cantidades como materias primas para muchos procesos industriales. La hidrólisis de glicéridos con hidróxido de sodio produce sales de ácidos carboxílicos y glicerol. Una mezcla de sales sódicas de ácidos grasos de cadenas largas constituyen el jabón corriente. 1.20.2. Hidrólisis, Saponificación. La hidrólisis de las grasas neutras pór medio de un álcali fuerte (hidróxido de sodio o de potasio), se denomina saponificación. La saponificación consiste en una hidrólisis alcalina de la preparación lipídica (con KOH o NaOH). Los lípidos derivados de ácidos grasos (ácidos monocarboxílicos de cadena larga) dan lugar a sales alcalinas (jabones) y alcohol, que son fácilmente extraíbles en medio acuoso. No todos los lípidos presentes en una muestra biológica dan lugar a este tipo de reacción. Se distinguen por tanto dos tipos de lípidos: lipidos saponificables y no saponificables. 43 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Los iones carboxilo formados en presencia de un catión, se trasforman en jabones; los productos de la saponificación: jabón y glicerina son solubles en agua e insolubles en éter. La función fisiológica de los jabones es promover la emulsión y solubilización de los lípidos, es decir, son detergentes al igual que las sales biliares. La primera reacción de los lípidos en el duodeno es una saponificación y el jabón formado actúa como detergente iniciando la emulsificación de los lípidos, esta es la función principal de las sales biliares. 1.21. Jabones. El jabón puede variar en su composición y en el método de su procesamiento: si se hace de aceite de oliva, es jabón de Castilla; se le puede agregar alcohol para hacerlo transparente; se le puede batir aire para que flote; se le pueden añadir perfumes, colorantes y germicidas; si es una sal potásica (en vez de sódica), es un jabón blando. Químicamente, sin embargo, es prácticamente siempre lo mismo y cumple igual su función. En agua el jabón se dispersa en grupos esféricos llamados micelas, cada una de las cuales puede contener centenares de moléculas de jabón. Una molécula de jabón tiene un extremo polar, -COO-Na+, y otro no polar, la cadena larga con 12 a 18 carbonos. El primero es soluble en agua, y se dice que es hidrófilo. El segundo no lo es, por lo que se denomina hidrófobo (o lipófilo); soluble en disolventes no polares. Este tipo de molécula se llama antipática: tiene extremos polares y no polares y, además, es suficientemente grande como para que cada extremo tenga su propio comportamiento de solubilidad. Los extremos no polares buscan un ambiente similar; en tal situación, el único ambiente no polar cercano son los extremos no polares de otras moléculas de jabón, por lo que se reúnen en el centro de la micela (Figura 1). Los extremos polares se proyectan hacia afuera para penetrar en el disolvente polar, el agua. Los grupos carboxilato cargados negativamente envuelven la superficie de la micela, rodeada de una atmósfera iónica. La repulsión entre cargas similares mantiene dispersas a las micelas. La suciedad está compuesta por grasa, en contacto con el agua, las gotitas de aceite tienden a juntarse, de modo que se separa una capa acuosa y otra oleosa; en presencia de jabón cambia esta situación. Los extremos no polares de las moléculas de jabón se disuelven en las gotitas de aceite, mientras que los grupos carboxilato se proyectan hacia la capa acuosa que los rodea. La repulsión entre cargas iguales evita que las gotas de aceite se unan, con lo que se forma una emulsión estable de aceite y agua que puede separarse de la superficie que se está lavando. 44 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Figura 1. Micela de jabón (http://de.wikipedia.org/wiki/Mizellen). Las cadenas alifáticas se “disuelven” mutuamente. Los grupos polares –COO- se disuelven en el agua. Micelas de carga similar se repelen mutuamente. El tratamiento de jabones sódicos con ácido mineral (o la hidrólisis de grasas en condiciones ácidas) libera una mezcla de estos ácidos carboxílicos. 1.22. Detergentes. Los alcoholes primarios de cadena recta C8 y C10 se emplean en la producción de ésteres de elevado punto de ebullición; que se emplean como plastificantes (ftalato de octilo, por ejemplo). Los alcoholes C12 a C18 se utilizan en cantidades enormes en la manufactura de detergentes (agentes limpiadores). Los detergentes al igual que los jabones tienen una cadena saturada no polar muy larga, soluble en aceites, y un extremo polar soluble en agua. Los alcoholes C12 a C18 se convierten en sales de los ácidos alquilsulfúricos. Por ejemplo: n-C11H23CH2OH H2SO4 Alcohol laurílico NaOH n-C11H23CH2OSO3H n-C11H23CH2OSO3-Na+ Acido laurilsulfúrico Laurilsulfato de sodio La cadena larga corresponde al extremo no polar, y el polar, al grupo –OSO3-Na+. El tratamiento de alcoholes con óxido de etileno da origen a detergentes no iónicos: O CH3(CH2)10CH2OH + 8 H2C base CH2 CH3(CH2)10CH2(OCH2CH2)8OH 45 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Los puentes de hidrógeno en los numerosos oxígenos confieren al extremo poliéter solubilidad en el agua. Como alternativa, pueden convertirse estos etoxilatos en sulfatos, usándolos o en forma de sales sódicas. Los detergentes que probablemente se emplean más son sales sódicas de ácidos alquilbencenosulfónicos. Se enlaza un grupo alquilo de cadena larga a un anillo bencénico por medio de un catalizador de Friedel-Crafts, un halogenuro de alquilo, alqueno o un alcohol. El detergente resulta de una sulfonación seguida de una neutralización. - SO3 Na + R En la actualidad los detergentes son biodegradables: sulfatos de alquilo, etoxilatos y los sulfatos correspondientes, y alquilbencenosulfaonatos con el grupo fenilo unido aleatoreamente a las diversas posiciones secundarias de una cadena recta larga (en el intervalo C12-C18). Las cadenas laterales de estos alquilbencenosulfonatos “lineales” se derivan de 1-alquenos de cadena recta, o de alcanos rectos clorados. 1.23. Grasas Insaturadas. Las grasas contienen glicéridos de ácidos carboxílicos no saturados en proporciones variables, la insaturación de una grasa tiende a bajar su punto de fusión, con lo que tiende a convertirla en un líquido a temperatura ambiente. La hidrogenación de algunos de los dobles enlaces de aceites baratos, tales como el de semilla de algodón, de maíz y de soja, convierte estos líquidos en sólidos de consistencia comparable a la de la manteca o mantequilla. Este endurecimiento de aceites es la base de una industria importante que produce grasas para cocinar y oleomargarina. La hidrogenación de los enlaces dobles carbono-carbono sucede en condiciones tan suaves (catalizador de Ni, 175-190ºC, 1.3 – 2.7 atm) que no hay hidrogenólisis de la unión éster. La hidrogenación no sólo cambia las propiedades físicas de una grasa, sino también, lo que es más importante, las químicas: una grasa hidrogenada es menos propensa a ponerse rancia que una no hidrogenada. La rancidez se debe a la presencia de ácidos y aldehídos volátiles de mal olor, sustancias que resultan (al menos en parte) del ataque por el oxígeno a posiciones alílicas reactivas en las moléculas de la grasa; es probable que la hidrogenación retarde el desarrollo de la rancidez, reduciendo el número de dobles enlaces y, por tanto, el número de posiciones alílicas. 46 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA También hay lípidos de otro tipo, los fosfoglicéridos, con solo dos grupos acilo y, en lugar de un tercero, un grupo fosfato. La estructura matriz es fosfato de diacilglicerol o ácido fosfatídico. R` R`` O O CH2 CH O. H2C O P + OH OH Acido fosfatídico Un fosfoglicérido Los fosfoglicéridos no sólo son ésteres carboxílicos, sino también ésteres fosfóricos. Los fosfolípidos constituyen las membranas celulares; el triofosfato de adenosina se halla en el centro del sistema energético de los organismos, y tiene como función convertir una multitud de otros compuestos en ésteres fosfóricos; los ácidos nucleicos que controlan la herencia son poliésteres de ácido fosfórico. Las grasas se encuentran en células de almacenamiento de plantas y animales. Su función se basa en sus propiedades químicas: se consumen por oxidación, y ayudan así a proporcionar energía para los procesos vitales. 47 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Ejercicios (Unidad 1- Capítulo 1). 1. El estructura del ácido 2-propenoico es: a. H3C-CH2-COOH b. H2C CH-COOH c. Cl- H2C-CH2-COOH d. H3C-CH2-COH 2. El nombre del ácido COOH H3C-C-C-OH es H a. ácido propanóico b. ácido 1-metil-1-hidroxipropanoico c. ácido 1-hidroxipropanoico d. ácido 2-hidroxipropanoico 3. Los productos de disociación de la sal acetato de sodio (CH3-COONa) en agua son: a. CH3-COOH + NaOH b. CH3-COO- + Na+ c. CH3-CH2OH + NaOH d. No se disocia 4. Comparando la constante de acidez de los siguientes ácidos podemos afirmar que: a. CH3 CH2 COOH < OH- CH2 COOH < I- CH2 COOH < Cl- CH2 COOH b. Cl CH2 COOH < I -CH2 COOH < OH- CH2 COOH < CH3 - CH2 COOH c. CH3 CH2 COOH < OH- CH2 COOH < Cl- CH2 COOH < I- CH2 COOH d. OH- CH2 COOH < CH3 -CH2 COOH < I- CH2 COOH < Cl- CH2 COOH 48 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA 5. Dé el nombre común y sistemático de los siguientes ácidos: a) b) c) d) e) f) 49 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Capítulo 2. Ácidos Sulfónicos, Aminas Lección 9. Ácidos Sulfónicos 2.1. Estructura, propiedades y uso. Los ácidos fuertes sulfúrico y fosfórico forman derivados orgánicos que poseen muchas propiedades químicas similares a las de la familia de los derivados de los ácidos carboxílicos. Sus átomos centrales, azufres y fósforo, difieren del carbono en el sentido que son capaces de acomodar más de ocho electrones en su capa electrónica externa. Esta capacidad de los átomos situados por debajo de la segunda fila de la tabla periódica para hacer uso de los orbitales atómicos d y superiores justifica una flexibilidad en el enlace mayor de la que encontramos con los átomos de carbono. La sustitución de uno de los hidroxilos del ácido sulfúrico por un grupo alquilo o arilo proporciona un ácido sulfónico cuyo átomo de azufre se encuentra en un estado de oxidación inferior al del azufre de los sulfatos. Estos compuestos son una clase de ácidos orgánicos cuya fórmula general es R-S(=O)2-OH donde R, es generalmente una cadena lateral hidrocarbonada. Los ácidos sulfónicos son generalmente ácidos mucho más fuertes que sus contrapartes carboxílicas, y tienen la tendencia única de unirse fuertemente a proteínas y carbohidratos; muchas tintas "lavables" son ácidos sulfónicos o tienen el grupo funcional sulfonilo en ellos. Estos ácidos y sus sales son ampliamente usados como catalizadores y tienen un amplio uso en diversos productos como por ejemplo en detergentes y en resinas de intercambio aniónico las cuales son utilizadas en purificación de aguas. 2.2. Nomenclatura. Para nombrar estos compuestos se antepone la palabra ácido, luego el nombre del hidrocarburo del cual proviene seguido del sufijo sulfónico. Por ejemplo: CH3SO3H Ácido metanosulfónico 2.3. Preparación. 50 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Los ácidos alquilsulfónicos pueden prepararse mediante la reacción de iones sulfito con derivados halogenados, mientras que los ácidos arilsulfónicos se obtienen por sulfonación de compuestos aromáticos como por ejemplo: 1) EtOH/H2O BrCH2CH2Br + Na2SO3 BrCH2CH2SO3H 2) H3O+ 1,2-Dibromoetano Sulfito sódico Ácido 2-bromoetilsulfónico 80% H2SO4 CH3 + Tolueno SO3 Trióxido de azufre CH3 SO3H Àcido p-toluenosulfónico 65% Los derivados de los ácidos sulfónicos son análogos a los que se originan a partir de los ácidos carboxílicos: RCOOH, ácido carboxílico RCOCl, cloruro de acilo RCOOR´, éster carboxílico RCONH2, carboxamida RSO2OH, ácido sulfónico RSO2Cl, cloruro de sulfonilo RSO2OR´, éster sulfónico RSO2NH2, sulfonamida Para llevar a cabo un proceso exitoso de sulfonación es necesario tomar una concentración determinada del agente sulfitador a un régimen de temperatura dependiendo de la capacidad de reacción del compuesto aromático como también de la cantidad y posición de los grupos sulfónicos que entrarán a formar parte del la sustancia aromática. Por ejemplo, para obtener el ácido p- toluenosulfónico, al tolueno lo mezclan con ácido sulfúrico concentrado en baño de vapor. La introducción de dos grupos sulfónicos al anillo bencénico se efectúa por sulfonación con óleum (ácido sulfúrico concentrado H2SO4 disuelto en trióxido de azufre SO3 ) a una temperatura de 245 °C, lo que conlleva a la obtención de una mezcla de isómeros meta- y para- en relación 3:1. En este 51 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA proceso se obtiene a veces como producto secundario una pequeña cantidad de diarilsulfona Ar-SO2-Ar la cual no es soluble en agua por lo que puede separarse fácilmente. Se ha establecido también que los carbohidratos aromáticos y los halogenuros de arilo en presencia de cloruro de tionilo a temperatura ambiental, se sulfonan fácilmente obteniéndose buena cantidad del ácido aril sulfónico (Advanced Organic Chemistry,Tomo II,pg 221): Ar-H + H2SO4 + SOCl2 Ar-SO3H + SO2 + 2HCl Por su acidez el ácido aril sulfónico Ar-SO3H es comparado con el ácido sulfúrico, se disuelve fácilmente en agua y es bastante higroscópico. En general los ácidos sulfónicos no se presentan en forma libre sino en la forma de sus sales sódicas. Lección 10. Sulfonación y desulfonación 2.4. Sulfonación y desulfonación. La sulfonación es una de las reacciones industriales más importantes de los compuestos aromáticos. Históricamente el proceso de desarrolló debido a la fácil asequibilidad del ácido sulfúrico a bajo precio. Una de las aplicaciones más importantes de la reacción de sulfonación es la producción de detergentes. Los alquilbencenos preparados por la reacción de Friedel-Crafts se sulfonan con elevado rendimiento para formar los ácidos bencenosulfónicos cuyas sales son detergentes: 52 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA CH3 CH3 SO3 n- C10H21 CH NaOH n- C10H21 CH SO3H H2SO4 2-Dodecilbenceno Ácido 4-(2-dodecil) bencenosulfónico CH3 + n- C10H21 CH SO3 Na 4- (2-dodecil) bencenosulfonato sódico Detergente Se cree que el electrófilo que interviene en la sulfonación es el trióxido de azufre (SO3), ya sea en forma libre o en combinación con algún otro reactivo. Este óxido es un agente sulfonante excelente que reacciona rápidamente incluso con el anillo aromático no sustituido del benceno. El mecanismo de reacción propuesto es el de adicióneliminación (Química Orgánica,4ª. Edición, pg. 659): O S O + S O O + SO3H H O O La sulfonación difiere de las otras reacciones de sustitución aromática en que es reversible a temperaturas elevadas y su aplicabilidad es bastante amplia. Desulfonación: Las aminas y en particular el p-toluidin, al reaccionar con ácidos sulfónicos, dan sales: Ar-SO3H + p-CH3C6H4NH2 Ar-SO3 NH3C6H4CH3-p 53 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Al igual que ocurre entre los derivados de los ácidos carboxílicos, los cloruros de sulfonilo son los derivados mas reactivos de los ácidos sulfónicos. Éstos se preparan normalmente por reacción del ácido sulfónico con pentacloruro de fósforo o con cloruro de tionilo: SO3H SO2Cl 1) NaOH 2) PCl5 Ácido Bencenosulfónico Cloruro de bencenosulfonilo 80% 2.5. Sulfonamidas. Los cloruros de sulfonilo son los derivados más reactivos de los ácidos sulfónicos; éstos reaccionan con el amoniaco o con aminas primarias y secundarias dando sulfonamidas, por ejemplo: SO2NH2 SO2Cl + Cloruro de bencenosulfonilo NH3 Amoniaco SO2Cl Cloruro de p-toluenosulfonilo CH3NH2 Metilamina HCl Bencenosulfamida SO2NHCH3 NaOH/H2O + CH3 + CH3 N-Metil-p-toluenosulfonamida 90% Las sulfonamidas se utilizan a menudo para la caracterización de ácidos sulfónicos aromáticos. 54 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Lección 11. 2.6. Ésteres de los ácidos sulfónicos. Los ésteres sulfónicos son una clase de compuestos orgánicos con la fórmula general R-SO2-OR. Un modo de sintetizar ésteres de los ácidos sulfónicos es por el calentamiento de sales sódicas de éstos con el dimetil- o dietilsulfato: ArSO3Na (CH3)2 SO4 + 150-160 oC ArSO3CH3 + CH3Na SO4 Otra forma de obtener estos compuestos es a partir de las reacciones de los cloruros de sulfonilo con alcoholes. Si el reactivo es el p-toluenosulfonilo, el éster toluenosulfónico se denomina un tosilato los cuales son excelentes grupos salientes en la sustitución nucleofílica, por ejemplo: p-CH3C6H4SO2 Cl + Cloruro de p-toluenosulfonilo n-C4H9OH NaOH/H2O 1-Butanol 15 oC p-CH3C6H4SO3 C4H9 - n p-Toluenosulfonato de butilo (54%) 2.7. Formación de los ésteres de ácidos sulfónicos (tosilatos y mesilatos). A continuación, se indican las estructuras del ácido p-toluenosulfónico y del ácido metanosulfónico así como la de sus correspondientes cloruros: el cloruro de ptoluenosulfonilo, denominado también cloruro de tosilo, y el cloruro de metanosulfonilo, denominado también cloruro de mesilo: 55 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Los alcoholes se transforman en sulfonatos (tosilatos o mesilatos) mediante la reacción con cloruro de tosilo (TsCl) o de cloruro de mesilo (MsCl) en una disolución de piridina. La piridina cumple un doble papel: por una parte es el disolvente de la reacción y por otra es la base que neutraliza el HCl que se forma en el proceso. El mecanismo para la formación de tosilatos es el siguiente: El HCl que se forma en el proceso de tosilación queda neutralizado por la piridina: Los grupos tosilato y mesilato son excelentes grupos saliente porque son muy poco básicos. Su carga negativa se encuentra deslocalizada sobre tres átomos de oxígeno. A continuación se representa una reacción SN2 sobre un mesilato de alquilo con indicación de las estructuras resonantes del anión mesilato que ponen de manifiesto la eficiente deslocalización de la carga negativa (Tutorial de Química Orgánica, marzo 2009): 56 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Aminas Lección 12. Aminas 2.8. Estructura, Clasificación, Nomenclatura. Estos compuestos se caracterizan por poseer el grupo funcional – NH2. Las aminas son derivados orgánicos del amoniaco (NH3). Son los compuestos de naturaleza básica más importantes de la química orgánica. Los hidrógenos del amoniaco pueden reemplazarse por uno, dos o tres grupos alquilo, dando lugar a aminas primarias, secundarias o terciarias, respectivamente. Obsérvese que la utilización primaria, secundaria y terciaria no tiene el mismo significado estructural en el caso de las aminas que en el caso de los alcoholes. En las aminas dichos términos se refieren al número de carbonos unidos al átomo de nitrógeno, mientras que en los alcoholes se refieren al número de carbonos sobre el carbono que llévale grupo hidroxilo, por ejemplo: CH3NH2 (CH3)2 NH (CH3)3 N Metilamina Dimetilamina Trimetilamina Amina primaria Amina secundaria Amina terciaria Cuando existen cuatro carbonos unidos al nitrógeno, el compuesto deja de ser una base. El átomo de nitrógeno tetracoordinado posee una carga positiva y es la parte catiónica de un compuesto denominado sal de amonio cuaternario 57 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA (CH3)4 N +I Yoduro de tetrametilamonio Sal de amonio cuaternaria En la nomenclatura IUPAC el sufijo –amina se añade al nombre principal al designar las aminas primarias. En el nombre fundamental no se cuenta ni se numera el átomo de nitrógeno. Las aminas secundarias y las terciarias se indican entonces como aminas primarias sustituidas, utilizando la letra N para indicar que el sustituyente se haya sobre el átomo de nitrógeno. Sin embargo es frecuente utilizar el radical del hidrocarburo como si fuera un sustituyente seguido del sufijo –ilamina. Es decir, esto equivale a nombrar las aminas como si fueran derivados carbonados del amoniaco: Tabla 3 (Química Orgánica. Stanley H, cuarta edición, pg. 56.) Nombre Fórmula 1 Metanamina (Metilamina) 2 p.f., °C p.eb.,°C CH3NH2 -94 -7 N-Metilmetanamina (Dimetilamina) (CH3)2NH -96 8 3 N,N-Dimetilmetanamina (Trimetilamina) (CH3)2N -117 3 4 5 Etanamina (Etilamina) N-Etiletanamina (Dietilamina) CH3CH2 NH2 (CH3CH2)2 NH -81 -50 17 56 6 7 8 9 N,N-Dietiletilamina (Trietilamina) 1-Propanamina (Propilamina) 1-Butanamina (Butilamina) 2-Metil-2-propanamina (tercbutilamina) Ciclohexanamina (Ciclohexilamina) (CH3CH2)3 N CH3CH2 CH2 NH2 CH3CH2 CH2 CH2 NH2 (CH3)3 C NH2 -115 -83 -50 -68 90 49 78 46 -18 134 Fenilmetilamina (Bencilamina) Bencenamina (Anilina) N-Fenilbencenamina (Difenilamina) C6H5CH2 NH2 C6H5 NH2 (C6H5)2 NH -6 54 185 184 302 10 10 11 12 NH2 58 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA 2.9. Propiedades físicas. La mayoría de aminas de bajo peso molecular son gases o líquidos volátiles y en general tienen un olor amoniacal o a “pescado”. La putrecina y la cadaverina son dos diaminas sumamente pestilentes que se producen en la degradación bacteriana de la materia animal: H2NCH2CH2CH2CH2NH2 H2NCH2CH2CH2CH2CH2NH2 1,4-Butanodiamina (Putrescina) 1,5-pentanodiamina (Cadaverina) En la tabla 3 se dan las propiedades físicas de algunas aminas. 2.10. Sales. Las aminas al reaccionar con ácidos minerales producen sales idénticas a las que son producidas cuando el amoniaco reacciona con éstos últimos. Las sales se forman tanto en medio seco como en soluciones acuosas, por ejemplo cuando pasamos ácido clorhídrico en forma gaseosa a una solución etérica de una amina; en este caso la sal de la amina formada se separa cuantitativamente en forma de una sustancia sólida + blanca. La adición de un protón(H ) a las aminas, la cual constituye una rápida reacción ácido-base, conduce a la obtención de las sales de amonio: + (CH3)2NH + HCl (CH3)2NH2Cl N-Metilmetanamina Cloruro de dimetilamonio En la formación de las sales la cantidad de grupos enlazados con el nitrógeno aumenta desde tres hasta cinco, el enlace es de tipo iónico, un ejemplo puede representarse de la siguiente forma: CH3 .. CH3: N : .. CH3 Trimetilamina ..+ + .. H : Br : .. CH3 .. CH3 : N : .. + H .. : Br .. : CH3 Bromuro de Trimetilamina 59 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA El protón toma el par de electrones no compartidos del nitrógeno formando un enlace covalente, por esto el nitrógeno contenido en el grupo de la sal, posee carga positiva. Las propiedades físicas de las sales de las aminas, debido a su carácter iónico, se diferencian sustancialmente del de las aminas. Las sales son sólidas, inodoras e insolubles en ésteres o en disolventes de hidrocarburos en los cuales se disuelven las aminas orgánicas. Exceptuando las sustancias de muy alto peso molecular, las sales se disuelven fácilmente en agua y en soluciones iónicas. 2.11. Estereoquímica del Nitrógeno. En las aminas el nitrógeno utiliza orbitales sp3 dirigidos hacia los vértices de un tetraedro; tres de estos orbitales solapan orbitales s de hidrógenos o carbonos mientras que el cuarto orbital sp3 contiene un par de electrones no compartidos; por esta razón las aminas son piramidales como el amoniaco y tienen casi los mismos ángulos de valencia: 108º como es el caso de la trimetilamina. Una molécula con tres grupos distintos unidos al nitrógeno no puede superponerse a su imagen especular es decir es quiral y debe existir en dos formas enantiómeras (I y II), cada una de las cuales, por separado, debería presentar actividad óptica. Para las aminas simples, sin embargo, dichos enantiómeros no han podido ser aislados debido a que la rotación rápida en torno a enlaces simples carbonocarbono impide el aislamiento de éstos, la inversión rápida en torno al nitrógeno impide la separación de los enantiómeros I y II. 2.12. Fuentes Industriales, Preparación. El método más común para la preparación de aminas es a través de la sustitución mediante amoniaco u otras aminas; también se utiliza la reducción de amidas y la de nitrilos. Sustitución por amoniaco y aminas. 60 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA La metilamina se prepara comercialmente mediante la reacción del amoniaco con cloruro de metilo. Es necesario un exceso de amoniaco para captar el HCl producido y también para minimizar la alquilación adicional de la amina: + : NH3 + Amoniaco + CH3 Cl Cloruro de metilo CH3 NH3 Cl + NH3 CH3 NH3 Cl Cloruro de metilamonio + CH3 NH2 NH4Cl + Metilamina Cloruro amónico (Metanamina) Si en la reacción no se utiliza exceso de amoniaco, se obtiene una mezcla de aminas primarias, secundarias y terciarias: CH3 NH2 + (CH3)2 NH2Cl + + CH3 Cl (CH3)2 NH2Cl + NH3 (CH3)2 NH + NH4Cl Dimetilamina (N-Metilmetanamina) (CH3)2 NH + (CH3)3 NH Cl + + CH3 Cl (CH3)3 NH Cl + NH3 (CH3)3 N + NH4Cl Trimetilamina (N,N-Dimetilmetanamina) En cada paso de este proceso, la sal de amonio, no nucleófila, se convierte en una amina nucleófila, mediante un equivalente de amoniaco. A menudo pueden sintetizarse selectivamente aminas primarias, secundarias y terciarias mediante la elección de los reactivos y el control de sus concentraciones. Por aminación de grupos de alquilo. Los grupos de alquilo pueden ser introducidos directamente en la molécula de amoniaco al hacer interactuar estos grupos con dicha molécula y agregando en la fase 61 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA final del proceso hidróxido de sodio. Esta reacción es general pero presenta el inconveniente que paralela a ella se obtienen productos con un mayor grado de sustitución: CH3 CH2 Br NH3 + + - CH3 CH2 NH3Br NaOH CH3 CH2 NH2 (1) Así, al reacción del bromuro de etilo con el amoniaco, reacción (1), el bromuro de etilamonio obtenido toma parte en la reacción de equilibrio con el resto del amoniaco obteniéndose como resultado la etilamina, reacción (2): + - CH3 CH2 NH3Br + + NH3 CH3 CH2 NH2 + - NH4Br (2) Esta amina primaria reacciona después con el halogenuro de alquilo produciendo cierta cantidad de la amina secundaria, reacción (3): + CH3 CH2 NH2 + CH3 CH2 Br - (CH3 CH2)2 NH2Br (3) Sin embargo una forma de minimizar la probabilidad de que la indeseada reacción (3) se lleve a cabo, es agregando una cantidad en exceso de amoniaco. Como ejemplo de este tipo de proceso tenemos la aminación del ácido 2Βromopropiónico: NH3 (70 eq.) CH3 CH COOH Br Ácido 2 - Bromopropiónico 60-70% CH3 CH COOH NH2 Alanin Las aminas secundarias pueden obtenerse por alquilación de aminas primarias y las terciarias por alquilación de secundarias: 62 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA N(CH3)2 NHCH3 NH2 CH3I CH3I NaOH NaOH N-Metilanilina Anilina N,N-Dimetilanilina Estas reacciones son difíciles de detener en el punto deseado de alquilación y los productos deben ser sometidos a una cuidadosa limpieza. Otro método de obtención de aminas es por reducción de éstas (reacción de Leuckart). En esta reacción el aldehído o cetona es calentados con ácido metanóico, amoniaco y aminas primarias o secundarias. Si como componente carbonilo se utiliza el formaldehído, entonces la reacción es un proceso de metilación. Por ejemplo si se hace hervir benciloamina con formaldehído y ácido metanóico hasta que no haya mas producción de dióxido de carbono, se obtiene una buena salida de derivados de las sustancias N,N-dimetil: CH 2O; HCOOH C6H5 CH2 NH2 C6H5 CH2 N(CH3)2 80% Benciloamina + CO2 + H2O N,N- Dimetilbenciloamina Las aminas aromáticas primarias casi siempre se obtienen por procesos de nitruración y reducción. Existen diferentes métodos para la obtención de aminas aromáticas por reducción de compuestos nitrogenados, por ejemplo el nitrobenceno en presencia de estaño y ácido clorhídrico es reducido al compuesto anilina: NH2 NO2 Sn;HCl Nitrobenceno Anilina (80%) 63 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA En la industria normalmente se reducen nitrocompuestos con polvo de hierro en agua en presencia de ácido clorhídrico o ácido acético en calidad de catalizador: CH3 CH3 Fe;HCl NO2 NH2 74% NH2 NO2 Otro método para la obtención de aminas es a través de la reacción de Schmidt. El método consiste en transformar ácidos carboxílicos en aminas. El ácido carboxílico al reaccionar con ácido nitrohídrico (NH3) en presencia de benceno y ácido sulfúrico, no se transforma en acilazida (I), sino en un ácido conjugado (II); éste último pierde el nitrógeno mucho más fácil que la azida misma y se reagrupa transformándose en isocianato (III) la cual al a su vez al reaccionar con agua se transforma en una amina: O .. R COOH + HN3 RCN N N H + O H + R C N N N I O H R C N+ .. O C N R - H+ - N2 II H2O R NH2 + CO2 III El método es práctico y la obtención de aminas es de alto rendimiento. Lección 13. Reacciones y basicidad 2.13. Reacciones. Acilación. Las aminas primarias y secundarias fácilmente pueden ser aciladas con anhídrido acético a temperatura ambiental, ejemplos: 64 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA (CH3CO)2O (CH3)2 CH CH2 NH2 (CH3)2 CH CH2 NH COCH3 Isobutilamina CH3COOH + Acetilisobutilamina (CH3)2 CH (CH3)2 CH CH3COCl NH N COCH3 (CH3)2 CH (CH3)2 CH Diisopropilamina Acetildiisopropilamina + HCl Con cloruros de sulfonilo. El cloruro bencenosulfónico es un reactivo muy práctico para determinar tipos de aminas. Por ejemplo al mezclar esta sustancia con una amina primaria en una base diluida, se obtiene el bencenosulfonamida sustancia que es soluble en bases. Sin embargo lo mismo no ocurre cuando reaccionamos una amina secundaria con el cloruro bencenosulfónico; aquí se produce un derivado en el cual el hidrógeno no es desplazado por el metal de la base: NaOH C6H5 SO2Cl + C6H5 H2NR Amina primaria C6H5 SO2Cl SO2NHR C6H5 SO2NRNa C6H5 SO2NR2 + Soluble en bases + HNR2 Amina secundaria No es soluble en bases En el caso de agregar una amina terciaria no ocurre ninguna reacción (Advanced Organic Chemistry; tomo I, pg. 612). Es de anotar que las características ácidas de los derivados de las aminas primaras se deben en todo caso a la presencia del grupo sulfónico: O + S O 65 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Con ácido nitroso. (ver capítulo 6: Sales de diazonio) Con aldehídos y cetonas. Las aminas primarias reaccionan con los aldehídos y cetonas formando productos denominados iminas (o bases de Schiff). Las iminas por lo general son poco estables pero suelen ser importantes productos intermedios en algunos reacciones. La formación de una imina es muy semejante a una reacción aldólica, es decir una adición seguida de una deshidratación: O CH3 NH2 + Metilamina OH CH3 C H .. CH3 CH NH CH3 Acetaldehído CH3 CH N-Metil-1-hidroxietilamina Carbinolamina N CH3 + H2O Metilimina del acetaldehído (2-Aza-2-Buteno) Imina La formación de iminas es catalizada por ácidos diluidos y transcurre por lo general más aprisa a un pH de 3-5. Al incrementar o disminuir dicha acidez la velocidad de la reacción disminuye. Esto se debe a que en la primera etapa o etapa de adición de la reacción la amina es nucleófila por el par de electrones sin compartir del nitrógeno. Al aumentar la acidez del medio, la amina se va protonando y transformando en no nucleófila, por lo que deja de tener lugar su adición al carbonilo: .. : .. OH + NH C NH .. : OH .. NH C + + H C + .. :OH .. Lenta + NH C + H2O Más rápida a) Efecto del ácido sobre la deshidratación 66 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA .. R N H2 + H + + R NH3 Nucleófila No nucleófila b) Efecto del ácido sobre la nucleofilia de la amina Con ácidos carboxílicos. Las aminas primarias y secundarias, así como el amoniaco, pueden reaccionar con los ácidos carboxílicos y sus derivados con formación de amidas. Sin embargo como las aminas son también bases, éstas al reaccionar con los ácidos carboxílicos en reacciones ácido-base conducen a la formación de sales amónicas: CH3COOH + Ácido acético C6H5CH2 COOH Ácido fenilacético + + NH3 CH3COO NH4 Amoniaco Acetato amónico + CH3NH2 C6H5CH2 COO NH3 CH3 Metilamina Fenilacetato de metilamonio La formación de la sal es un proceso rápido y exotérmico. Las sales amónicas obtenidas son normalmente sólidos estables y de elevado punto de fusión. A partir de estas sales se puede obtener la amida correspondiente deshidratando la sal a alta temperatura, por ejemplo: CH3COO NH4 150 oC Acetato amónico -H2O + + C6H5 COO NH3 C6H5 Benzoato de anilinio CH3CONH2 Acetamida 90% 190 oC C6H5 CO NH C6H5 -H2O Bezanilida 84% 67 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Este modo de formación de la amida, se utiliza comercialmente para la preparación del nilón que es una poliamida. 2.14. Acidez y Basicidad de las aminas. Efecto de los sustituyentes sobre la basicidad Las aminas poseen tanto propiedades ácidas como básicas. Las propiedades ácidas de estas sustancias se deben a que presentan hidrógenos ácidos en el grupo amino. Estos hidrógenos se pueden sustraer o arrancar (desprotonización) empleando bases muy fuertes (organometálicos, hidruros metálicos) formando amiduros (bases de las aminas). Por ejemplo: H CH3Li + H3C N H3C NH Li + HCH3 H Metilamina Metilamiduro de litio Metano pKa=35 Otro ejemplo de la desprotonización de aminas es el utilizado en la preparación del Diisopropilamiduro de litio (LDA) a partir de la Diisopropilamina utilizando bases muy fuertes como los organometálicos de litio. El LDA es una de las bases más utilizadas en la química orgánica: N H Diisopropilamina CH3Li + N Li + HCH 3 Diisopropilamiduro de litio (LDA) 68 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Sin embargo, el comportamiento más importante de las aminas es el básico. Las aminas son las sustancias orgánicas de mayor basicidad, por ejemplo la metilamina se protona transformándose en el cloruro de metilamonio (sal de amonio): H HCl H3C N + H3C NH3 CL H Metilamina Cloruro de metilamonio pKa=10.6 Las sales de amonio son los ácidos conjugados de las aminas y tienen pKas que varían entre 9 y 11. La basicidad de las aminas depende de los efectos inductivo y estérico. Así, el pKa sube con la longitud de la cadena carbonada ya que ésta cede carga al grupo amino (efecto inductivo), aumentando su basicidad: CH3NH2 CH3CH2NH2 (CH3)3CNH2 pKa=10.6 pKa=10.8 pKa=10.4 El pKa del amoniaco y aminas alifáticas primarias se sitúa en 35 y sube ligeramente al aumentar el número y tamaño de los sustituyentes. Lección 14. Sales de amonio 2.15. Sales de amonio cuaternarias. Cuando una amina terciaria forma un enlace con un átomo de carbono, el nitrógeno tetracoordinado no posee ningún átomo de hidrógeno. El producto resultante es una sal de amonio cuaternario, por ejemplo: 69 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA (CH3)3N: + Trimetilamina N .. CH3 I Yoduro de metilo + CH3 I + (CH3)4N I Yoduro de tetrametilamonio N + I CH3 Piridina Yoduro de N-metilpiridinio Estas sales son sólidos inodoros y neutros, que contrastan con las aminas líquidas que tienen olor a pescado, a partir de las que normalmente se preparan. Los grupos amonio cuaternarios son parte importante de muchas moléculas biológicamente activas. La acetilcolina por ejemplo es una sal de amonio cuaternario esencial para la neurotransmisión; otros compuestos de este tipo por el contrario bloquean la transmisión nerviosa. Dentro de este tipo de sustancias se encuentran los alcaloides del curare, de origen natural y los cuales son poderosos relajantes musculares (Química Orgánica 4ª. Edición pg. 440). 70 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Ejercicios (Unidad 1 - Capítulo 2). 1. La estructura del ácido 2-propenosulfónico es: a) H3C-CH2-CH2-SO3H; b) H2C=CH-SO3H; c) H2C=CH-CH2-SO3H; d) H3C-CH=CH-SO3H 2. El nombre del compuesto H3C-CH2-CH2-CH2-SO3H es: a) ácido propanosulfónico b) ácido butanosulfónico c) ácido pentanosulfónico d) sulfonato de butilo 3. Terminar las siguientes reacciones: a) BrCH2CH2CH2 Br + Na2SO3 H3O+ ; b) H3C + SO3 H2SO4 4. Justificar, en base al fenómeno de resonancia, las siguientes observaciones sobre acidez y basicidad de los compuestos orgánicos. a) Los ácidos carboxílicos R-COOH tienen un carácter ácido mucho más acusado que el de los alcoholes R-OH, si bien en ambos casos la reacción de acidez consiste en la ruptura de un enlace O-H. b) Las aminas aromáticas, por ejemplo la anilina C6H5-NH2, son mucho menos básicas que las aminas alifáticas, por ejemplo la metilamina H3C-NH2 71 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA 5. Marcar los sistemas aromáticos de los siguientes compuestos: 72 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Capítulo 3. Sales de diazonio, Ácidos dicarboxílicos, Otros derivados Lección 15. Sales de diazonio Sales de Diazonio. 3.1. Propiedades, preparación. La sales de diazonio son llamadas así por tener dos átomos de nitrógeno y por analogía con el nombre de los compuestos del amoniaco. Las aminas primarias reaccionan con el ácido nitroso (HNO2) para formar sales de diazonio las cuales son importantes intermedios en muchas reacciones de sustitución de moléculas aromáticas. El ácido nitroso es una fuente del agente nitrosante N2O3, sobre el que la amina ataca nucleófilamente. Una serie de pasos de transferencia protónica seguidos por pérdida de agua conducen al ión diazonio (Química Orgánica, Stanley H. Pine, cuarta edición, pg. 439): .. R N H2 + R N H2 + O N N O O N + O R NH R N H2 N O + N O + NO2 + H N-Nitrosoamina R NH N O R N N OH R N N OH + + H .. R N .. N + + OH2 R N N: + H2O Ión diazonio Cuando el nucleófilo es una amina secundaria, puede aislarse la N-nitrosoamina. Por lo general casi todas las N-nitrosoaminas presentan actividad carcinógena por lo que deben manejarse cuidadosamente. Las aminas terciarias forman sales nitrosoamónicas inestables que se descomponen en una variedad de productos. Las sales de diazonio alifáticas son muy inestables, pierden fácilmente nitrógeno gaseoso para dar los productos esperados de un carbocatión intermedio. El ácido nitroso es inestable y normalmente se genera en el medio de la reacción a partir de nitrito sódico y ácido acuoso, Por ejemplo: 73 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA + HCl/H2O C6H5NH2 + NaNO2 C6H5 N N : Cl 0 oC Anilina Cloruro de Bencenodiazonio El cloruro de bencenodiazonio obtenido es una sal iónica que se disuelve fácilmente en agua, por esta razón en solución acuosa esta sal se encuentra disociada totalmente; no se disuelve en éteres ni tampoco en otros disolventes orgánicos. En forma seca, es un cristal sólido y muy sensible a los golpes y si se calienta un poco explota con gran fuerza (Advaced Organic Chemistry, tomo II pg. 255). Para obtener compuestos sólidos se toma una mezcla de un nitrito orgánico y de un ácido orgánico en éter. En este proceso, la sal de diazonio como no es soluble en éter, se precipita: + C6H5 NH3 Cl + Éter n-C4H9ONO + CH3COOH + C6H5 N N Cl + CH3COOC4H9 - n En terminos generales el proceso de diazotación de aminas (preparación de mezclas para la obtención de sales de diazonio), el esquema de reacción es el siguiente: Ar NH2 3HCl + + NaNO3 En agua; 0 oC + Ar N2 Cl + NaCl + HCl + 2H2O Los productos intermedios de esta reacción son N-compuestos nitrosos y los productos finales se obtienen por la interacción del ácido nitroso con aminas secundarias, el mecanismo es el siguiente: + + C6H5 H N H Cl C6H5 HONO H H + N N H O Cl C6H5 N N OH Cl H + C6H5 N N Cl - H2O Cloruro de Bencenodiazonio El anterior mecanismo fue demostrado cuando se determinó que el orden de la reacción depende de la concentración del ácido. De esta forma a altas concentraciones del 74 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA ácido, la velocidad de reacción v corresponde a una reacción de tercer orden (Advaced Organic Chemistry, tomo II pg. 255) : V = k3 [H +] [HNO2] [Ar NH2 ] En este caso se supone que el proceso transcurre a través de las etapas 1-3: H+ + H2NO2 + HNO2 + ArNH2 + Rápida Lenta H 2NO2 (1) Ar NHNO + H + + H2O (2) + Ar NHNO Rápida Ar N NOH Rápida Ar N N + OH (3) A bajas concentraciones del ácido mineral el agente de nitrosación es el anhídrido nitroso el cual se forma del ácido nitroso en la etapa 4 y el cual determina la velocidad general de la reacción: 2HNO2 N2O3 N2O3 + ArNH2 ArNHNO + H2O (4) + HNO2 (5) Rápida 3.2. Reacciones. Con bases. Cuando agregamos una base a una solución bien enfriada de cloruro de becenodiazonio, esta sal al comienzo se transforma en un hidróxido + [C6H5 N N ] OH y luego se isomeriza en un ácido. Este ácido que posee propiedades ácidas débiles, con el metal se transforma luego en un diazotato: 75 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA + C6H5 N KOH OH N C6H5 N N OH C6H5 N N OK Ácido bencenodiazónico Bencenodiazotato de potasio (Hidrato de bencenodiazonio) Reacción de acoplamiento. Las sales de aril diazonio son electrófilos efectivos frente a compuestos aromáticos activados. Esta reacción, conocida como acoplamiento, es de gran utilidad para la preparación de arilazofenoles y arilazoaminas. El producto principal resulta normalmente del acoplamiento en posición –para respecto al sustituyente activante, y es un compuesto muy conjugado, coloreado: NaNO2/HCl/H2O NH2 C6H5OH + N N : Cl N OH N NaOH/H2O/ 0 oC Anilina p- Hidroxiazobenceno Cloruro de Bencenodiazonio (Color naranja) HO3S NH2 NaNO2/HCl/H2O C6H5 N(CH3)2 + HO3S N N : Cl HO3S N N 0 oC Ácido p- aminobencenosulfónico (Ácido sulfanílico) N(CH3)2 Ácido 4´- dimetilaminoazobenceno-4-sulfónico * (Naranja de metilo) + N N : BF4 Tetrafluoroborato de bencenodiazonio + N(CH3)2 N,N- Dimetilanilina NaOAr 0 oC N N N(CH3)2 p-N,N-Dimetilaminoazobenceno (Color amarillo) ________________________ * Si dos anillos aromáticos diferentes tienen sustituyentes, se usan primas (`) para designar los sustituyentes de uno de ellos 76 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Esta reacción de acoplamiento de sales de diazonio fue de interés como fuente de colorantes en los primeros tiempos de la química orgánica. Hoy en día más de la mitad de las materias colorantes fabricadas son del tipo azo. Ácidos dicarboxílicos. Lección 16. Ácidos dicarboxílicos 3.3. Estructura, Propiedades físicas. Un ácido dicarboxílico, algunas veces nombrado diácido, es aquel compuesto de estructura carbonada que contiene dos grupos carboxilos -COOH. Su fórmula es HOOC-R-COOH, R puede ser un grupo alquilo, alquenilo, alquinilo o arilo. Los ácidos dicarboxílicos poseen especial relevancia en el metabolismo de las células. En la industria estos compuestos se emplean para preparar copolímeros como el nilon, poliésteres y poliamidas. Los puntos de fusión de los ácidos dicarboxílicos son muy altos, (ver tabla 4), mayores que la de sus respectivos ácidos con un solo grupo carboxilo, esto se debe a que teniendo estos compuestos dos grupos carboxilos por molécula, las fuerzas de los puentes de hidrógeno son mucho más fuertes, que si solo tuviesen un sólo grupo, por esto se necesita de una mayor temperatura para romper la red de puentes de hidrógeno en el cristal y fundir el diácido. Tabla 4. Nombre común Oxálico Nombre IUPAC ácido etanodioico Fórmula Fórmula estructural HOOC-COOH p.f., °C 189,5 d Malónico Succínico Glutárico Adípico ácido propanodioico ácido butanodioico HOOC-(CH2)COOH HOOC-(CH2)2COOH 135,6 ácido pentanodioico ácido hexanodioico HOOC-(CH2)3COOH HOOC-(CH2)4COOH 97−98 185−187 153 77 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Nombre IUPAC ácido heptanodioico Fórmula HOOC-(CH2)5COOH 105 Subérico ácido octanodioico HOOC-(CH2)6COOH 142 Azelaico ácido nonadioico HOOC-(CH2)7COOH 106,5 Sebácico ácido decadioico HOOC-(CH2)8COOH 134,5 Ftálico ácido beceno1,2dicarboxílico (o-ácido ftálico) C6H4(COOH)2 191 Isoftálico ácido beceno1,3dicarboxílico (m-ácido ftálico) ácido beceno1,4dicarboxílico (p-ácido ftálico) C6H4(COOH)2 - C6H4(COOH)2 - Nombre común Pimélico Tereftálico Fórmula estructural p.f., °C Acidez. Comparando las magnitudes pKa de los ácidos propiónico, acrílico y benzoico de la Tabla 5, (ácidos con un solo grupo carboxílico), vemos que los efectos inductivos de los grupos vinílico y fenil son aproximadamente iguales. En el caso de los diácidos alifáticos y aromáticos los resultados son diferentes. 78 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA La combinación directa de dos grupos carboxílicos, debido a que cada grupo atrae con fuerza a los electrones, como en el ácido oxálico (HOOC-COOH), hace que su acidez aumente fuertemente. Este efecto es aún mayor si los dos grupos carboxílicos se encuentran separados por un grupo metílico, como es el caso del ácido malónico (HOOC-(CH2)-COOH), sin embargo el efecto desaparece casi por completo si entre los grupos se encuentran dos átomos de carbono como ocurre en el ácido succínico (HOOC-(CH2)2-COOH). En los diácidos aromáticos, la influencia de un grupo carboxílico sobre otro se transmite especialmente a través de los átomos de carbono que se encuentran en el anillo de estos compuestos (Advanced Organic Chemistry, pg. 425): Tabla 5. Fórmula Ácido Propiónico pKa 4,88 CH3 CH2 COOH 4,17 Benzoico COOH Oxálico Malónico Succínico 1,46 COOH COOH HOOC CH2 COOH HOOC (CH2)2 COOH 2,80 4,17 3,0 Ftálico COOH COOH 3,8 Isoftálico COOH COOH 3,82 Tereftálico HOOC COOH 79 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Un efecto interesante de interacción entre los dos grupos carboxílicos se presenta en los ácidos maleico y fumárico. En el ácido en el cual los grupos están en posición sis(ácido maleico), los dos grupos carboxílicos se encuentran mucho más cerca uno del otro que cuando se encuentran en la posición trans- (ácido fumárico), por eso el primer ácido es mucho más fuerte que el segundo. Sin embargo cuando el ácido sis- (ácido maleico) pierde su primer protón, la carga negativa del residuo de este grupo carboxílico, y el cual se encuentra más cerca del segundo grupo, que en el ácido trans- (ácido fumárico), dificulta la separación del segundo protón. Por esta razón, los ácidos trans- tienen menores valores de sus pKa´´ que los ácidos sis- y la diferencia entre pKa´ y pKa´´ para ellos es menor que para los ácidos sis- : H C COOH H C COOH Ácido maleico (pKa´ = 1,9; pka´´ = 6,5) H C COOH HOOC C H Ácido fumárico (pKa´ = 3,0; pka´´ = 4,5) La reactividad química de los ácidos dicarboxílicos es semejante a la de los ácidos monocarboxílicos, sin embargo la ionización del segundo grupo carboxílico es más difícil que la del primero, debido a que se requiere una mayor energía para disociar el protón (H+) del anión que porta dos cargas negativas que de aquél que sólo posee una carga como en el caso de los ácidos con un solo grupo carboxilo. 3.4. Nomenclatura. Los nombres comunes de estos ácidos se emplean con más frecuencia que sus nombres sistemáticos. En la Tabla 4 aparecen los nombres de algunos ácidos dicarboxílicos simples. En el sistema IUPAC las reglas para nombrar estos ácidos son las mismas que las establecidas para los ácidos con un solo grupo carboxilo, sin embargo en el caso de compuestos con dos grupos se utiliza el sufijo –dioico o dicarboxílico, precedidos de la palabra ácido, ejemplo los ácidos propanodioico, butanodioico y 1,2bencenodicarboxílico: 80 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA ácido propanodioico ácido butanodioico ácido 1,2-bencenodicarboxílico 3.5. Fuentes, preparación, Reacciones La introducción de un grupo –COOH en un compuesto carbonílico o carboxílico puede hacerse por los métodos generales de creación o empalme. Algunos de estos métodos se utilizan sólo para síntesis finas y otros para fabricación a gran escala. El éster acetilacético y el éster malónico son compuestos muy importantes y los ácidos fumárico, adípico y adiponitrilo, ftálico y tereftálico se producen a gran escala. Los siguientes son ejemplos de algunos de los procesos que permiten introducir el grupo COOH en moléculas. a. Cianuros: El cianuro de hidrógeno, el cianuro potásico y el cianuro cuproso permiten introducir el grupo -COOH en moléculas que contengan los grupos carbonilo o carboxilo o formar un dinitrilo. El HCN se adiciona a ésteres α-β-insaturados (éster acrílico o derivados) formando nitriloésteres que se hidrolizan a ácidos 1,4- dicarboxílicos (Química Básica y Aplicada. pg 683), por ejemplo: H R CH CH COOEt HCN Derivado acrílico R-C-CH2- COOEt C N H+ H2O H + R-C-CH2- COOH + NH4 + Et OH COOH b. Síntesis acetilacética. Mediante esta síntesis pude diseñarse métodos para obtener un determinado ácido dicarboxílico; para ello se utiliza un sustituyente que contenga las funciones carbonilo o éster, por ejemplo: 81 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA H H CH3 CH3 varios C EtOOC + COOEt Br CH COOEt CH2 CH COOH pasos COOH Fuentes, preparación y reacciones de algunos ácidos dicarboxílicos específicos. Ácido oxálico. Origen y producción. El ácido oxálico se encuentra en estado natural en forma de oxalato de potasio o de calcio en las raíces y rizomas de muchas plantas, como la acedera, el ruibarbo, la remolacha y las plantas de la familia Oxalis. El compuesto químico puro fue descubierto en 1776 por el químico Carl Wilhelm Scheele en el proceso de oxidación del azúcar por el ácido nítrico. Por eso a este ácido se le llama también “ácido de azúcar”. Friedrich Wöhler sintetizó este producto natural en 1824 y marcó el inicio de la síntesis química de productos naturales y la destrucción de las doctrinas de la fuerza vital, que separaba el reino mineral drásticamente del reino vegetal o animal (Advanced Organic Chemistry). Fabricación industrial La oxidación de los carbohidratos, en particular el almidón, produce ácido oxálico, el cual se transforma a menudo en su sal de potasio. También se puede obtener este ácido con monóxido de carbono e hidróxido de sodio. Otro método consiste en calentar el formiato de sodio. De forma industrial, el ácido oxálico se obtiene mediante dos oxidaciones sucesivas, utilizando ácido nítrico y el oxígeno del aire en presencia de un catalizador. Otro método industrial de obtenerlo es a partir de metanoato de sodio en dos pasos: 82 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA 400 oC 2 HCOONa Metanoato de sodio NaOOC-COONa NaOOC-COONa H2 (1) Oxalato sódico H2SO4 + Oxalato sódico + HOOC-COOH + Na2SO4 (2) Ácido sulfúrico Reacciones. El ácido oxálico en solución acuosa libera dos cationes hidrógeno por molécula, su grado de ionización es del 60%, es muy ácido y también muy venenoso. Reacciona violentamente con agentes oxidantes fuertes y se deshidrata de forma intramolecular en medio ácido: HOOC-COOH + CO CO2 + H2O Ácido oxálico Reacciona con bases formando oxalatos: HCOO-COOH Ácido oxálico + 2 NaOH Hidroxido de sodio NaOOC-COONa + 2H2O Oxalato de sodio Ácido malónico. Su nombre deriva de la palabra latina malum que significa manzana. Su sal cálcica se encuentra en la raíz de la remolacha. Una preparación clásica del ácido malónico es a partir del ácido acético. Este ácido es clorado a ácido cloroacético. A continuación con carbonato sódico se genera la sal sódica. Ésta se hace reaccionar con cianuro sódico obteniendo el cianoacetato a través de una sustitución nucleofílica donde el CN- reemplaza al átomo de cloro. El grupo 83 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA ciano puede ser hidrolizado con hidróxido de sodio a carboxílico. El malonato de sodio resultante es acidificado obteniendose el ácido malónico: Cl Na2CO3 H2C NaCN H2C H2C COONa COOH NaOH aq. CN Cl COONa H2C COONa H2C COONa COOH COO CaCl2 aq. Ca +2 HCl COO H2C COOH Reacciones. El ácido malónico forma diferentes compuestos a través de sus dos grupos carboxílicos: ésteres, nitrilos, amidas, cloruros de acilo. Por ejemplo, dependiendo de las condiciones de la reacción, al agregar al ácido malónico SOCl2, se obtiene el cloruro de acilo mono sustituido, ClCOCH2COOH, o el disustituido ClCOCH2COCl. A temperaturas mayores que la de su punto de fusión o en soluciones acuosas a más de 70 °C, el ácido malónico fácilmente se descarbox ila transformadose en ácido acético: HOOC-CH2-COOH Por analogía cualquier diácido → CH3 COOH + CO2 de la forma RCH(COOH)2 se descarboxila, transformandose en un ácido monocarboxílico: R-CH (COOH)2 → R-CH2COOH + CO2 Otro tipo de reacción es la bromuración, este ácido se convierte en ácido bromo- o dibromomalónico: HOOC-CH2-COOH + Br2 → HOOC-CHBr-COOH + HBr HOOC-CHBr -COOH + Br2 → HOOC-CBr2-COOH + HBr 84 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA El ácido malónico reacciona con el ácido nitroso HNO2 oxidándose en ácido mesoxálico: HOOC-CH2-COOH + HNO2 → OC(COOH)2 Una reacción bien conocida del ácido malónico es la de condensación con la urea para obtener el ácido barbitúrico, sus ésteres, y en particular el malonato de etilo son utilizados para llevar a cabo reacciones de síntesis malónica. Ácido Ftálico. Comúnmente es llamado ácido ftálico al ácido orto-ftálico, el cual junto con el ácido tereftálico tiene gran significado en la industria. La mayor parte de éstos ácidos se utilizan en la elaboración de resinas y fibras sintéticas. Las sales y los ésteres de los ácido ftálicos reciben el nombre de ftalatos. En general bajo el nombre de ácidos ftálicos se entiende los tres isómeros del ácido bencenodicarboxílico a saber: Ácido benceno-1,2-dicarboxílico (ácido ftálico, o-ftálico) Ácido benceno-1,3-dicarboxílico (ácido isoftálico, m- ftálico) Ácido benceno-1,4-dicarboxílico (ácido tereftálico, p- ftálico) El ácido o-ftálico durante mucho tiempo fue producido a través de la oxidación del naftaleno. Hoy en día sin embargo se produce utilizando como materia prima al o-Xileno (o-dimetilbenceno). De igual forma son utilizados los compuestos m- Xileno (mdimetilbenceno) y p- Xileno (p-dimetilbenceno) en la producción de los ácidos isoftálico y tereftálico respectivamente: COOH CH2 CH3 4S; H2O S 2S; 3H2O -3H2S CO -3H2S COOH CH3 o-xileno Tioftalida H3C CH3 O2;Co-Mn ácido o- ftálico - 80% HOOC COOH -H2O p-xileno ácido p- ftálico 85 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA El o-xileno reacciona más rápido que sus isómeros y se transforma en ácido o-ftálico con un rendimiento de hasta 80%. El producto intermedio es la tioftalida y debido a que este proceso es inverso, la tioftalida puede obtenerse como producto principal, enfriando la mezcla reaccionante bajo presión de ácido sulfhídrico. Mediante el proceso de oxidación del p-xileno y del m-xileno usando oxígeno y en presencia de cobalto-manganeso como catalizador, obtenemos los ácido p-ftálico y mftálico respectivamente. Otros derivados. Lección 17. Otros derivados 3.6. Urea y barbituratos. La urea también llamada diamina del ácido carbónico o también carbamida, es un compuesto cristalino bipolar e incoloro, cuya fórmula es CO(NH2)2. Se encuentra abundantemente en los riñones y en la materia fecal. Es el principal producto terminal del metabolismo de proteínas en el ser humano y en los demás mamíferos. La orina humana contiene unos 20g por litro, y un adulto elimina de 25 a 39g diariamente. La urea fue descubierta en la orina in 1727 por Herman Boerhaave, aunque también este descubrimiento a menudo se le atribuye a Hilaire Roulle. En 1828, el químico alemán Friedrich Wöhler observó que al calentar una solución acuosa de la sal inorgánica cianato de amonio, se obtenía urea, idéntica a la que segregaban los riñones: NH4OCN → (NH2)2CO La importancia de esta reacción radicó en que fue la primera vez que una sustancia orgánica fue sintetizada artificialmente a partir de sustancias inorgánicas sin que ningún organismo vivo tomase parte en el proceso. De esta forma quedó enterrado el pensamiento de que solo la fuerza viva „vis vitalis“ podía sintetizar sustancias orgánicas. Este acontecimiento fue importantísimo para el desarrollo de la química orgánica. Por esto Wöhler es considerado el padre de la química orgánica. La urea es producida industrialmente en grandes cantidades. Los países productores de gas natural obtienen la urea en grandes instalaciones utilizando como materia prima gas natural, aire y agua. 86 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA La urea es soluble en agua y en alcohol y ligeramente soluble en éter. Al hidrolizarse se obtiene amoniaco y dióxido de carbono: (NH2)2CO + H2O → 2NH3 + CO2 Usos. Son múltiples los usos que tiene la urea. Uno de los usos más importantes es el de los abonos, este producto es utilizado a nivel mundial gracias a su alta concentración de nitrógeno (46,62%). El en campo de los cosméticos esta sustancia es usada como un factor hidratante gracias a su alta capacidad para retener agua. En la medicina la urea se hace presente en muchas recetas médicas como por ejemplo en altas concentraciones (40%) y en combinación con el fungicida antimykotikum es utilizada para combatir hongos de pies y uñas. La urea se usa en los procesos de reducción catalítica selectiva para reducir los altamente contaminantes óxidos de nitrógeno contenidos en los gases producidos por los motores de combustión. Mediante este proceso a altas temperaturas son producidos radicales NH2 los cuales reducen el monóxido de nitrógeno a nitrógeno N2: (NH2)2CO + H2O → 2NH3 + CO2 4 NO + 4 NH3 + O2 → 4 N2 + 6 H2O Manipular la urea es mucho más fácil y menos peligrosa que lo es el amoniaco. Por esta razón en la práctica se usa más este producto que el amoniaco para reducir los oxidos venenosos de nitrógeno obteniéndose nitrógeno y agua, compuestos que no son contaminantes. Reacciones. 1. nucleofílica. La capacidad reactiva de la urea es característica de las amidas: los dos átomos de nitrógeno son nucleófilos, es decir la urea forma sales con ácidos fuertes, en los procesos de nitruración y halogenación se obtienen compuestos N-nitrourea y derivados N-halogenuros respectivamente. La urea se alquila formando compuestos de la forma RNHCONH2 y al reaccionar con aldehídos forma derivados sustancias con estructura RC(OH)NHCONH2. En condiciones especiales la urea se acila con cloruros de ácidos carboxílicos formando ureídos: RCOCl + NH2CONH2 RCONHCONH2 + HCl 87 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA La reacción de la urea con ácidos dicarboxílicos y sus derivados como ésteres, lleva a la formación de ureídos cíclicos, este proceso se utiliza ampliamente en la síntesis de compuestos heterocíclicos, por ejemplo al reaccionar ácido malónico con urea se obtiene la trioxipirimidina, compuesto heterocíclico derivado del ácido barbitúrico el cual es ampliamente utilizado en la preparación de somníferos: Ácido malónico urea 1,3,5-trioxipirimidina 2. Electrofílica. El átomo de carbono de la urea es un electrofílico débil, sin embargo los alcoholes son capaces de desplazar el amoniaco de la urea formando uretanos (sustancias derivados de alcoholes): NH2CONH2 + ROH NH2COOR + NH3 A este tipo de reaccion pertenece también la interacción de la urea con aminas: RNH2 + NH2CONH2 RNHCONH2 + NH3 Barbituratos. Los barbituratos son derivados del ácido barbitúrico pero no son sales ni ésteres. Estas sustancias son drogas que actúan como sedantes del sistema nervioso y producen efectos como el de sedación y anestesia, su estructura es: O O HN O HN NH O O O R1 Molécula del ácido barbitúrico NH R2 Barbiturato En la siguiente tabla se dan algunos barbituratos formados al sustituir el quinto átomo de carbono del anillo del ácido barbitúrico por los grupos R1 y R2.: 88 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Nombre Estructura Ácido barbitúrico Alobarbital -CH2 CH R1 R2 -H -H CH2 -CH2 CH CH2 Amobarbital -C2H5 -(CH2)2-CH-(CH3)2 Barbital -C2H5 -C2H5 Butabarbital -C2H5 -(CH)-CH3-C2H5 Butalvital Barbiturato -CH2 CH CH2 -CH2-CH-(CH3)2 Si en el segundo carbono del anillo se encuentra en un átomo de azufre unido a éste, entonces estos derivados reciben el nombre de tiobarbituratos, por ejemplo: Nombre Estructura Tialbarbital R1 -CH2 CH CH2 R2 -C6H9 (Ciclohexenil-1) Tiobarbital -C2H5 -C2H5 Tiopental -C2H5 -CH-CH3-C3H7 Tiobarbiturato Los barbituratos se sintetizan a partir de los esteres (di) sustituidos del ácido malónico a través de la condensación con urea o con diciandiamidas. 89 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA 3.7 Fosgeno, Cianamida, Isocianatos Fosgeno. El fosgeno es llamado también dicloruro de carbonilo u oxicloruro de carbono. Su fórmula química es COCl2, es un gas altamente venenoso, generalmente incoloro y no inflamable, tiene un olor dulce a cáscara de banano podrida, o también similar al del heno recién cortado. Es una sustancia química artificial, aunque en la naturaleza son formadas pequeñas cantidades a partir de la degradación de compuestos del cloro. Se usa en la creación de tinturas, isocionatos, policarbonatos, cloruros ácidos, plaguicidas y , en otro orden de cosas, algunos medicamentos. Además es usado en la separación de algunos minerales. Este gas altamente venenoso fue usado como arma química en la Primera Guerra Mundial. A temperatura ambiental el fosgeno es un gas, pero (en menor medida) también puede ser almacenado en estado líquido, bajo presión o refrigeración. El fosgeno se disuelve bien en disolventes orgánicos como el benceno, tolueno y clorobenceno entre otros; también se disuelve en agua produciendo dióxido de carbono y ácido clorhídrico. Por esta razón para la síntesis de esta sustancia es necesario utilizar solventes orgánicos libres de agua. La siguiente reacción corresponde a la hidrólisis del fosgeno: COCl2 + H2O CO2 + 2HCl Fosgeno Usos: El fosgeno es un importante producto para la síntesis del cloruro de ácido carbónico, poliuretano y de policarbonatos (PC, por ejemplo para la fabricación de CDs) y de otros productos intermedios los cuales sirven para la fabricación de medicamentos, colorantes e insecticidas. Obtención. El fosgeno se obtiene a partir de dos gases venenosos, el monóxido de carbono y el cloro en presencia de carbón activo como catalizador; la reacción es de oxidoreducción: CO + Cl2 COCl2 El carbono pasa de número de oxidación +2 a +4 y el cloro de 0 a -1. 90 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA La reacción es exotérmica motivo por el cual se necesita utilizar un sistema de refrigeración ya que la temperatura podría alcanzar hasta 600 °C y por encima de los 300 °C, el fosgeno se descompone en monóxido de car bono y cloro. El monóxido de carbono tiene que estar en exceso para garantizar que todo el cloro reaccione y evitar un incendio y tiene que estar libre de hidrógeno para evitar una explosión del cloro. En el laboratorio puede ser obtenido a partir del tetraclorometano en una nube de ácido sulfúrico („Oleum“): H2SO4 + SO3 + CCl4 2HSO3Cl + COCl2 Reacciones. Síntesis de ácido clorhídrico: El fosgeno es también utilizado en la síntesis de ácido clorhídrico y dióxido de carbono a partir de ácidos carboxílicos: RCO2H + COCl2 → RC(O) Cl + HCl + CO2 Síntesis de isocianatos: La síntesis de isocianatos a partir de aminas muestra el carácter electrofílico de este reactante: RNH2 + COCl2 → RN=C=O + 2 HCl; (R= alquilo, arilo) El fosgeno reacciona enérgicamente con el amónico formando carbamida COCl2 + 4NH3 → (NH2)2CO) (Carbamida) + 2NH4Cl Cianamida. La cianamida es una sustancia con alta actividad y de formula CN2H2. Es cristalina, higroscópica, inodora e incolora, es inflamable y tóxica; se disuelve fácilmente en agua (850 g·l−1 a 25 °C) y en solventes orgánicos. Este compuesto es ampliamente utilizado en la agricultura como producto fitosanitario (pesticida) y en la producción de 91 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA farmacéuticos y de otros compuestos orgánicos. La cianamida contiene a la vez dos grupos funcionales: el amino y el cianuro. Los derivados de este compuesto son también referenciados como cianamidas y el más común de ellos es la cianamida de calcio (CaCN2). Al calentarla se polimeriza. Obtención. La cianamida puede ser obtenida hidrolizando la cianamida de calcio en presencia del dióxido de carbono mediante el proceso de Frank-Caro: Si se deja reaccionar al cloruro de cianógeno (ClCN) con el amoniaco, se obtiene la cianamida, la cual se encuentra en equilibrio con la carbodiimida: Isocianatos. Los isocianatos orgánicos son compuestos químicos que contienen el grupo funcional R-N=C=O. Se forman a partir de la amina y fosgeno(O=CCl2) y son químicamente muy reactivos. La síntesis transcurre en dos etapas y en cada una de ellas hay desprendimiento de ácido clorhídrico: RNH2 + COCl2 → RN=C=O + 2 HCl; (R= alquilo, arilo) Otras alternativas de síntesis es a través de la carbonilación catalítica de compuestos nitro, como por ejemplo de aminas o la conversión de aminas primarias con Di-tertbutildicarbonato (Diboc) en presencia de 4-(Dimetilamino)-piridina (DMAP). Los isocianatos son productos de partida en diversos procesos químicos, entre otros para la obtención de los poliuretanos. Los uretanos son una clase de compuestos que tienen en común el grupo carbamidato R–NH–C(=O)–O–R'. Las reacciones más importantes del grupo isocianato son las reacciones de adición. Por ejemplo al reaccionar con alcoholes forman uretanos, con las aminas se obtienen derivados de la urea y con agua se producen ácidos carbamídicos sustancias que son químicamente inestables y las cuales se descomponen directamente en aminas; los procesos son los siguientes: 92 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Formación de uretanos: R-NCO + R´-OH R- NHC (O)O-R´ Formación de derivados de la urea: R-NCO + R´-NH2 R- NHC (O) NH -R´ Reacción con agua: R-NCO + H2O R- NHC OOH R- NHC OOH R NH2 + CO2 Los isocianatos se pueden dimerizarse en una reacción de equilibrio en presencia de la un catalizador como la piridina la cual acelera la reacción: Lección 18. Cetoácidos 3.8 Cetoácidos. 3.8.1. Estructura y propiedades. Los cetoácidos son ácidos orgánicos que contienen un grupo funcional cetona y un grupo carboxílico. Entre los cetoácidos se encuentran: Los alfa-cetoácidos, o 2-oxoácidos, como por ejemplo el ácido pirúvico, que tienen el grupo cetona adyacente al de ácido carboxílico: 93 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Ácido pirúvico Los beta-cetoácidos, o 3-oxoácidos, tienen el grupo cetona en el segundo carbono contando a partir del grupo carboxílico, por ejemplo el ácido acetoacético: Ácido acetoacético Los gamma-cetoácidos, o 4-oxoácidos, como por ejemplo el ácido levulínico, tienen el grupo cetona en el tercer carbono contando a partir del grupo carboxílico: Ácido levunílico Las propiedades de estos ácidos están marcadas por la distancia entre los dos grupos funcionales. La distancia se identifica a menudo por las letras griegas (α-vecino o cercano, β-contínuo = 1,3-distancia etc.). Los alfa-cetoácidos tienen especial importancia en la biología ya que toman parte en el ciclo de Krebs (también llamado ciclo del ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílico) y en la glucólisis. 3.8.2. Preparación. Los aminoácidos pueden ser desaminados enzimaticamente para obtener alfacetoácidos. Estos ácidos son ante todo utilizados como fuente de energía, ejemplo de ello es el 2-oxoglutarato que es un intermediario en el ciclo de Krebs; ellos también toman parte en la síntesis de los ácidos grasos, dichas reacciones se llevan a cabo en el hígado de los mamíferos. 94 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Por el método de oxidación en seco de alcoholes terciarios se puede sintetizar cetoácidos. Por ejemplo, el bencenocarbinol obtenido de la ciclohexanona da un buena buena producción de ácido δ-benzoilovalérico (Temp. fusion 78 °C) (Advanced Or ganic Chemistry, pg 353,tomo I): CH2 C6H5 CrO3; CH3COOH C6H5MgBr CH2 C6H5--CO CH2 O 81% OH Ciclohexanona HOOC CH2 ácido δ-benzoilovalérico bencenocarbinol De forma exitosa también se pueden obtener cetoácidos por el método de acilación de Friedel-Crafts. Esto se logra reaccionado hidrocarburos aromáticos con cualquier anhídrido cíclico. Ejemplos: O CH2 C O H AlCl3 (2,2 eq.) O CH2 C C CH2--CH2--COOH 92-95% O Anhídrido succínico ácido γ-bencil-γ-cetobutírico (en exceso) O C O O C H C AlCl3 (2,6 eq.) 88% COOH O Anhídrido ftálico Benceno en (exceso) Ácido o-benzoilobencénico Los γ-cetoácidos obtenidos por este método son sustancias importantísimas utilizados en numerosas síntesis. 95 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Lección 19. Hidroxiácidos 3.9. Hidroxiácidos. Los hidroxiácidos son ácidos carboxílicos que contienen a la vez como mínimo un grupo carboxílico y también uno o más grupos hidroxilo: O OH HO Estos compuestos poseen todas características propias de los ácidos (se disocian, forman sales y ésteres etc.) y también todas las características de los alcoholes (se oxidan, forman éteres etc.). Estas sustancias se encuentran ampliamente difundidas en la naturaleza. A los hidroxiácidos pertenecen los ácidos glicólico (de la caña de azúcar) tartárico (de la uva), cítrico (de las frutas cítricas), málico (de la manzana), láctico (de la leche ácida) y muchos otros ácidos naturales los cuales en su mayoría han tomado los nombres de las fuentes en donde fueron hallados. Los hidroxiácidos se utilizan en la dermatología en diferentes indicaciones terapéuticas aunque su uso más extendido es en el fotoenvejecimiento cutáneo (tratamiento del rejuvenecimiento de la piel). Estos compuestos pueden ser transformados en ésteres llamados lactonas. Especialmente las δ- и γ- lactonas se obtienen de forma fácil y son estables: α δ CH2 CH2 γ CH2 OH γ-Hidroxiácido COOH H -H2O CH2 CH2 CH2 O C O γ-Lactona 96 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA 3.10. Preparación. La conversión de α–dicetonas en α–hidroxiácidos se conoce como transposición del ácido bencílico. Las aplicaciones de esta transposición se han limitado generalmente a las dicetonas aromáticas en las que no existen átomos de hidrógeno en la posición α asequibles para dar reacciones de condensación, por ejemplo: .. O C6H5-C CC6H5 + :O: :O EtOH KOH HO ∆ OH C(C6H5)2 C :O: O C C C6H5 C(C6H5)2 HO C6H5 OH + H3O O2 C .. .. HOOC C(C6H5)2 Ácido bencílico (Acido 2,2-difenil-2-hidroxietanoico) Los α–hidroxiácidos también se obtienen por hidrólisis de los oxinitrilos y de los haluros de los ácidos carbónicos. Un método para obtener β– hidroxiácidos es a partir de la diazotación de α-aril- βaminoácido (I) en solución acuosa de ácido acético a 0°C; este aminoácido se transforma en β –lactona (II) y al saponificar esta lactona se obtiene un β– hidroxiácido III (Advanced Organic Chemistry, pg. 73, tomo II): C6H5 COOH NaNO2; CH3COOH CO C6H5 C C CH3 CH2NH2 I 56% CH3 O CH2 OH C6H5 COOH C 95% II CH3 CH2OH III Los δ- и γ- hidroxiácidos se preparan por oxidación de cetonas cíclicas con posterior hidrólisis de lactonas (Una lactona es un compuesto orgánico del tipo éster cíclico). 97 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Ejercicios (Unidad 1- Capítulo 3). 1. Dé los nombres comunes y los nombres IUPAC de los siguientes compuestos: a) HOOC-COOH b) HOOC-(CH2)-COOH c) HOOC-(CH2)2-COOH d) HOOC-(CH2)3-COOH e) HOOC-(CH2)4-COOH 2. Escriba las fórmulas estructurales de los siguientes ácidos: a) Azelaico b) Sebácico c) Ftálico d) Isoftálico e) Tereftálico 3. Escriba los productos finales de la siguiente reacción: Ar-NH2 + NaNO2 + HCl 4. Escriba los principales productos de la siguiente reacción: CH3 N-H + NaNO2 + HCl 5. Complete la siguiente reacción: HOOC-CH2-COOH + Br2 98 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Ejercicios y Problemas Unidad Uno 1. Escribir el mecanismo de la reacción del cloruro de benzoilo con agua. 2. Comparar la reactividad de los derivados de los ácidos carboxílicos (carboxilatos, amidas, cloruros de ácido, anhídridos) para los procesos de adición nucleofílicaeliminación. 3. Escribir las fórmulas estructurales de los siguientes compuestos: a) b) c) d) e) N-Metilmetanamina (Dimetilamina) N,N-Dietiletilamina (Trietilamina) 2-Metil-2-propanamina (terc-butilamina) Ciclohexanamina (Ciclohexilamina) Bencenamina (Anilina) 4. Dar los nombres de los siguientes compuestos: a) CH3NH2 – Metanamina (Metilamina) b) (CH3)2N - N,N-Dimetilmetanamina (Trimetilamina) c) (C6H5)2 NH – N -Fenilbencenamina (Difenilamina) d) C6H5CH2 NH2 – Fenilmetilamina (Bencilamina) e) CH3CH2 CH2 NH2 - 1-Propanamina (Propilamina) 5. El grupo -NH2 es un activante del anillo aromático muy potente y orienta a las posiciones orto y para. ¿Por qué, en base a consideraciones ácido-base, la nitración y sulfonación de la anilina es un proceso que requiere condiciones extremas y se obtiene el producto m-sustituido? ¿Qué proceso se sigue para obtener el derivado nitrado o sulfonado en posición para ? 6. Terminar las siguientes reacciones. 99 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA b) a) CH3CHCOOH NH3 (70 eq) ; C6H5-NH2 CH3 NaOH CH3 ? ? NaOH Br 7. Escriba el producto resultante: 8. Indicar qué producto o productos principales se obtendrán en las siguientes reacciones: a) Ácido benzoico (C6H5-COOH) + HNO3 /H2SO4 → b) m - xileno (1,3 – Dimetilbenceno) + H2SO4 → 9. Indicar los reactivos a emplear para realizar las siguientes transformaciones: a) Benceno en anilina (2 pasos) b) Nitrobenceno en m-cloranilina (2 pasos) 10. Predecir el producto principal de las siguientes reacciones: a) óxido de etileno + amoníaco → b) 1,2- ciclohexanodiol + KMnO4 → 100 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA UNIDAD DOS Carbohidratos, aminoácidos y compuestos heterocíclicos Capítulo 1: Carbohidratos. Lección 20. Carbohidratos 1.1. Clasificación. Los carbohidratos llamados también hidratos de carbono, glúcidos, o sacáridos, (que significa azúcar) son moléculas orgánicas compuestas por hidrógeno, oxígeno y carbono. El término "carbohidrato" o "hidrato de carbono" proviene de la nomenclatura química del siglo XIX, porque las primeras sustancias aisladas respondían a la fórmula empírica Cm(H2O)n, (donde m puede ser diferente de n). Estos nombres no son apropiados, ya que estas moléculas no son átomos de carbono hidratados, es decir, no están enlazados a moléculas de agua, sino que constan de átomos de carbono unidos a otros grupos funcionales. Los carbohidratos son sustancias solubles en agua y se clasifican de acuerdo a la cantidad de carbonos o por el grupo funcional aldehído. Estos compuestos al igual que las grasas y en menos medida las proteínas, son la forma biológica primaria de almacenamiento y consumo de energía, por ello son también llamadas biomoléculas energéticas. Los carbohidratos se dividen en monosacáridos, disacáridos, oligosacáridos y polisacáridos. Monosacáridos. Los monosacáridos son los carbohidratos más simples, están formados por una sola molécula es decir, no pueden ser hidrolizados a glúcidos más pequeños. La fórmula química general de un monosacárido no modificado es (CH2O)n, donde n es cualquier 101 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA número igual o mayor a tres, su límite es de 7 carbonos. Los monosacáridos poseen siempre un grupo carbonilo en uno de sus átomos de carbono y varios grupos hidroxilo unidos a los otros carbonos, por esta razón también se pueden considerar como polialcoholes. Estos compuestos son las piezas fundamentales en la estructura de todos los carbohidratos. Los monosacáridos se clasifican de acuerdo a tres características diferentes: la posición del grupo carbonilo, el número de átomos de carbono que contiene y su quirilidad. Si el grupo carbonilo es un aldehído, el monosacárido es una aldosa; si el grupo carbonilo es una cetona, el monosacárido es una cetosa. Los monosacáridos más pequeños son los que poseen tres átomos de carbono, y son llamados triosas; aquellos con cuatro son llamados tetrosas, lo que poseen cinco son llamados pentosas, seis son llamados hexosas y así sucesivamente. Los sistemas de clasificación son frecuentemente combinados; por ejemplo, la glucosa es una aldohexosa (un aldehído de seis átomos de carbono), la ribosa es una aldopentosa (un aldehído de cinco átomos de carbono) y la fructosa es una cetohexosa (una cetona de seis átomos de carbono). Estructura de los monosacáridos. La estructura de los monosacáridos es la siguiente: Cada átomo de carbono posee un grupo hidroxilo (-OH), con la excepción del primero y el último carbono, todos son asimétricos, haciéndolos centros estéricos con dos posibles configuraciones cada uno (el -H y -OH pueden estar a cualquier lado del átomo de carbono). Debido a esta asimetría, cada monosacárido posee un cierto número de isómeros. Por ejemplo la aldohexosa D-glucosa, tiene la fórmula (CH2O)6, de la cual, exceptuando dos de sus seis átomos de carbono, todos son centros quirales, haciendo que la D-glucosa sea uno de los estereoisómeros posibles. En el caso del gliceraldehído (una aldotriosa), existe un par de posibles estereoisómeros, los cuales son enantiómeros y epímeros (1,3dihidroxiacetona, la cetosa correspondiente, es una molécula simétrica que no posee centros quirales). La designación D o L es realizada de acuerdo a la orientación del carbono asimétrico más alejados del grupo carbonilo: si el grupo hidroxilo está a la derecha de la molécula es un azúcar D, si está a la izquierda es un azúcar L. Como los D azúcares son los más comunes, usualmente la letra D es omitida, por ejemplo: 102 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA D-Gliceraldehído L-Gliceraldehído Las fórmulas de proyección de Fischer, son una forma común de representar las moléculas de los monosacáridos. Las proyecciones se dibujan normalmente con una cadena carbonada vertical y el grupo carbonilo lo más próximo posible al extremo superior. Las denominaciones D y L no guardan ninguna relación particular con los signos (+) y (-) de la rotación óptica. Al agregar un grupo –CH-OH a las D-aldosas, partiendo de las triosas y hasta las pentosas, logramos un alargamiento de la cadena: “Árbol estructural” o familia de las D-Aldosas. 103 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA _________________________________ „"Árbol estructural“ de las D-Aldosas. Por adhesión de un grupo - CH–OH, se prolonga la estructura formándose otros monosacáridos (desde Triosas con tres C- hasta Hexosas con seis átomos de C). Se da la dirección de rotación de la luz polarizada con (+) o con (-) de cada una de estas substancias. (1) D-(+)-Gliceraldehído; (2a) D-(-)-Eritrosa; (2b) D-(-)-Treosa; (3a) D-(-)Ribosa; (3b) D-(-)-Arabinosa; (3c) D-(+)-Xilosa; (3d) D-(-)-Lixosa; (4a) D-(+)-Alosa; (4b) D-(+)-Altrosa; (4c) D-(+)-Glucosa; (4d) D-(+)Manosa; (4e) D-(-)-Gulosa; (4f) D-(-)-Idosa; (4g) D-(+)-Galactosa; (4h) D-(+)-Talosa. (http://de.wikipedia.org/wiki/Monosaccharid#Triosen) Lo mismo ocurre con la cadena carbonada vertical de las Cetosas, ésta se alarga a medida que adherimos un grupo - CH–OH: “Árbol estructural” o familia de las D-Cetosas. 104 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA _________________________________ „Arbol estructural“ de las D-Cetosas. Por adhesión de un grupo - CH–OH, se prolonga la estructura formándose otras cetosas (desde Cetotriosas con tres C- hasta Cetohexosas con seis átomas de C). (1) Dihidroxiacetona; (2) D-Eritrulosa; (3a) D-Ribulosa; (3b) D-Xilulosa; (4a) D-Psicosa; (4b) D-Fructosa; (4c) D-Sorbosa; (4d) D-Tagatosa. (http://de.wikipedia.org/wiki/Monosaccharid#Triosen) 105 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Glucosa y Fructosa. La estructura abierta de la cadena de estas dos hexosas fue deducida a partir de algunos experimentos realizados. Los dos azúcares reducen el reactivo de Fehling* y en consecuencia, son aldehídos o cetonas. Estos dos azúcares reaccionan con el ácido cianhídrico formando cianhidrinas; después de la hidrólisis de estas sustancias y de la reducción por el ácido yodhídrico de los hexaoxiácidos resultantes (en presencia de fósforo rojo), se obtuvo de la glucosa ácido heptanoico y de la fructosa ácido 2metilhexanoico. De esta forma se demostró la presencia del grupo carbonilo en el átomo de carbono C1 de la glucosa y en el carbono C2 de la fructosa (Advanced Organic Chemistry, tomo II, pg. 525): CH2-COOH 1 OH CH2 2 H H CH2 3 OH CHO 1 CH2 OH CH3 C O CH-COOH H CH2 2 H 3 OH 4 H OH CH2 4 H OH CH2 5 H OH CH2 5 H OH CH2 CH2 OH CH3 6 CH2 OH CH3 6 Ácido pentanoico D- Glucosa D-Fructosa Ácido 2-Metilhexanoico ____________________________________________ * (El licor de Fehling consiste en dos soluciones acuosas: 1. Sulfato cúprico cristalizado, 35 g; agua destilada, hasta 1.000 ml. 2. Sal de Seignette (tartrato mixto de potasio y sodio), 150 g; solución de hidróxido de sodio al 40%, 3 g; agua, hasta 1.000 ml. Ambas se guardan separadas hasta el momento de su uso para evitar la precipitación del hidróxido de cobre (II) )(http://es.wikipedia.org/wiki/Reactivo_de_Fehling) La formación de cristales de pentaacetatos demuestra la presencia en los dos azúcares de cinco grupos hidroxilos. Señalamos que la glucosa y la fructosa tienen la misma configuración estereoquímica de los centros de simetría en C3, C4 y C5. Ciclación de la glucosa: La formulación de la glucosa como un pentahidroxialdehído de cadena lineal no justifica todas las reacciones de este azúcar. Muchos datos experimentales de este compuesto pueden explicarse si la glucosa existe en formas cíclicas; estas formas son llamadas hemiacetales y son resultantes de la adición intramolecular de un grupo hidroxilo al grupo carbonilo. La glucosa existe principalmente en forma de dos hemiacetales cíclicos con anillos de seis miembros. Los dos isómeros son diastereómeros que difieren tan 106 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA solo en la configuración del átomo de carbono hemiacetálico, denominado carbono anomérico. Los estereoisómeros de carbohidratos que difieren sólo en la configuración del carbono anomérico se denominan anómeros: Carbono anomérico H OH HO H OH H OH H OH H OH H H OH H OH H O H O CH2 OH α-D-Glucosa CH2 OH β-D-Glucosa Los cristales de la glucosa provenientes de soluciones acuosas se presentan en forma de monohidratos; se ha establecido que los cristales secos de este azúcar provenientes de soluciones con alcohol metílico tienen la α-forma. La medición de la rotación específica de las soluciones acuosas recién preparadas y extrapolando el tiempo a cero, da una magnitud de [α]D = +112°; este valor va disminuyendo progresivamente hasta alcanzar un valor de equilibrio de +52°. Precipitando la glucosa con alcohol etílico, secando y repitiendo la cristalización a partir de la solución de alcohol metílico, se obtiene de nuevo la α- forma de la glucosa con el mismo valor de la rotación específica anteriormente obtenido, [α]D = +112°. La β-forma de la glucosa se puede obtener cristalizando la α- forma disuelta en soluciones de ácido acético. El valor de la rotación específica de la recién preparada solución de la glucosa en β-forma, es de [α]D = +19°; este valor aumenta paulatinamente hasta alcanzar el valor de equilibrio de +52° (Advanced Organic Chemistry, tomo II, pg. 525). La α-forma y la configuración: β-forma, tienen formas cíclicas con la siguiente estructura y 107 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA H H OH H OH OH C H OH H O HO OH H H OH H OH H H OH H OH H OH H O H OH H O CH2 OH CH2 OH CH2 OH α-D-Glucopiranosa D-Glucosa β -D-Glucopiranosa [α]D = +112° [ α]D = +52° [ α]D = +19° Estas estructuras cíclicas llamadas piranosas derivan su nombre por analogía con el heterociclo oxigenado pirano que consiste en un anillo de seis miembros de los cuales cinco miembros son átomos de carbono y un átomo de oxígeno. Si el anillo tiene cinco miembros, se denomina furanosa por analogía con el furano: O Pirano O Furano Una piranosa en la que el grupo hidroxilo OH anomérico en C-1 ha sido convertido a un grupo OR es denominado un piranósido. En solución acuosa las formas α- y β- de los semiacetales cíclicos se transforman mutuamente uno en el otro en una relación de 37α a 63β: CH2OH CH2OH 3 7 α: 6 3 β α-D-Glucopiranosa β -D-Glucopiranosa 108 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Los β -D-Glucopiranosa, son los azúcares más difundidos en la naturaleza, su forma es estable cuando sus sustitutos están orientados en posición ecuatorial. La forma α -DGlucopiranosa, en la cual el hidroxilo anomérico es axial, es menos estable debido a la interacción de este grupo con dos átomos de hidrógeno axiales. Visto de otra forma la inestabilidad de las sustancias α – puede explicarse también por el hecho de que el hidroxilo de la α-forma se encuentra en cis-posición con relación al grupo hidroxilo del carbono C2.,debido a esto, los dos hidroxilos interactúan mutuamente dando menor estabilidad a la α-forma: α-D-Glucopiranosa – forma menos estable (grupos hidroxilos en cis-posición) β -D-Glucopiranosa – forma más estable (grupos hidroxilos en trans-posición) Lección 21. Reacciones 1.2. Reacciones como aldohexosas. Oxidación. La oxidación ha jugado un papel importante en la química y análisis de los carbohidratos. Los azúcares reductores son oxidados por oxidantes suaves, tales como las disoluciones de Benedict y Fehling (reducciones de Cu+2 a Cu+) y el reactivo de Tollens (reducción de Ag+ a Ag °). Algunas de estas reacci ones se utilizan clínicamente para detectar la presencia de azúcar en la orina un síntoma de la diabetes (Química Orgánica, Stanley H. Pine, pag. 777). El primer producto de oxidación de una aldosa es un ácido monocarboxílico conocido como ácido aldónico. El bromo acuoso y el hipoyodito acuoso son los reactivos habituales para la preparación de ácidos aldónicos. Los reactivos de Benedict, Fehling y Tollens oxidan también aldosas (aldehídos) y las 2-cetosas (α-hidroxicetonas) a ácidos aldónicos, pero no se utilizan en la síntesis de estos ácidos: 109 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA CO2H CHO H OH OH H H OH H OH Br2/H2O ó OI/H2O H OH OH H H OH H OH CH2 OH CH2 OH Ácido D-Glucónico D- Glucosa Una oxidación más vigorosa convierte las aldosas o los ácidos aldónicos en ácidos aldáricos, como resultado de la oxidación del aldehído y del grupo hidroxilo terminal. Los ácidos aldáricos se denominan sustituyendo el sufijo –osa del nombre del monosacárido por ácido…-árico: CO2H CHO H OH HNO3 H OH OH H OH H OH H OH H H OH H OH CH2 OH D- Galactosa CO2 H Ácido Galactárico Los ácidos urónicos son aldosas en las que el grupo –CH2 OH terminal se ha oxidado a ácido carboxílico. El carbono aldehído conserva el número 1, y el sufijo –osa de la aldosa original se sustituye por ácido …-urónico. Los ácidos se obtienen normalmente en el laboratorio mediante oxidación con aire de la aldosa con el grupo aldehído protegido, por tratamiento de carbohidratos con enzimas específicas y por reducción con amalgama de sodio de lactonas de ácidos aldáricos. Esto implica la conversión de la lactona en un hemiacetal correspondiente al ácido urónico, por ejemplo: 110 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA OH CHO H OH HC OH H (CH3)2CO/H+ O C(CH3)2 H O OH H O2 Pt -C H OH H OH H OH H OH CH2 OH CH2 OH D- Glucosa 1,2-O-Isopropiliden- D- Glucosa * OH HC CHO O C(CH3)2 H O OH H H H3O+ OH OH H H OH H OH H OH H OH + (CH3)2 CO CO2 H CO2 H Àcido D- Glucurónico 1,2-O-Isopropiliden-Glucosa * * La O en el nombre indica sustitución sobre un átomo de oxígeno hidroxílico O CHO C HO H HO H H H OH H H O H OH H OH H OH CO2 H γ-Lactona de ácido D-manárico Na(Hg) CO2 H Ácido D-manurónico 111 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA 1.2.1 Alargamiento y acortamiento de las cadenas. El alargamiento y acortamiento de la estructura y configuración de monosacáridos se ha llevado a cabo mediante su construcción o degradación carbono a carbono. El método transcurre a través de una serie de homóloga de compuestos que difieren en una unidad de –CHOH–. El método más común para la construcción de una aldosa es el método Fischer-Kiliani, el cual consiste en la formación de una cianhidrina seguida de su hidrólisis y reducción. La reacción del cianuro de hidrógeno con un compuesto carbonílico para dar la cianhidrina es reversible y se utiliza en la química de los carbohidratos para disminuir o aumentar en un átomo de carbono la longitud de la cadena del monosacárido. El que la cadena aumente o disminuya depende del control de equilibrio en la siguiente reacción: OH C O + HCN C CN Acortamiento de la cadena Alargamiento de la cadena Generalmente se utiliza como catalizador una base, y para desplazar la reacción hacia la derecha se utiliza un exceso de cianuro de hidrógeno. Para que la reacción se desplace hacia la izquierda se elimina el cianuro de hidrógeno de la mezcla de reacción (o se le convierte en un ión cianuro). Un ejemplo de alargamiento es el siguiente: CO2 H CO2 H CHO HO H 1) HCN/H2O H OH 2) H3O+ CH2 OH D-Treosa HO H HO H H OH CH2 OH Àcido D-lixónico + H OH HO H H OH CH2 OH 1) ∆ 2) NaBH4 o H2 / Ni o Na-Hg Àcido D-xilónico 112 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA CHO CHO 1) ∆ 2) NaBH4 o H2 / Ni o Na-Hg HO H HO H H OH CH2 OH D-Lixosa + H OH HO H H OH CH2 OH D-Xilosa La síntesis de Fischer-Kiliani forma dos diastereómeros que difieren en la configuración del carbono número dos (ver en la figura de arriba los átomos en rojo) ya que se ha creado un centro de asimetría adicional. Estos diastereómeros que difieren en la configuración en un solo centro quiral se denominan epímeros en ese centro. Una diferencia entre los procesos de alargamiento y acortamiento es que en el acortamiento de cadena, una aldosa pura da otra aldosa, mientras que en el alargamiento de cadena, una aldosa pura da dos diastereómeros. Por ejemplo la Dglucosa produce sólo D-arabinosa, pero esta última conduce a D-glucosa y D-manosa: 113 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Como puede verse la glucosa y la manosa tienen distinta configuración sólo en el C-2 y la misma desde C-3 a C-5, que era la configuración desde C-2 a C-4 en la arabinosa. Otro método de alargamiento de aldosas implica la reacción con nitrometano seguida de hidrólisis (reacción de Nef*) de la sal del intermedio aci-nitro (Química Orgánica, Stanley H. Pine, pg. 784), por ejemplo: 114 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA .. :O: CHO H OH OH H OH H NaOMe/MeOH CH3NO2 + + N .. :O : CH CHOH H3O+ L-Glucosa + L-Manosa 80% 20% R CH2 OH L-Arabinosa R= 2 H OH 3 OH H 4 OH H 5 ___________________________________________________________________________ ; * La reacción de Nef es una reacción orgánica en la que tiene lugar la transformación de un nitroalcano primario o secundario 1 a un aldehído o cetona 3 mediante la hidrólisis ácida de su sal de nitronato 2, liberándose ácido hiponitroso HNO CH2 OH En forma general el proceso de la reacción de Nef es el siguiente: La degradación de aldosas a su inmediato homólogo inferior la ilustramos mediante tres métodos generales y tomamos como ejemplo la transformación de la D-glucosa en Darabinosa. El primer método es la degradación de Wohl. Este método implica la deshidratación de un poliacetato de aldoxima a un nitrilo y el proceso siguiente es el inverso a la reacción de Fischer-Kiliani. El grupo nitrilo del acetilado oxinitrilo (cianhidrina) se desprende al ser tratado con una solución amoniaca de óxido de plata. Del proceso de la amonólisis de los grupos acetooxidos se obtiene una acetamida, ésta reacciona luego con la aldosa produciendo el derivado de diacetamida la cual finalmente se hidroliza en la aldosa (Advanced Organic Chemistry, tomo II, pg. 542): 115 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA CHO H HC OH OH H H H OH H OH NOH OH OH 70% H OH H OH CH2 OH H Oxima de la D- Glucosa CN CHO OOCCH3 CH3COO 48% CH2 OH D- Glucosa H (CH3CO)2O; CH3COONa; ZnCl2 NH2OH OH Ag2O; NH3 H H OOCCH3 H OOCCH3 H H OH H OH + 2CH3 CONH2 47% CH2 OH CH2 OOCCH3 CHO CH(NHCOCH3) OH H HCl H OH H OH CH2 OH diluido 50-60% OH H H OH H OH CH2 OH D-Arabinosa En una simple modificación al anterior proceso, el grupo nitrilo se separa por acción del metilato de sodio a altas temperaturas; el rendimiento es mayor que en el caso anterior: 116 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA CHO H CN OH 1.NH2OH; H 2.(CH3CO)2O; CH3COONa OH H OH H OH H OOCCH3 CH3COO 57% CH3ONa (CHCl3) H H OOCCH3 H OOCCH3 CH2 OH 72% CH2 OOCCH3 D- Glucosa CHO OH H H OH H OH CH2 OH D-Arabinosa El segundo método de acortamiento consiste en la oxidación del ácido aldónico en ácido 2-cetoaldónico el cual seguidamente se transforma en la aldosa con un átomo de carbono menos que la aldosa original: COO CHO H OH H OH H H OH H OH CH2 OH D- Glucosa oxidación electroquímica 77% OH OH H H OH H OH Ca+2 H2O2; (CH3COO)2Fe CH2 OH D- Gluconato de calcio 2 117 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA COOH C OH CHO O - CO2 OH H 25% H OH H OH H H OH H OH CH2 OH CH2 OH D-Arabinosa Ácido 2- ceto aldónico En el tercer método la amida se disgrega del ácido aldónico por acción del ácido clorhídrico y con algunos cambios en las condiciones de la reacción de Hofmann: CO H HCl D-Gluconato de calcio OH CONH2 OH H H O NH3; C2H5OH H H 80% OH CH2 OH OH OH H H OH H OH HOCl; Na2CO3 CH2 OH D- Gluconolactona D- Gluconamida N C O H OH CHO OH H H OH H OH CH2 OH - HNCO 49% OH H H OH H OH CH2 OH D-Arabinosa 118 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Lección 22. Disacáridos y polisacáridos 1.3. Disacáridos y polisacáridos. Los carbohidratos compuestos por dos o más unidades de monosacáridos combinadas a través de enlaces glicosídicos se clasifican como oligosacáridos y polisacáridos. Se consideran oligosacáridos los que poseen de 2 a 10 unidades de monosacáridos, si bien los de mayor interés son los di- o trisacáridos. La mayoría de polisacáridos importantes poseen centenares de unidades monosacárido. Disacáridos. Los disacáridos más difundidos en la naturaleza son la sacarosa y la lactosa; la maltosa si bien es un disacárido importante, raras veces se encuentra en estado libre. La sacarosa es el azúcar de mesa común y se encuentra comúnmente en las plantas. La sacarosa es un dextrógiro y la mezcla de D-glucosa y D-fructosa como producto de su hidrólisis es levógira, es decir que gira el plano polarizado de la luz hacia la izquierda. Por esto a la hidrólisis de la sacarosa se le denomina inversión de la sacarosa y a la mezcla obtenida azúcar invertido: CH2OH CH2OH H H OH H OH CH2OH O H O H HO CH2OH HO H OH OH Sacarosa [α]D = + 66.5° H H2O CH2OH O H+ H OH H HO H OH Glucosa α]D = + 52 ° H + OH O HO CH2OH H OH OH H Fructosa α]D = - 92 ° Un producto rico en azúcar invertido es la miel de abejas. Las abejas elaboran el fermento invertasa sustancia que hidroliza la sacarosa. En cuanto a la lactosa, ésta es el principal constituyente de la leche de los mamíferos. La hidrólisis del enlace glicosídico muestra que está constituida por D-glucosa y D-galactosa. Gran importancia tienen los disacáridos maltosa y celobiosa por ser éstos, productos de la hidrólisis de los almidones y de la celulosa respectivamente. Por solubilidad en el agua los disacáridos son semejantes a los monosacáridos. Estructura de la sacarosa. Una de las observaciones importantes es que la sacarosa no es un azúcar reductor. Eso es algo poco usual entre los azúcares comunes, e indica que no existe un 119 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA hemiacetal o hemicetal en el disacárido. El enlace glucosídico (llamado también glicosídico) debe unir el átomo de carbono anomérico de la glucosa al átomo de carbono anomérico de la fructosa. Por esta razón la sacarosa es un acetal-cetal y puede por consiguiente denominarse como un glucósido de fructosa o un fructosido de glucosa. Análisis de rayos x y de síntesis total, demostraron (Química Orgánica. Stanley H. Pine,cuarta edición. pg. 796) que la glucosa está unida a la fructosa por un enlace αglucosídico y que la fructosa está unida a la glucosa por un enlace β-fructosídico: Sacarosa Los tamaños del anillo de las unidades de monosacárido de la sacarosa se determinaron por mutilación de los grupos hidroxilo libres seguida de degradación de la octametilsacarosa resultante. Los productos indican que la unidad glucosa es un anillo de seis miembros y que la fructosa es un anillo de cinco miembros: CH2OH H H OH H OH CH2OH O O H H HO (CH3)2SO4/NaOH/H2O CH2OH HO H OH Sacarosa CH2OCH3 H H H O O H CH3O CH3O H OCH3 CH2OCH3 CH2OCH3 OH CH3O H OH OCH3 H Octa-O-metilsacarosa H H3O+ O H H CH2OCH3 H CH3O H CH2OCH3 OH CH3O H O H H CH3O + OCH3 H OCH3 Tetra-O-metil-D-Glucosa CH2OCH3 HO Tetra-O-metil-D-fructosa La lactosa se encuentra en la leche de los mamíferos. La leche de las vacas contiene entre 4 y 6% y la leche materna entre 5-y 8%. 120 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA La lactosa es un azúcar reductor y puede ser obtenida en las formas cristalinas α- y –β cuyas rotaciones específicas son [α]D = + 90° y [β]D = + 35°. Su estructura es la siguiente: CH2OH 4 H OH H 3 2 O H H OH CH2OH H 4 1 O H H OH H 3 2 H OH 1 OH OH Lactosa Al hidrolizarse en ácidos minerales diluidos la lactosa se descompone en D-glucosa y D-galactosa. Sin embargo al oxidar la lactosa con bromo seguido de un proceso de hidrólisis los productos resultantes son D-galactosa y ácido D-glucónico lo que determina que la lactosa sea un galactosido y no un glucósido: CH2OH Hidrólisis CH2OH HO 4 H OH H 3 2 O H H OH 4 1 O H H OH H 3 2 H O H OH H OH H OH 1 H OH H O H OH HO OH H OH D-glucosa D-galactosa OH OH Lactosa (alfa y beta forma ) H H + H CH2OH H HO CH2OH CH2OH Oxidación Hidólisis HO H OH H O H CH2OH H H + OH H OH D-galactosa HO OH H OH H COOH H OH Ácido D-glucónico La metilación y la siguiente fragmentación del ácido muestra que los dos monosacáridos son piranosas y también que el galactosido está unido con el hidróxido del carbono C-4 de la glucosa (Advanced Organic Chemistry. Louis F Fieser, Mary Fieser,Tomo II, pg. 557). 121 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA La maltosa se obtiene por descomposición fermentativa (fermento amilasa) del almidón. Su estructura es la siguiente: Maltosa (4-O-α-D-glucopiranosil-D-glucopiranosa) La metilación de este disacárido demuestra que la maltosa tiene una estructura 4-O-αD-glucopiranosil- D-glucopiranosa: Maltosa (4-O-alfa-D-glucopiranosil-D-glucopiranosa) Hidrólisis Al hidrolizarse la maltosa ya sea por hidrólisis ácida o por acción del fermento maltasa (la enzima maltaza rompe específicamente el enlace α-glucosídico de la maltosa), se obtiene dos moléculas de D-glucosa, lo que quiere decir que la maltosa está compuesta sólo por glucosa. La estructura indica que el carbono anomérico de uno de sus monosacáridos está conectado al carbono C-4 del otro. La celobiosa es un disacárido de la D-glucosa que difiere de la maltosa en que la unión glucosídica es β. 122 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Este compuesto puede ser obtenido por hidrólisis parcial de la celulosa. Es un azúcar reductor, está compuesto por dos unidades de glucosa y debido a que se hidroliza por la β-glucosidasa, entonces debe ser una β- glucosilglucosa. Por el método de mutilación completa se ha demostrado en la celobiosa el enlace 14 entre los dos monosacáridos que la componen: CH2OH H 4 H OH H 3 2 O 4 1 HO H CH2OH H O H OH O OH H OH H 3 2 H 1 H OH Celobiosa (4-O-β-D-Glucopiranosil-D-glucopiranosa) Lección 23. Almidones 1.3.1 Almidón, Amilosa, Amilopectina. El almidón es el polisacárido con un elevado peso molecular y mediante el cual las plantas almacenan carbohidratos. Las plantas y los animales poseen enzimas que hidrolizan el almidón a mono- y oligosacáridos (que poseen de dos a diez unidades de monosacáridos) específicos a medida que se necesitan. La α-amilasa, una enzima que se encuentra en la saliva, en el jugo pancreático y también en las plantas, convierte el almidón en una mezcla de maltosa y glucosa como parte del proceso digestivo. Esta enzima hidroliza parcialmente el almidón a maltosa y por acción de ácidos minerales éste se hidroliza totalmente en glucosa. De esta forma, el almidón es un polímero constituido por unidades de la maltosa: CH2OH CH2OH O O OH OH O O OH O OH Maltosa 123 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Químicamente el almidón es una mezcla de dos polisacáridos muy similares, la amilosa y la amilopectina. Al tratarlo con agua caliente el almidón se divide en dos fracciones: un residuo insoluble, la amilosa (10-20%) y un componente soluble, la amilopectina (8090%). La amilasa es una sustancia con estructura lineal, y la amilopectina posee una estructura ramificada. La amilosa está compuesta por unidades de D-glucosa que están unidas por medio del átomo de carbono anomérico (C-1) de una unidad al carbono número cuatro de otra (C-4): CH2OH CH2OH O O OH OH OH O O O HO CH2OH OH enlaces glucosídico 1-4 n OH OH OH ; n = 300-600 Amilosa La cadena de α-glucósido forma una hélice con seis unidades de glucosa por vuelta. El interior de la hélice contiene sólo átomos de hidrógeno, mientras que los grupos hidroxilo están situados en el exterior de la hélice. La amilopectina, se diferencia de la amilosa en que una cadena lateral de poliglucósido está conectada al átomo de carbono número seis (C-6) que le dan una forma molecular similar a la de un árbol; las ramas están unidas al tronco central (semejante a la amilosa) localizadas cada 25 unidades lineales de glucosa. La ramificación inhibe la formación de hélice. Un método importante que permite determinar la estructura lineal o ramificada de la cadena, consiste en el análisis de los grupos extremos del polisacárido. El método consiste en la acetilización del polisacárido y de una posterior metilación del derivado acetílico soluble. Al hidrolizar la metilizada poli-D-glucopiranosida el producto principal es 2,3,6-tri-O-metil-D-glucosa como resultado de la destrucción de la cadena principal. Sin embargo al fraccionar cuidadosamente los productos de la hidrólisis, se puede obtener una pequeña cantidad de 2,3,4,6-tetra-O-metil-D-glucosa formada a partir de 124 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA los restos de uno o de varios terminales de glucosa. Con base en el cálculo de los grupos terminales de la amilasa, se determinó que a cada molécula del polisacárido con un peso molecular de 10.000 a 50.000 (determinado por el método osmométrico), corresponde sólo a un grupo terminal. De esta forma la amilasa es un polímero lineal semejante a la estructura de la celulosa. Las características estructurales de la amilopectina fueron demostradas por el aislamiento, mediante metilación y posterior hidrólisis de la 2,3,6-tri-O-metil-D-glucosa, además de algo de 2,3 -di-O-metil-D-glucosa y 2,3,4,6-tetra-O-metil-D-glucosa. Al hidrolizar totalmente la amilopectina metilizada se obtiene una pequeña cantidad de 2,3,4,6-tetra-O-metil-D-glucosa, proveniente de los grupos terminales, y también 2,3 -diO-metil-D-glucosa, correspondiente a los lugares de ramificación del polímero. De aquí se deduce que la cadena principal de la molécula polimérica de la amilopectina está construida por unidades de D-glucosa unidas a través de enlaces 1-4- α-glucosídicos y que las ramificaciones o cadenas laterales se enlazan a través de enlaces 1,6 – glucosídicos (Advanced Organic Chemistry. Louis F Fieser, Mary Fieser,Tomo II, pg. 567): Ramificación externa O H HO O No se rompen con la Beta-Amilasa O O x O O Ramificación interna H2C ( 2,3,4,6-Tetrametilglucosa ) H HO O O O O O O O O O x O y H2C ( 2,3,6-Trimetilglucosa ) H ( 2,3 -Dimetilglucosa ) HO O O O O O O .... x Amilopectina Los enlaces 1,4-glucosídicos del almidón son más fáciles de romper que los enlaces 1,6. La hidrólisis suave con ácido diluido produce destrina, una mezcla de maltosa, Dglucosa y oligosacáridos ramificados. Los almidones, además de su consumo como fuente de carbohidratos, se utilizan en los alimentos como agentes espesantes y gelificantes. La aplicación no nutritiva más importante del almidón es la de mejorar las 125 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA cualidades de resistencia de los tejidos y la cualidad de escritura de la superficie del papel. 1.3.2 Celulosa, Reacciones de la celulosa. La celulosa es un polisacárido con una larga cadena polimérica de peso molecular variable, con fórmula empírica (C6H10O5)n, con un valor mínimo de n= 200. La celulosa tiene una estructura lineal o fibrosa, en la que se establecen múltiples puentes de hidrógeno entre los grupos hidroxilo de distintas cadenas yuxtapuestas de glucosa, haciéndolas impenetrables al agua, lo que hace que sea insoluble en agua, y originando fibras compactas que constituyen la pared celular de las células vegetales. La hidrólisis de este compuesto da D-glucosa. La secuencia lineal de su estructura está compuesta por unidades de β-glucopiranosa unidas mediante enlaces β-1,4-Oglucosídico. Por lo tanto la celulosa difiere de la amilasa del almidón en que todas las configuraciones glucosídicas son β: n -2 tomado de: http://uni-ka.the-jens.de/html/chemieklasse12/cellulose/cellulose.htm Molécula de la Celulosa La estructura de este poli-β-glucósido es una configuración favorable a causa de que todos los sustituyentes son ecuatoriales. El análisis por rayos x confirma que la celulosa existe en forma de largas cadenas paralelas que se mantienen unidas por enlaces de hidrógeno (Química Orgánica. Stanley H. Pine, pg. 802). Los grupos de cadenas de celulosa que se llaman fibrilas justifican el carácter fibroso de los materiales vegetales. La rigidez estructural de la madera, se atribuye en parte, a las contribuciones adicionales de la lignina (fenoles poliméricos) y las hemicelulosas que conectan las cadenas de poliglucósidos mediante entrecruzamientos: 126 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA tomado de: http://en.wikipedia.org/wiki/Celulosa Enlaces de hidrógeno entre cadenas contiguas de celulosa La resistencia general a las reacciones químicas se haya aparentemente asociada a la estructura fibrosa de la celulosa. La mayoría de los reactivos no pueden penetrar a través de la superficie de las fibrilas. La alquilación y la acilación tienen lugar, pero generalmente sólo en algunos de los grupos hidroxilo externos. Por nitración de alfa-celulosa de algodón o pulpa de madera se obtiene la nitrocelulosa (trinitrato de celulosa) sustancia que es empleada en la elaboración de explosivos: Celulosa Trinitrato de celulosa 127 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA En el proceso de esterificación de la celulosa con ácido acético se obtiene acetato de celulosa: Celulosa àcido acético Acetato de celulosa Una fuente importante para obtener celulosa es a partir del uso químico de la madera. Los aceites y terpenos se eliminan primero por tratamiento con vapor de agua (arrastre en corriente de vapor) de la pulpa de madera cruda. Un tratamiento químico elimina luego los componentes no celulósicos, principalmente la lignina, y permite la recuperación de fibras de celulosa pura que se utilizan en la fabricación de papel de alta calidad y de otros derivados de la celulosa. La deslignificación de la madera se lleva a cabo por dos procesos químicos. El proceso Kraft, o del sulfato. El hidróxido, en presencia de sulfuro para mantener una concentración de OH- , hidroliza la lignina y solubiliza los componentes fenólicos en forma de fenóxidos. En el proceso del sulfito, con una solución alcalina de bisulfito se sulfonan los grupos aromáticos derivados de la lignina, y los productos son separados en forma de sales de ácido sulfónico solubles en agua. 128 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Ejercicios (Unidad 2- Capítulo 1) 5. Clasifique cada proyección de Fisher de los siguientes carbohidratos como a) aldosas o cetosas b) tetrosa, pentosa o hexosa c) azúcar D o L 6. Escriba la estructura y configuración de la α-forma y β-forma de la glucopiranosa. 3. Escriba las estructuras de los siguientes compuestos: a) D-Eritrosa; b) D-Galactosa; c) D-Talosa; d) D-Ribulosa; e) D-Fructosa 4. Escriba las estructuras de los siguientes disacáridos: a) Sacarosa b) Lactosa 5. Escriba la estructura del polisacárido “celulosa”. 129 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Capítulo 2: Aminoácidos. Lección 24. Aminoácidos 2.1. Estructura. La característica común de todos los aminoácidos es la presencia en su estructura de, cómo mínimo, un grupo amino y un grupo carboxilo. Tanto las interacciones intermoleculares como intramoleculares entre las funciones ácidas y básicas desempeñan un importante papel en las propiedades físicas y químicas de estos compuestos difuncionales. Una gran parte del interés depositado en estas moléculas pequeñas se ha dirigido hacia la comprensión de su papel como elementos de construcción de los péptidos y las proteínas. Los aminoácidos de los que se componen las proteínas son α-aminoácidos; es decir, su grupo amino se halla conectado al átomo de carbono α (número dos) de un ácido carboxílico; el ácido que podemos considerar como compuesto base es el ácido αaminoacético (glicina): NH2 O O H2N α 2 H 1 C C - OH 2 OH glicina 1 H La sustitución de un átomo de hidrógeno en α por otros grupos conduce a una gama de aminoácidos. Muchos poseen grupos hidrocarbonatos no polares en el carbono α, mientras que otros contienen grupos más polares. Algunos poseen incluso un grupo carboxilo o amino adicional. La Tabla 1 contiene las estructuras y las abreviaturas comunes de los 20 aminoácidos que se encuentran normalmente en las proteínas y que son obtenidos por hidrólisis de ésta. Las abreviaturas de tres letras son las más habituales pero también se usan las de una letra indicadas entre paréntesis: Tabla 1. (Advanced Organic Chemistry. Louis F Fieser, Mary Fieser,Tomo II,pg. 644; Química Orgánica. Stanley H. Pine.,pg. 824 ) 130 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Nombre Glicina Abreviatura Estructura Gly (G) O H2N Alanina Ala (A) pKa3 Punto isoeléctrico, pI pKa1 pKa2 2,4 9,8 5,97 2,35 9,78 6,00 2,29 9,72 5,96 2,33 9,74 6,02 2,32 9,76 5,98 2,00 10,60 6,30 2,58 9,24 5,48 OH O H3C OH NH2 Valina Val (V) CH3 O H3C OH NH2 Leucina Leu (L) O H3C Isoleucina OH CH3 NH2 CH3 O Ile (I) H3C OH NH2 Prolina Fenilalanina Pro (P) Phe (F) H N O OH O OH NH2 131 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Nombre Triptófano Abreviatura Estructura pKa1 pKa2 pKa3 O Trp (W) Punto isoeléctrico, pI 2,38 9,39 5,89 2,28 9,21 5,74 2,21 9,15 5,68 2,09 9,10 5,60 1,86 8,35 10,34 5,05 2,20 9,11 10,07 5,66 2,02 8,80 5,41 2,17 9,13 5,70 OH NH Metionina NH2 O Met (M) H3C S OH NH2 Serina Ser (S) O HO OH NH2 Treonina Thr (T) CH3 O HO OH NH2 Cisteína Cys (C) O HS OH NH2 Tirosina O Tyr (Y) OH NH2 HO Asparagina Asn (N) O H2N Glutamina Gln (Q) OH O NH2 NH2 O O OH NH2 132 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Nombre Abreviatura Estructura pKa1 pKa2 pKa3 Punto 2,10 3,86 9,82 2,98 2,10 4,07 9,47 3,08 2,18 8,95 10,53 9,74 2,01 9,04 12,48 10,76 1,77 6,10 9,18 7,64 isoeléctrico, pI Ácido aspártico Asp (D) O HO OH O Ácido glutámico Glu (E) O NH2 O HO OH NH2 Lisina O Lys (K) H2N OH NH2 Arginina NH2 Arg (R) HN O NH OH NH2 Histidina His (H) O N N H OH NH2 Con la excepción de la glicina, los aminoácidos derivados de las proteínas poseen como mínimo un centro quiral, el carbono α; todos estos aminoácidos, poseen la configuración L, por ejemplo: CO2H CO2H NH2 OH O NH2 H NH2 CH2C6H5 H CH2C6H5 133 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA 2.2. Iones dipolares. La propiedad más prominente de los aminoácidos es que poseen un carácter anfótero, es decir pueden actuar como ácidos o como bases. En sí estas sustancias existen en forma de sales internas llamadas zwitteriones (de la palabra alema zwitter que significa híbrido): Àminoácido sin ionizar (forma normal) Àminoácido ionizado (forma zwitteriónica) Las propiedades físicas de los aminoácidos son coherentes con su estructura de sal interna de elevada polaridad. Son sólidos cristalinos con elevado punto de fusión que originan soluciones acuosas con constantes dieléctricas relativamente elevadas. Son insolubles en éteres, se disuelven poco en alcohol etílico absoluto, y su moderada solubilidad en agua depende del pH de la disolución. El pH del medio en el cual está disuelto el aminoácido, determina la estructura precisa del compuesto. Si consideramos el efecto del pH sobre un aminoácido típico que posea un grupo amino y un grupo carboxilo, a valores bajos de pH, el grupo amino estará protonado, de esta forma el aminoácido se asemeja a un ácido diprotónico (dibásico) típico. Por ejemplo la curva de titulación de la glicina con una base acuosa indica que el ácido carboxílico posee un valor de pKa cercano a 2,4 y que el ión amonio posee un valor de pKa cercano a 9,8. En un medio bastante ácido (pH<1) la glicina existe en forma de un ión positivo a): + H3NCH2COOH a) - H+ _ + H3NCH2COO - H+ _ H2NCH2COO + H+ pKa = 2,4 b) + H+ pKa = 9,8 c) La carga positiva del nitrógeno repele el protón del grupo carboxílico y en consecuencia la glicina es mucho más ácida que el ácido acético (pKa = 4,76). A causa de esto el ión bipolar neutro b) se forma cuando el pH es menor que el que se necesita para la transformación del ácido acético en ión acetato. La pérdida del segundo protón, es decir 134 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA la formación del anión c), transcurre con mayor dificultad debido al efecto electrostático atrayente. Dicho en otras palabras, a pH bajo (< 1), toda la glicina existe en forma del catión protonado a) y a elevado ph (>12) en el anión aminocarboxilato c). Entre estos límites de pH, la sal interna b) se hallará presente junto con a) o c). Lección 25. Punto isoeléctrico 2.3. Punto isoeléctrico. El pH en el cual el aminoácido se encuentra en una forma eléctricamente neutra (estructura b) para la glicina), se conoce como el punto isoeléctrico, pI o pHi y se encuentra a medio camino entre los valores de pKa1 y pKa2 de la mayoría de aminoácidos: pI = ½ (pK a1 + pKa2) En la tabla 1. se dan los valores de pKa y de pI de los 20 aminoácidos que se encuentran en las proteínas. El grupo carboxílico de un α-aminoácido es unas dos unidades de pKa menor, es decir, más ácido que el de un ácido monocarboxílico. Esta propiedad se debe al efecto inductivo atrayente de electrones del catión amonio adyacente. A medida que el grupo amonio se aleja del carboxilo, el valor de pKa aumenta (Tabla 2.): Tabla 2. (Química Orgánica. Stanley H. Pine. ,pg. 824 ) Aminoácido CH3COOH + pKa1 pKa2 4,76 - 2,35 9,8 3,60 10,19 H3NCH2COOH + H3NCH2CH2COOH 135 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Aminoácido + H3NCH2CH2CH2COOH + H3NCH2CH2CH2CH2COOH pKa1 pKa2 4,03 10,40 4,21 10,69 2.4. Preparación. A partir de un ácido halogenocarboxílico. La preparación de aminoácidos puede conseguirse a partir de la aminación de un ácido halogenocarboxílico pero este método no es muy utilizado debido a que los rendimientos son bajos: CH3COOH Br2/PBr3 NH3 (exceso) BrCH2COOH NH2CH2COOH Glicina Síntesis de Strecker. La síntesis de Strecker se utiliza a menudo a para la síntesis de aminoácidos a partir de compuestos carbonílicos. Por ejemplo al reaccionar aldehídos con una mezcla de ácido cianhídrico y amoniaco se obtiene la correspondiente cianhidrina (aminonitrilo); una posterior hidrólisis de este compuesto conlleva a la formación del α-aminoácido. La reacción transcurre a través de una fase intermedia con la formación de una aldimina (imina) a la cual se adhiere el ácido cianhídrico: CH3-CHO NH3 CH3 CH aldimina NH HCN 2H2O CH3--CH-CN NH2 cianhidrina CH3--CH-COOH NH2 alanina 136 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Otros ejemplos: C6H5-CHO + NaCN + NH4Cl H2O Benzaldehído H3O+ C6H5--CH-CN C6H5--CH-COOH ∆ NH2 NH2 Fenilglicina (CH3-CH2)2 O + NaCN + NH4Cl H2O H3O+ (CH3-CH2)2--C-CN 3-Pentanona NH2 (CH3-CH2)2-C-COOH ∆ NH2 Utilizando este método, Fischer obtuvo a partir del glicolaldehído HOCH2CHO el aminoácido serina. Más tarde y con este mismo fin se empezó a utilizar el etoxi acetaldehído pero el rendimiento no superaba el 40%: Cu; 250-275 oC Eter etílico HBr NH3; HCN C2H5O CH2 CHO C2H5O CH2 CH2OH 43% HO CH2 CH COOH NH2. HBr Hidrobromuro de serina C2H5O CH2 CH--CN Etoxiacetaldehido NH2 HO CH2 CH COOH NH2. Serina Uno de los problemas sintéticos más importantes encontrados al trabajar con aminoácidos es el de limitar las reacciones secundarias de estos compuestos difuncionales. Sin embargo para resolver este problema se utilizan grupos protectores. Muchos de los procedimientos normales de laboratorio para la síntesis de aminoácidos individuales utilizan también algunos tipos de grupos protectores. La síntesis de aminas de Gabriel, unida a la versatilidad del éster masónico, es útil como síntesis general de aminoácidos. El grupo ftalimido y los grupos éster protegen a los grupos amino y carboxilo. El grupo amino es aportado por la ftalimida, manteniéndose el grupo protector hasta la realización de modificaciones adicionales en el átomo de carbono α. 137 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Por ejemplo: O N K+ CH2(CO2C2H5)2 + Br2 CCl4 O BrCH(CO2C2H5)2 DMF(Dimetilformamida) Malonato de dietilo O O CH2C6H5 1) NaOEt/EtOH NCH(CO2C2H5)2 H3O+ N-C(CO2C2H5)2 2) C6H5CH2Cl O ∆ O O CH2C6H5 H3O+ NH2 KOH/H2O C6H5 CH2 CH COOH N-CH CO2H o H2NNH2 ∆ Fenilalanina O O 1) NaOEt/EtOH NCH(CO2C2H5)2 2) CH2 CHCOO C2H5 O O CH2 CH2 CO2C2H5 N-CH (CO2C2H5)2 NH2 +* H3O HOOC CH2 CH2 CH COOH ∆ Ácido glutámico O * El ácido acuoso puede efectuar a menudo la hidrólisis de los ésteres y del grupo ftalimido, así como la descarboxilación, en un solo paso 138 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Un método sintético relacionado utiliza ácido nitroso como fuente del grupo amino. La nitrosación del éster masónico produce una oxima mediante isomerización del compuesto nitroso intermedio. La reducción y posterior tratamiento con anhídrido acético conduce al grupo amino protegido por acetilo. La alquilación seguida de hidrólisis y descarboxilación produce un aminoácido: CH2(CO2C2H5)2 + HNO3 Et2O O N CH(CO2C2H5)2 1) H2/Pd HON C(CO2C2H5)2 Malonato de dietilo 2) Ac2O Ac NHCH (CO2C2H5)2 Acetamidomalonato 1) NaOEt/EtOH CH2CH(CH3)2 Ac NHC (CO2C2H5)2 2) (CH3)2CHCH2Br NH2 H3O+ ∆ (CH3)2CHCH2 CHCO2H Leucina de dietilo Los aminoácidos preparados por los anteriores procedimientos son racémicos. Si deben ser utilizados en síntesis de péptidos o como modelos biológicos, es precisa la resolución en enantiómeros. Lección 26. Reacciones 2.5. Reacciones. Las reacciones de los aminoácidos son las de los grupos amino y carboxilo , o en algunos casos, las de una cadena lateral sustituyente. Este tipo de reacciones ya han sido vistas en el curso de Química Orgánica. No obstante, en química de aminoácidos, el principal interés está dirigido hacia las reacciones asociadas con la síntesis y elucidación estructural de péptidos. 2.6. Péptidos. Los péptidos son moléculas formadas por la unión de varias unidades aminoácidos conectados por enlaces de amida, llamados enlaces peptídicos. El enlace peptídico es un enlace covalente entre el grupo amino (-NH2) de un aminoácido y el grupo carboxilo (–COOH) de otro aminoácido. El enlace peptídico implica la pérdida de una molécula de agua y la formación de un enlace covalente CO-NH: 139 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Enlaces Peptídicos Ejemplo del tetrapéptido Val-Gly-Ser-Ala. En verde marcado la terminación amina (L-Valina) en azul la terminación carboxílica (L-Alanina). Al grupo amina que se encuentra libre en uno de los extremos del péptido se le denomina N-Terminal, y al grupo carboxilo que se encuentra libre en el otro extremo se le denomina C-Terminal: NH2 O NH H3 C OH O N-Terminal C-Terminal La formación del enlace peptídico es una reacción endergónica, una simple adición de un ácido carboxílico con una amina dará como resultado la obtención de la sal orgánica correspondiente, por lo que, si lo que buscamos es la formación de una amida, el grupo carboxilo debe ser activado. El mecanismo que se sigue para el acoplamiento de dos aminoácidos es aminólisis: O R1 COOH R1 R2 C X R1 CONH R2 + HX .. NH2 En donde X es cualquier agente activante de naturaleza electrofílica, el cual debe ser minuciosamente escogido, ya que una mala elección puede llevarnos a racemización. Dependiendo del número de aminoácidos los péptidos se clasifican en: Oligopéptidos: menos de 10 unidades de aminoácidos. Polipéptidos: más de 10 unidades de aminoácidos. 140 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Proteínas: más de 50 unidades de aminoácidos. Los péptidos se diferencian de las proteínas en que son más pequeños. Un ejemplo de polipéptido es la insulina, compuesta de 55 aminoácidos y conocida como una hormona de acuerdo a la función que tiene en el organismo de los seres humanos. Análisis de aminoácidos. La estructura primaria de un péptido es la composición y secuencia de los aminoácidos componentes. La hidrólisis de un péptido con ácido clorhídrico 6N caliente libera los aminoácidos componentes, los cuales son después analizados por diversos procesos cromatográficos. Después de su separación los aminoácidos son tratados con ninhidrina, reactivo que se utiliza para la determinación cuantitativa de éstos (Química Orgánica. Stanley H. Pine. pg 833). Este compuesto reacciona con casi todos aminoácidos dando un producto de color púrpura intenso (La prolina da color amarillo). Lección 27. Grupos terminales 2.6.1. Análisis de grupos terminales. La hidrólisis completa es el primer paso para determinar la estructura de los péptidos. El problema principal consiste en determinar la secuencia de los aminoácidos. En primer lugar se realiza normalmente la identificación del aminoácido N-Terminal, por ejemplo mediante la degradación de Edman; posteriormente se hace reaccionar el péptido con isotiocianato de fenilo. La adición nucleófila del péptido al reactivo por el aminoácido N-Terminal produce un derivado feniltiocarbamoílico del péptido. El tratamiento de este aducto con ácido ocasiona una ruptura intramolecular que produce el derivado feniltiohidantoínico del aminoácido N-Terminal como fragmento separado de la porción restante del péptido. Un análisis cromatográfico del derivado identifica el aminoácido N-Terminal: 141 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA O NH2 CHC NHCHC + C6H5 N C S O R Isotiocianato de fenilo N---- R' S Péptido S O O HCl C6H5 NH C NHCHC R C6H5 N + NHCHC N---O R' Derivado Feniltiocarbamoílico O NH NH2 CHC N---- R Derivado Feniltiohidantoínico R' Péptido restante La elegancia del método de la degradación de Edman reside en que el método permite la identificación del grupo N-Terminal dejando intacta la parte restante del péptido. Un posterior análisis del fragmento peptídico restante permite la identificación del nuevo aminoácido N-Terminal. El método puede repetirse una y otra vez hasta que se hayan identificado, secuencialmente, todos los aminoácidos. Para este procedimiento existe ya analizadores de la secuencia de aminoácidos automatizados. El análisis del aminoácido C-Terminal se lleva a cabo utilizando la enzima carboxipeptidasa. Esta enzima cataliza la hidrólisis específica del grupo C-Terminal, el cual es entonces identificado. La desventaja del método consiste en que la enzima continúa hidrolizando el grupo C-Terminal del fragmento peptídico restante hasta que todo el péptido se ha fragmentado en sus aminoácidos componentes. A diferencia del método de Edman, no es fácil controlar cada paso, si bien puede llevarse a cabo el análisis de péptidos pequeños: Ala - Gly - Pro- Leu Carboxipeptidasa Ala - Gly - Pro + Leu Normalmente se utilizan varios métodos químicos para marcar el grupo C-Terminal. Uno de ellos es a través de la reducción con borohidruro de litio del ácido carboxílico el cual se convierte en un alcohol el cual puede identificarse como α-aminoalcohol tras la hidrólisis del péptido. Un segundo método es reaccionando el péptido con hidrazina la cual fragmenta todos los enlaces amida dando hidrazidas de aminoácidos. El aminoácido C-Terminal permanece inalterado y puede aislarse como aminoácido libre: 142 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA O O NH2CH C NHCHC R R' NH2NH2 NHCHCOOH R'' O O NH2CH CNHNH2 R + NH2CH CNHNH2 + NH2CH CHCOOH R' R'' 2.6.2. Síntesis de péptidos. Uno de los principales pasos para la síntesis de péptidos es la protección de los grupos funcionales de los aminoácidos, éstos deben protegerse para evitar la formación de un enlace peptídico no deseado. Así mismo, al proteger las cadenas laterales de los aminoácidos también se está evitando que estos reaccionen con los grupos amino o carboxilo de otros aminoácidos, o que den lugar a reacciones secundarias. Los grupos protectores también protegen el carbono alfa de ser susceptible a racemización. Entre las características que debe tener un grupo protector se encuentran, la de ser químicamente estable en las condiciones en las que se da la síntesis peptídica, y la de ser fácilmente removibles en condiciones suaves que no alteren la formación del enlace peptídico al final o en fases intermediarias de la síntesis. En este sentido, se pueden clasificar a los grupos protectores como permanentes, los cuales son retenidos hasta que el péptido ha sido completado, o temporales, los cuales se eliminan al final de cada etapa de síntesis. Grupos protectores del α-amino. El objetivo fundamental que se debe cubrir al proteger al grupo amino es el de suprimir su reactividad nucleofílica, para tal efecto existen una gran variedad de grupos protectores, el problema es encontrar uno que pueda ser removido fácilmente sin afectar la integridad del enlace peptídico formado o sin que el carbono α corra riesgo de racemización. Los primeros grupos protectores presentaban estos problemas, ya que se fundamentaban en la formación de una amida al unirse al grupo amino. El gran avance se dio cuando Bergman y Zervas observaron que los derivados de uretano (carbamato) (R—O—CO—NH2) eran particularmente adecuados para la protección del α-amino 143 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA (Síntesis de Péptidos. Erandi Lira Navarrete. Universidad Autónoma de México, Instituto de Biotecnología. Cuernavaca, México, pg. 1) Un factor importante que los ha favorecido para ser ampliamente utilizados es su alto grado de estabilidad óptica, es decir, inhiben la racemización de los centros quirales adyacentes a estos grupos protectores. Entre los grupos derivados de uretano más usados se encuentran los siguientes: Benciloxicarbonilo (Z). También asignado con la abreviación Z, este método de protección es el desarrollado por Bergmann y Zervas. Se basa en la acilación de una amina con cloruro de Carbobenzoxilo para dar una amida: 1) H20/NaOH 2) H3O+ Cloruro de carbobenzoxilo Amina Z-Aminoácido (carbamato) Protección de un aminoácido por cloruro de carbobenzoxilo Estas amidas, a diferencia de las amidas comunes, pueden degradarse por métodos que dejan intacto el enlace peptídico. El rompimiento puede darse por hidrogenación catalítica o por hidrólisis con HBr en ácido acético frío: Desprotección de un Z-aminoácido con HBr en ácido acético frío Este procedimiento es muy conveniente realizarlo, ya que la mayoría de los péptidos protegidos son solubles en ácido ácetico, especialmente cuando hay una alta concentración de HBr, además, el producto desprotegido puede ser precipitado como una sal de hidrobromuro cuando se le agrega éter. Por otra parte, la integridad de algunos péptidos sintetizados puede verse dañada, especialmente si entre los aminoácidos que conforman al producto se encuentran algunos con cadenas laterales susceptibles, como es el caso de triptófano, tirosina y metionina. 144 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA La hidrogenación catalítica usualmente es llevada a cabo con 80% de ácido acético y 10% de paladio a presión y temperatura ambiente. El ácido carbámico inestable que se forma se descarboxila con facilidad liberando el grupo amino original. Es un método bastante confiable ya que sólo presenta una limitación: el catalizador puede ser degradado por la existencia de azufre, el cual puede encontrarse si en la secuencia peptídica se encuentran aminoácidos como cisteina o metionina (Síntesis de Péptidos. Erandi Lira Navarrete. Universidad Autónoma de México, Instituto de Biotecnología. Cuernavaca, México, pg. 7): Desprotección de un Z-aminoácido por hidrogenación catalítica terc- Butoxicarbonil (Boc). Este grupo protector deriva normalmente del carbonato de diterc-butilo o del cloroformiato correspondiente: Boc2O El grupo Boc es completamente estable a la hidrogenación catalítica, por lo que en la síntesis peptídica puede utilizarse un grupo protector Z como temporal y un Boc como permanente, o viceversa. La forma común de desproteger un aminoácido Boc, la cual es prácticamente inerte para un grupo Z, es mediante una dilución de ácido trifluoracético (TFA) a temperatura ambiente: 145 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Boc-aminoácido Isobuteno Desprotección de un Boc-aminoácido con TFA Otros grupos protectores de aminas son: 2-(4-bifenilil)-isopropoxicarbonil (Bpoc), Fluorenil-9-metoxicarbonil (Fmoc), Trifenilmetil (trityl, Trt) y otros. Grupos protectores del α-carboxilo. La protección del grupo carboxilo no es tan necesaria como la del amino, ya que es menos nucleofílico. Sin embargo, es conveniente protegerlo, en especial para aumentar la solubilidad del péptido formado en solventes orgánicos. También es importante tener bloqueado el grupo carboxilo que en ese momento no formará parte del enlace peptídico, mientras que el que participará en el enlace se encuentra desprotegido listo para ser activado. Los métodos más comunes para proteger el grupo α -carboxilo es mediante esterificación. La liberación del aminoácido de este grupo protector es de manera similar a la aquella vista para los derivados del uretano. Debido a que los ácidos carboxílicos y las aminas no forman amidas con facilidad, la formación del enlace peptídico requiere algún tipo de grupo activante que promueva la reacción. Para la síntesis de péptidos es utilizado el reactivo diciclohexilcabodiimida (DDC) que además es eficaz para la formación de ésteres y amidas simples: 146 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA CH3 O (CH3)2 COC NHCH2 CO2H DCC/DMF Grupo carboxilo protegido Grupo amino protegido CH3 O O + NH2CHCO2 CH2 C6H5 (CH3)2 COC NHCH2 C NHCHCO2 CH2 C6H5 O HCl/HOAc CH3 NH2CH2 C NHCHCO2 H Glicilalanina Otro método utilizado para la formación del enlace peptídico consiste en la conversión del grupo carboxilo en un derivado más reactivo. Los halogenuros de acilo son normalmente demasiado reactivos, y también ocasionan una importante racemización de los aminoácidos ópticamente activos. La formación de un anhídrido mixto mediante un reactivo como el cloroformiato de isobutilo puede llevarse a cabo normalmente con racemización despreciable, siendo relativamente reactivo el intermedio formado: CH3 CHCO2 H O C6H5 CH2 OCNH O Et3N + ClCOCH2 CH(CH3)2 O CH3 CHC O COCH2 CH(CH3)2 O Benciloxicarbonilalanina C6H5 CH2 OCNH Cloroformiato de isobutilo O NH2 p-HOC6H4CH2CHCO2CH3 O CH3 CHC C6H5 CH2 OCNH NHCHCH2 C6H4OH-p HCl/HOAc CO2CH3 O HCl/HOAc O CH3 CHC NH2 NHCHCH2 C6H4OH-p CO2H Alaniltirosina 147 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA El metil éster (-COO-CH3) y etil éster (-COO-CH2-CH3) fueron los primeros grupos utilizados para enmascarar el α-carboxilo. No hay una distinción importante entre estos dos, por lo que se les trata como un mismo grupo protector. Pueden obtenerse haciendo reaccionar al aminoácido con el alcohol correspondiente directamente o por medio de un halogenuro de acilo intermediario. No se ven afectados a temperatura ambiente por HBr/AcOH, TFA, hidrogenación catalítica, tioles o aminas en solventes orgánicos, de esta manera puede combinárseles con cualquier grupo amino protector. Uno de los problemas de estos grupos protectores se presenta cuando se está protegiendo a un dipéptido ya que tienden a ciclarse formando dicetopiperacinas. Son demasiado estables, debido a esto las condiciones de desprotección exigen un tratamiento vigoroso; en ocasiones la saponificación es confiable, pero se corre el riesgo de que la base utilizada pueda causar racemización (Síntesis de Péptidos. Erandi Lira Navarrete. Universidad Autónoma de México, Instituto de Biotecnología. Cuernavaca, México, pg. 11). El Bencil éster (-COO-CH2C6H5) obtenido a partir de la esterificación del alcohol bencílico, es otro grupo protector que se popularizó por presentar menos problemas para la desprotección que el metil o etil éster, aunque al igual que estos últimos, tiende a formar dicetopiperacinas. Puede ser eliminado por saponificación, pero también por HBr/AcOH e hidrogenación catalítica, pero no por TFA (al igual que el grupo protector Z para el α-amino), por esta razón se le usa en combinación con un grupo amino protector distinto al Z durante la etapa de síntesis. Otro grupo protector de los grupos carboxilos es el terc-Butil éster (-COO-C-(CH3)3). Éste puede ser preparado directamente de los aminoácidos pero el procedimiento estándar es indirecto: A diferencia de los grupos anteriores, los dipéptidos de los terc-Butil ésteres no forman dicetopiperacinas con facilidad. La estabilidad y labilidad de este grupo es semejante a la del grupo Boc, aunque son menos sensibles a acidólisis, por lo que es posible diferenciar entre el rompimiento de un grupo Boc y un terc –Butil éster. Sin embargo, se recomienda utilizarlo en combinación con un grupo protector diferente al Boc. 148 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Por último mencionemos el grupo protector fenil éster (-COO-C6H5). Este grupo es completamente estable en medio ácido y en condiciones de hidrogenación catalítica. El rompimiento por acción de un álcali es mucho más rápido que el del metil éster. Para efectuar la desprotección de este grupo se utiliza un tratamiento de peróxido de hidrógeno en DMF a un pH de 10.5 por 15 minutos, esto debido a la susceptibilidad que tienen los fenil ésteres al ataque del ión peróxido. Cadenas laterales sensibles al peroxido (Met, Trp, Cys), aparentemente no representan un gran problema si la desprotección se lleva a cabo con un exceso de dimetil sulfuro (Síntesis de Péptidos. Erandi Lira Navarrete. Universidad Autónoma de México, Instituto de Biotecnología. Cuernavaca, México, pg. 11). Los métodos de síntesis anteriormente ilustrados muestran la preparación de algunos dipéptidos. Los péptidos que contienen muchos aminoácidos se preparan del mismo modo. Se protege adecuadamente cada reactivo, formándose luego el enlace peptídico. Se recupera el nuevo péptido, se protege de nuevo y la secuencia se repite hasta que se alcanza el polipéptido deseado. Por ejemplo, la síntesis de la Oxitocina (CYIQNCPLG). La estrategia para la síntesis de la oxitocina es la elongación gradual a partir del carboxilo terminal, cuyo grupo protector permanente es un etil éster, otros grupos permanentes utilizados son bencil éter para la tirosina y bencil éster para las cisteínas. El grupo temporal del amino utilizado es el benciloxicarbonilo, el cual es removido por HBr/AcOH: 149 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Síntesis de la Oxitocina Abreviaturas usadas para los grupos protectores: Cbz = Benciloxicarbonilo; Bn = Bencilo; ONp = p-Nitrofenoxilo (http://www.chm.bris.ac.uk/org/RJCox/4.1_Oxytocin.html) Lección 28. Proteínas 2.7. Proteínas. Las proteínas son los materiales que desempeñan un mayor número de funciones en las células de todos los seres vivos y son las biomoléculas más versátiles y más diversas. Por un lado, forman parte de la estructura básica de los tejidos (músculos, tendones, piel, uñas, etc.) y, por otro, desempeñan funciones metabólicas y reguladoras (asimilación de nutrientes, transporte de oxígeno y de grasas en la sangre, inactivación de materiales tóxicos o peligrosos, etc.). También son los elementos que definen la identidad de cada ser vivo, ya que son la base de la estructura del código genético (ADN) y de los sistemas de reconocimiento de organismos extraños en el sistema inmunitario. 150 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA 2.7.1. Clasificación y funciones. Las proteínas se clasifican según su composición química, en simples (Holoproteínas) y conjugadas (Heteroproteínas). Las simples producen después de su hidrólisis sólo aminoácidos. Las conjugadas después de ser hidrolizadas producen aminoácidos más otras moléculas no aminoacídicos conocidos como grupos prostéticos. Según su forma las proteínas pueden ser: Fibrosas: Presentan largas cadenas polipeptídicas y una estructura secundaria atípica. Esto no quieren decir que sean rectas, ya que además de su estructura primaria (secuencia de aminoácidos) tienen una estructura secundaria característica (disposición de los aminoácidos uno respecto de otro) que suele ser simple y repetitiva, como un enrollamiento helicoidal. Son insolubles en agua y en disoluciones acuosas aunque existen tratamientos que las solubilizan para su empleo industrial (por ejemplo, la gelatina que proviene del colágeno de huesos, pieles y raspas). Algunos ejemplos de éstas son el colágeno y la elastina, que aparecen ampliamente distribuidas en los tejidos animales en funciones de sostén, la quitina (caparazón de insectos, uñas, piel y cabello), fibroína (seda) y otras minoritarias (fibronectina…etc). Globulares: se caracterizan por doblar sus cadenas en una forma esférica apretada o compacta dejando grupos hidrófobos hacia adentro de la proteína y grupos hidrófilos hacia afuera, lo que hace que sean solubles en disolventes polares como el agua. La mayoría de las enzimas, anticuerpos, algunas hormonas y proteínas de transporte, son ejemplos de proteínas globulares. Otras proteínas importantes que pertenecen al tipo globular son la hemoglobina y la mioglobina. La mioglobina es el pigmento que aparece en el músculo esquelético de los animales, mientras que la hemoglobina aparece en la sangre. Contiene una cadena polipeptídica de 153 aminoácidos además de un grupo prostético de ferroporfirina. Tanto la hemoglobina como la mioglobina tienen las misión de transportar oxígeno y por ello tienen similitudes estructurales. La hemoglobina trasporta por la sangre el oxígeno capturado en los pulmones mientras que la mioglobina “se lo quita” cuando la sangre llega al músculo, actuando como aceptor y reserva de oxígeno del músculo. 151 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Mixtas: poseen una parte fibrilar (comúnmente en el centro de la proteína) y otra parte globular (en los extremos). Las proteínas desempeñan distintas funciones en los seres vivos, como se observa en la siguiente tabla: Tipos Ejemplos Localización o función Enzimas Ácido-graso-sintetosa Cataliza la síntesis de ácidos grasos Reserva Ovoalbúmina Clara de huevo Transportadoras Hemoglobina Transporta el oxígeno en la sangre Protectoras en la sangre Anticuerpos Bloquean a sustancias extrañas Hormonas Insulina Regula el metabolismo de la glucosa Estructurales Colágeno Tendones, cartílagos, pelos Contráctiles Miosina Constituyente de las fibras musculares 2.7.2. Estructura. La estructura de una proteína está determinada por la manera como ésta se organiza para adquirir cierta forma. En condiciones fisiológicas presentan una disposición característica, pero si las condiciones se cambian como la temperatura o pH, entonces pierden la conformación y también su función la cual viene determinada por la secuencia de aminoácidos. Este proceso es denominado desnaturalización. La organización de una proteína viene definida por cuatro niveles estructurales denominados: estructura primaria, estructura secundaria, estructura terciaria y estructura cuaternaria. Cada una de estas estructuras informa de la disposición de la anterior en el espacio: 152 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Estructura primaria: es la secuencia de aminoácidos de la proteína. Nos indica qué aminoácidos componen la cadena polipeptídica y el orden en que dichos aminoácidos se encuentran. La función de una proteína depende de su secuencia y de la forma que ésta adopte, por ejemplo: 153 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Estructura secundaria: se refiere a la orientación tridimensional de la macromolécula en el espacio. Los aminoácidos, a medida que van siendo enlazados durante la síntesis de proteínas y gracias a la capacidad de giro de sus enlaces, adquieren una disposición espacial estable, un ejemplo importante de este tipo de estructura de las proteínas es la α-hélice: Una conformación de α-hélice permite la formación de enlaces de hidrógeno intramoleculares entre el átomo de oxígeno carbonílico y el átomo de hidrógeno amídico del tercer aminoácido siguiente. En cada vuelta de la hélice están contenidos cerca de 3,6 aminoácidos, de manera que los enlaces de hidrógeno son sólo aproximadamente paralelos al eje de la hélice(Química Orgánica. Stanley H. Pine.,pg. 850). 154 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Las variedades de grupos que constituyen el polipéptido da lugar a muchas posibilidades de interacciones inter- e intramoleculares. Los enlaces de hidrógeno, las repulsiones esféricas, las atracciones de van der Waals y solvatación entre otros, son los que contribuyen a esta conformación tridimensional de las proteínas. Estructura terciaria: La estructura terciaria de una proteína representa el plegamiento de las cadena polipeptídicas. En definitiva, es la estructura primaria la que determina cuál será la secundaria y por tanto la terciaria. Esta conformación globular facilita la solubilidad en agua y así realizar funciones de transporte , enzimáticas , hormonales, etc. Esta conformación globular se mantiene estable gracias a la existencia de enlaces entre los radicales de los aminoácidos. Estructura cuaternaria: Esta estructura informa de la unión, mediante enlaces débiles ( no covalentes) de varias cadenas polipeptídicas con estructura terciaria, para formar un complejo proteico. Cada una de estas cadenas polipeptídicas recibe el nombre de protómero: 155 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA 2.7.3. Desnaturalización. Las fuerzas que mantienen la estructura tridimensional de las proteínas son relativamente débiles. La conformación natural de la proteína puede ser desbaratada o destruida por el calor, un cambio en el pH, efectos del medio o tensión mecánica. Este proceso se denomina desnaturalización cuya consecuencia significativa es que la proteína pierde su actividad biológica característica. La cocción de los alimentos es un ejemplo muy familiar de este proceso. Si bien la desnaturalización es un proceso irreversible, se conocen algunos ejemplos de proteínas que vuelven a sus estado normal cuando se eliminan los parámetros perturbadores. 156 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Ejercicios (Unidad 2- Capítulo 2) 1. Dar el nombre de las siguientes estructuras: O O H3C O a) H 2N OH b) H3 C OH CH3 NH2 c) OH NH2 CH3 O H3C d) 2. OH NH2 Escriba las estructuras de los siguientes aminoácidos: a) Cisteína b) Glutamina c) Ácido aspártico d) Ácido glutámico e) Tirosina 3. La propiedad más prominente de los aminoácidos es que poseen un carácter anfótero. Explique en qué consiste dicha propiedad. 4. Defina qué es punto isoeléctrico. 5. En un péptido a qué se denomina N-Terminal y C-Terminal. 157 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Capítulo 3: Compuestos heterocíclicos. Lección 29. Heterociclos Los heterociclos son moléculas cíclicas que contienen al menos un átomo diferente al carbono en la estructura anular, pueden contener o no sustituyentes de cualquier tipo, así como insaturaciones. Podrán estar formados por uno o más ciclos unidos entre sí por uno, dos o más eslabones, no es preciso que todos contengan heteroátomos, con que los contenga uno solamente, el compuesto será Heterociclo. Constituyen una parte importante de los compuestos orgánicos conocidos, y se encuentran ampliamente distribuidos en la naturaleza. Ejemplos: 3.1. Clasificación y nomenclatura. El siguiente esquema nos muestra la clasificación de los compuestos orgánicos cíclicos: COMPUESTOS ORGÁNICOS CÍCLICOS COMPUESTOS CARBOCÍCLICOS: solo contienen átomos de carbono en sus anillos COMPUESTOS HETEROCÍCLICOS: contienen otros elementos distintos del carbono (Heteroátomos) en sus anillos COMPUESTOS HETEROCÍCLICOS Monocíclicos 158 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA (según el número de anillos) Policíclicos COMPUESTOS HETEROCÍCLICOS (según su estructura) Aromáticos Alicíclicos Ejemplos: Compuestos Heterocíclicos Nomenclatura Sistemática de Heterociclos: (tomado de: http://depa.pquim.unam.mx/amyd/archivero/nomenclaturaheterociclos_9416.pdf) 159 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA 1. Para determinar el nombre de un heterociclo primero se mira si el sistema tiene un nombre trivial como los que aparecen en la Tabla 4, si no se encuentra, entonces se construye su nombre utilizando el sistema de Hantzch y Widman para sistemas mononucleares. 2. Los nombres de heterociclos con nombres triviales y semitriviales retenidos o reconocidos por la IUPAC son importantes porque éstos se utilizan como base para construir otros nombres de compuestos policíclicos. Los nombres triviales de sistemas anulares comunes tienen las siguientes características: • • • Se basan en el origen, propiedad física o biológica o preferencia del descubridor. No contienen información estructural útil. Son reconocidos por la IUPAC. Ejemplos: Picolina “alquitranado” Furfurol “aceite de salvado” Pirrol “rojo encendido” Tabla 4. Heterociclos con nombres triviales “reconocidos” 160 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Tabla 4. Heterociclos con nombres triviales “reconocidos” 161 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Tabla 4. Heterociclos con nombres triviales “reconocidos” a) se muestra el tautómero 1H 162 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Tabla 4. Heterociclos con nombres triviales “reconocidos” (tomado de: http://depa.pquim.unam.mx/amyd/archivero/nomenclaturaheterociclos_9416.pdf) Nomenclatura Sistemática (Hantzsch-Widman) para sistemas mononucleares: Para compuestos monocíclicos, la nomenclatura apropiada se deriva combinando un prefijo y sufijo apropiado a determinada raíz según las reglas siguientes: Prefijo: denota la naturaleza del heteroátomo. raíz: Tamaño del anillo. Sufijo: Especifíca el grado de insaturación. Prefijo-Raíz-Sufijo O, S, N, Se, Si, Te, B, etc. Tamaño del anillo: Saturado o Insaturado (3, 4 5, 6 miembros, etc.) a) La naturaleza del heteroátomo se denota mediante prefijos como oxo, tio o aza para oxígeno, azufre o nitrógeno respectivamente. b) La multiplicidad del mismo heteroátomo se designa mediante un prefijo adicional como di, tri, tetra, etc. c) Cuando existen dos o más heteroátomos se nombran en el siguiente orden: O > S > N; por ejemplo Oxazo (O y N), Tiazo (S y N) y Oxatio (O y S). Por ejemplo, si estuviesen presentes Oxígeno, Arsénico, Germanio, Nitrógeno, Azufre y Boro el prefijo compuesto por todos ellos sería Oxatiazarsagermabora. 163 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Tabla 5. Tabla de prefijos comunes. Elemento Oxígeno Azufre Selenio Teluro Nitrógeno Fósforo Arsénico Silicio Germanio Boro Valencia II II II II III III III IV IV III Prefijo * Oxa Tia Selena Telura Aza Fosfa Arsa Sila Germa Bora * La “a” final se elimina cuando el prefijo va seguido por una vocal d) El tamaño del anillo se denota mediante la raíz adecuada seleccionada de la Tabla 6. Tabla 6. Sufijos para heterociclos saturados e insaturados. Átomos en el ciclo 3 4 5 6 7 8 9 10 Compuestos insaturados Con nitrógeno irina Con otro heteroátomo ireno eto ol* ina ino epina(o) ocina(o) onina(o) ecina(o) Compuestos saturados Con nitrógeno iridina etidina olidina ina Con otro heteroátomo irano etano olano ano epano ocano onano ecano * olina N con sólo un doble enlace e) El grado de insaturaciones se especifica mediante el sufijo como se observa en la Tabla 6. Es conveniente observar que el sufijo se modifica ligeramente cuando no hay nitrógeno en el anillo heterocíclico. f) La numeración del anillo comienza con el heteroátomo de mayor prioridad y prosigue alrededor del anillo para dar los números menores posibles a los otros heteroátomos o sustituyentes: 164 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA g) Cuando un sistema que tiene el máximo número de dobles enlaces todavía contiene un átomo “saturado” en el anillo, este se indica con un número que indica su posición y la letra H- capital cursiva como prefijo. Cuando se puede elegir la numeración, se asigna el número lo más bajo posible a la posición indicada: h) Cuando el mismo nombre sirve para dos o más sistemas de anillos isómeros con el número máximo de dobles enlaces no acumulativos, y dicho nombre puede hacerse específico indicando la posición de uno o más átomos de hidrógeno en la estructura, se modifica el nombre mediante un número seguido por la letra H- capital cursiva para cada uno de dichos átomos de hidrógeno. Dichos símbolos suelen preceder al nombre: 165 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Los nombres de los heterociclos deben ir precedidos de los indicadores de posición de los respectivos heteroátomos, en el mismo orden en el cual ellos van, separados entre sí por comas y su conjunto precediendo al nombre y separado de él por un guión. Por ejemplo 1 2 3 S O O 6 N4 H NH 6 5 NH HAs 5 1,3,2,4,5,6-Dioxatiatriaza O 1 4 2 3 Si H2 NH S5 NH H N 4 NH 2 6 1 O 1,2,3,5,4-Oxadiazarsasila 3 S 1,2,5,3,4-Oxaditiadiaza Al establecer la numeración, deberá tenerse en cuenta lo siguiente: 1). Si el compuesto es un monociclo, el número 1 lo recibirá el heteroátomo que preferentemente ha de ir primero en el nombre del compuesto; el sentido de numeración será aquel para el cual se obtenga la agrupación numérica más baja en el conjunto de los heteroátomos, y en el supuesto de que sean posibles dos agrupaciones numéricas iguales, tendrá preferencia aquella que dé números más bajos. Por ejemplo: 1 HN3 3 O O 2 2 S 4 1 O 4 a) 5 6 6 3 4 2 NH 5 S 1 O b) 2 5 6 N 3 HN O 1 4 S c) O H3C 6 5 3 N N2 4 5 1 6 O N d) En el ejemplo a) uno de los O ha de ser número 1, esto lo cumpliría el O superior, así el conjunto de heteroátomos tendría la agrupación numérica 1, 2, 3, 4, 5; si empleásemos el O inferior, entonces tendríamos 1, 2, 3, 4, 6; la primera opción es la más baja y, por consiguiente, la aceptada. El S (sigue al O) no puede dirimir en este caso, a pesar de ser prioritario sobre el N. 166 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA En el caso del ejemplo b) habría que comenzar a numerar por el O inferior, y como se obtienen iguales agrupaciones numéricas a derecha e izquierda, se elige hacia la izquierda, porque de este modo el S recibe número más bajo que el N, ya que está antes que él en la tabla de prioridades. En el caso c) se ha de comenzar por el O y teniendo en cuenta que en uno u otro sentido el resto de heteroátomos es 3, 4, 5; es aquí donde el prefijo dihidro preside el sentido de la numeración y finalmente, en el ejemplo d), por las razones ya dichas, es el sustituyente metilo el que nos da el sentido a numerar. 2). En el caso de que el heterociclo sea Bi o Policiclo, los heteroátomos deben estar en, al menos, dos de los ciclos, ya que si, a pesar de ser policiclo, los heteroátomos estuviesen en uno sólo de los ciclos componentes, se estaría en el caso 1), es decir se trataría al compuesto como un monociclo. Numeración del Compuesto Heterocíclico: Al enumerar la periferia de un compuesto policíclico, la estructura se debe orientar primeramente siguiendo ciertas reglas: 1. El mayor número de anillos debe encontrarse a lo largo del eje horizontal. Orientación correcta Orientación incorrecta 2. De los demás anillos, la mayoría debe encontrarse hacia arriba y a la derecha del eje horizontal: 167 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Orientación correcta Orientación incorrecta 3. La numeración comienza por el anillo superior situado a la derecha y continúa en el sentido de las manecillas del reloj sin tener en cuenta las uniones de los anillos: 4. Cuando los demás factores son iguales, la orientación de los anillos debe ser tal que el heteroátomo tenga el menor número posible: Orientación correcta Orientación incorrecta 168 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Isoquinolina Pteridina Fenantridina Nomenclatura de Sistemas Anulares Fusionados: Los sistemas policíclicos se nombran según las siguientes reglas: a) Se elige el nombre del heteroanillo como el compuesto base y se le añade como prefijo el nombre del anillo unido a él. Por ejemplo: b) Los nombres de los componentes de los sistemas fusionados se eligen, siempre que sea posible, de la lista de nombres triviales “reconocidos”. Se selecciona el componente mayor que posee un nombre reconocido (p. ej., “indol” mejor que “pirrol” si está presente un fragmento de indol en el sistema policíclico). Cuando un componente 169 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA monocíclico no tiene un nombre trivial reconocido, se utiliza su nombre sistemático, que se deduce de las tablas anteriores: c) Al elegir el anillo base o fundamental cuando hay dos o más heteroanillos presentes, se da preferencia al anillo que contenga nitrógeno con respecto al anillo que contenga oxígeno (y al O con respecto al S). No obstante, al nombrar compuestos policíclicos cuando se encuentra presente un heteroátomo de oxígeno, se le concede el número menor según la regla g): d) El segundo componente se añade como prefijo al nombre del componente base. Dicho prefijo se deduce remplazando la “a” final del nombre sistemático anular por “o”. Así, “pirazina” se convierte en “pirazino”, etc. Hay algunas excepciones, que se indican en la Tabla 7. Tabla 7. Prefijos no estándar en nombres de fusión. Heterociclo Furano Imidazol Isoquinilina Piridina Quinolina Tiofeno Nombre como prefijo Furo Imidazo Isoquino Pirido Quino Tieno 170 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA e) Se da preferencia al sistema de anillo heterocíclico de mayor tamaño que tenga nombre sencillo. En el siguiente ejemplo, el nombre correcto es benzoquinolina, y no naftopiridina: Benzoquinolina f) Los enlaces que forman el sistema anular del componente base se designan como caras a, b, c, etc., comenzando con el lado que normalmente se numera como 1, 2, 3, etc. La cara “a” representa la comprendida entre los átomos 1 y 2; “b” entre los átomos 2 y 3, etc. g) Los átomos que forman el sistema anular del segundo componente se numeran de forma normal. h) Indicar la fusión de los anillos: 1. Para sistemas heterocíclicos fusionados con anillos hidrocarbonados la fusión se representa con una letra minúscula cursiva encerrada entre corchetes, la cual representará la cara de la parte heterocíclica a la que se ha fusionado la parte hidrocarbonada. (tomado de: http://depa.pquim.unam.mx/amyd/archivero/nomenclaturaheterociclos_9416.pdf) 171 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA (tomado de: http://depa.pquim.unam.mx/amyd/archivero/nomenclaturaheterociclos_9416.pdf) 2. Para sistemas heterocíclicos, la fusión se indica entre corchetes, con la letra minúscula cursiva y números apropiados, mencionando primero, los números del anillo fusionado en la secuencia en que se presenta en el componente base: FUSION: [Número del primer átomo del anillo fusionado, Número del segundo átomo del anillo fusionado-Cara del Componente Base]: Pirimidina Pirrol (tomado de: http://depa.pquim.unam.mx/amyd/archivero/nomenclaturaheterociclos_9416.pdf) Lección 30. Aromaticidad 3.2. Aromaticidad, Estructura y Propiedades. Si se examina la representación por enlaces de valencia de la piridina, es razonable el carácter aromático del compuesto. La piridina es el aza análogo (un átomo de nitrógeno en lugar de un carbono anular) del benceno. La energía de resonancia de la piridina (43 Kcal/mol) es mayor que la del benceno (36 Kcal/mol). Este heterociclo además de tener dos estructuras de resonancia de Kekulé idénticas 1 y 2, posee otras tres estructuras iónicas de resonancia 3-5, en las cuales el átomo de nitrógeno que es receptor de 172 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA electrones, obtiene un par de electrones de los carbonos α- ο γ- del anillo; ante esto los carbonos α- ο γ quedan cargados positivamente: + N .. N .. 1 2 + .. .. N .. - N .. - N .. - 3 4 5 .. + Por esta razón en la piridina la sustitución electrofílica se lleva a cabo sólo en la posición β aunque no es fácil efectuar este tipo de sustitución. Por ejemplo, la bromuración es posible solo si se lleva a cabo en una fase de vapor a una temperatura de 300 °C, la sulfitación y nitrura ción son difíciles de realizar. Por esta razón el carácter aromático de la piridina corresponde más a la del nitrobenceno que a la del benceno. La piridina es una molécula plana. El par electrónico no enlazante del nitrógeno no se encuentra directamente implicado en el sistema π, dado que ocupa un orbital molecular sp² en el plano del anillo (perpendicular a los electrones π). La piridina es menos básica que las aminas alifáticas. Esto podría parecer sorprendente a la vista del par electrónico no enlazante sobre el átomo de nitrógeno. El átomo de hidrógeno unido a un átomo de carbono saturado es menos ácido (el carbanión conjugado es más básico) que el unido a un átomo de carbono alquénico, el cual, a su vez, es menos ácido que un hidrógeno acetilénico. Esta variación en la acidez de los hidrocarburos se atribuye a los diferentes orbitales moleculares que acomodan los respectivos pares electrónicos de las bases conjugadas. Un razonamiento similar se aplica a la basicidad de la piridina. El par electrónico se encuentra localizado en un orbital molecular sp², mientras las aminas alifáticas utilizan un orbital sp³. El mayor carácter s justifica la disminución en la disponibilidad de los electrones para reaccionar con un protón. El heterociclos pentagonales tiofen, pirrol y furano como puede verse de sus energías de resonancia S Tiofen 27,7 Kkal/mol N H Pirrol 24,5 Kkal/mol O Furano 22,2 Kkal/mol 173 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA son menos aromáticos que el benceno y su estabilización es similar a la del benceno y a la de la piridina: Estructuras contribuyentes en la resonancia del pirrol El pirrol ilustra una situación diferente a la de la piridina, el par electrónico situado sobre el nitrógeno forma parte del sistema aromático. Este compuesto tiene una muy baja basicidad comparada a las aminas más comunes y a otros compuestos aromáticos como la piridina. Esta disminuida basicidad relativa es causada por la deslocalización electrónica del par solitario del átomo de nitrógeno del anillo aromático; su protonación resulta en la pérdida de su aromaticidad. En el caso del tiofeno el desplazamiento del par de electrones no compartido del átomo de azufre hacia el carbono-α crea la estructura II y su desplazamiento hacia el carbonoα´ la estructura III: S .. S S + + I II III Las estructuras II y III con centros de mayor densidad electrónica en las posiciones α determinan que las reacciones de sustituciones electrofílicas en el tiofeno transcurran en esas posiciones. Las sustituciones de este tipo se realizan más fácilmente que en el caso del benceno. 3.3. Heterociclos aromáticos, reactividad. La piridina, el pirrol, el furano y el tiofeno constituyen una parte importante de los compuestos orgánicos conocidos, y se encuentran ampliamente distribuidos en la naturaleza. Estos heterociclos se extraen del alquitrán de carbón. Otros heterociclos 174 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA como la adenina, la guanina, la citosina y el uracilo son bases de importancia crítica como portadoras del código genético en los ácidos nucleicos: N7 5 9 4 6 8 NH N N 1 O NH2 O NH2 NH N NH 2 3 NH N Adenina N NH NH2 Guanina O Citosina NH O Uracilo Dentro de los heterociclos aromáticos también se encuentran los alcaloides, sustancias que son bases nitrogenadas y que se encuentran en las plantas y se caracterizan por sus efectos fisiológicos notables. La psilocibina por ejemplo, aislada de ciertos hongos, provoca alucinaciones y desorientación del comportamiento. Las vitaminas son otro grupo importante perteneciente al grupo de heterociclos aromáticos; la niacina (B3), riboflavina (B2) y tiamina(B1) son esenciales para la nutrición humana: HO O H3C N OH S HO H NH2 + N N HO H Cl N HO H CH3 NH2 Niacina (ácido nicotínico) o H H Vitamina B3 H3C N H3C N N O Tiamina o Vitamina B1 NH O Riboflavina o Vitamina B2 Las reacciones de los heterociclos con anillos de cinco y seis miembros son similares a las reacciones de sustitución aromática que ya se han visto para los hidrocarburos bencenoides. El heteroátomo, no obstante, igual que un sustituyente en el anillo bencénico, posee un pronunciado efecto sobre el curso de la reacción. 175 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Reacciones de las piridinas. La piridina experimenta una sustitución electrófila muy lentamente. Reacciona de forma muy similar a un anillo bencénico desactivado. Además, la sustitución como ya se vió, tiene lugar en la posición-β del anillo. Al examinar los intermedios esperados para la sustitución electrofílica sobre el anillo de la piridina observamos lo siguiente: Sustitución en la posición + + E N .. E N H H .. A E + N .. H B C Sustitución en la posición E H + N .. + E E H + H N N .. .. E D F Sustitución en la posición E H E H E H + + + N .. N .. G N .. H I La desactivación con respecto al benceno puede atribuirse parcialmente al efecto inductivo atrayente de electrones del átomo de nitrógeno que desestabiliza el catión intermedio. De las tres estructuras resonantes que pueden dibujarse para cada posición del ataque electrófilo, tanto la sustitución en la posición-α como en la posición-γ implican una forma con contribución muy escasa. Las estructuras C y H poseen cada 176 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA una una carga positiva sobre un átomo de nitrógeno deficiente en electrones. Esto es diferente de la configuración favorable de un ión de amonio, el cual posee un octeto electrónico. La posición β es por consiguiente más reactiva frente a la sustitución electrófila que las posiciones α y γ. La mayor parte de las reacciones de sustitución electrófila de la piridina son inhibidas por el carácter nucleófilo y básico del átomo de nitrógeno. Los ácidos protonan el átomo de nitrógeno formando un catión piridinio. El anillo queda tan desactivado que la sustitución electrófila sólo tiene lugar en las condiciones más enérgicas. Las reacciones de Friedel-Crafts no tienen lugar en absoluto: NO2 HNO3/KNO3/H2SO4 N Fe/ 300 oC SO3H H2SO4 / SO3 N ∆ N N 3-Nitropiridina Ácido 3-piridinasulfónico 22% 71% La sustitución nucleófila sobre la piridina es favorable. Un ejemplo de este hecho es la poco usual sustitución de un hidruro por el anión amiduro (reacción de Chichibabin). En este caso, la carga negativa se encuentra parcialmente acomodada en el intermedio dado que el átomo de nitrógeno piridínico posee un octeto electrónico completo: + NaNH2 ∆ N N NH2 2-Aminopiridina 80% a través de: NH2 N H NH2 N H .. N .. NH2 H 177 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Reacciones de los heterociclos de cinco miembros. Los compuestos más frecuentes y de mayor interés son el pirrol, tiofeno y el furano. Entre sus principales características podemos mencionar las siguientes: Al examinar los intermedios esperados para la sustitución electrofílica sobre el anillo de los heterociclos pentagonales observamos lo siguiente: 1. Sustitución en la posición + .. Z E + H E .. E H Z Z + H Sustitución en la posición .. Z E E H H + Z + a) La sustictución electrofílica está favorecida en la posición b) pirrol >> tiofeno, furano La sustitución es más favorable en la posición-α y la resonancia contribuye a la estabilidad del intermedio. 3. Los heterociclos pentagonales NO reaccionan con E+ por el heteroátomo: H+ + N H N H H 4. El efecto de los sustituyentes es el mismo que en el benceno, pesando mucho la activación del anillo. 178 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA 5. En estos compuestos no se llevan a cabo reacciones nucleofílicas, salvo excepciones, sobre todo en el tiofeno y furano. 6. Tienen carácter aromático, lo que afecta sus propiedades, no reaccionan de igual manera que otros compuestos con heteroátomos unidos con un doble enlace. El tiofeno es más aromático que el pirrol y éste más que el furano. Debido a esta diferencia en el carácter aromático, el furano es el que más se comporta como si fuera un heteroátomo unido a un sistema de dobles enlaces. Esta diferencia se debe a que el átomo de oxígeno del furano atrae los electrones más fuertemente que el N o S del pirrol y tiofeno. 179 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Ejercicios (Unidad Dos- Capítulo 3) 1. Escriba las fórmulas estructurales de los siguientes compuestos: a) Picolina b) Furfurol c) Pirrol d) Furano e) Tiofeno 2. Dé el nombre trivial de los siguientes compuestos: a) b) c) d) e) 3. Escriba las estructuras de resonancia de la piridina. 4. Enumere los átomos de la periferia de los siguientes heteroanillos: a) b) 180 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA c) 5. Nombrar los siguientes compuestos según la nomenclatura de Sistemas Anulares Fusionados: a) b) c) 181 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Respuestas ejercicios (Unidad 2- Capítulo 1) 1. a) a), b) y d) son aldosas; c) y f) son cetosas. b) a) y b) son hexosas; d) y f) son pentosas; c) es una tetrosa. c) a), c) y d) son azúcares D; b) y f) son azúcares L 2. H H OH H OH OH C H OH H O OH H HO H H OH OH H H OH H OH H OH H O H OH H O CH2 OH CH2 OH α-D-Glucopiranosa [α]D = +112° D-Glucosa [ α]D = +52° CH2 OH β -D-Glucopiranosa [ α]D = +19° 182 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA 3. a) b) 4. a) Sacarosa: c) d) e) b) Lactosa: 5. Molécula de la celulosa: 183 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Respuestas ejercicios (Unidad 2- Capítulo 2) 1. a) Glicina Gly (G) O H2N b) Leucina OH O Leu (L) H3C c) Alanina OH CH3 NH2 O Ala (A) H3 C OH NH2 d) Valina Val (V) CH3 O H3C OH NH2 2. a) Cisteína Cys (C) O HS OH NH2 b) Glutamina Gln (Q) NH2 O O OH NH2 c) Ácido aspártico Asp (D) O HO OH O NH2 184 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA d) Ácido glutámico O Glu (E) O HO OH NH2 e) Tirosina O Tyr (Y) OH HO NH2 3. La propiedad más prominente de los aminoácidos es que poseen un carácter anfótero, es decir pueden actuar como ácidos o como bases. 4. En pH en el cual el aminoácido se encuentra en una forma eléctricamente neutra (estructura b) para la glicina), se conoce como el punto isoeléctrico, pI o pHi y se encuentra a medio camino entre los valores de pKa1 y pKa2 de la mayoría de aminoácidos. 5. Al grupo amina que se encuentra libre en uno de los extremos del péptido se le denomina N-Terminal, y al grupo carboxilo que se encuentra libre en el otro extremo se le denomina C-Terminal: NH2 H3 C N-Terminal O NH OH O C-Terminal 185 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA Respuestas ejercicios (Unidad 2- Capítulo 3) 1. a) b) Picolina “alquitranado” Furfurol “aceite de salvado” d) Pirrol “rojo encendido” e) Furano 2. a) c) Tiofeno b) c) d) e) 186 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA 3. + N .. N .. + .. N .. - .. .. N .. - N .. - + 4. a) b) c) 187 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA 5. a) b) Benzotiazol Benzoxazol c) Benzoquinolina (No Naftopiridina) 188 Ácidos carboxílicos y derivados, Biomoléculas 401590 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÀSICAS TECNOLOGÌAS E E INGENIERÍA UNIDAD DE CIENCIAS BÁSICAS QUÍMICA BIBLIOGRAFÍA Consulta: Química orgánica. De la Torre G., Moreno P., UNISUR. Bogotá, 1986 2 volúmenes. Química orgánica. Allinger N. Et al. Barcelona: Reverté. 1973. Manual de Química Orgánica. Hans Beyer, Wolfgang Walter. Editorial Reverté, S.A. España. 1987. Química Orgánica. Estructura y reactividad. Tomo 2. Editorial Reverté, S.A. España. 2000. Química Orgánica. Hart, H., Hart, D. Craine, L. McGraw-Hill. México. 1995. Química orgánica y bioquímica. Burton, D.; Routh, J. México: Interamericana. 1977. 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