química orgánica general

UNIVERSIDAD DEL VALLE
VICERRECTORIA ACADÉMICA
DIRECCIÓN DE EDUCACIÓN DESESCOLARIZADA
CURSO DE
QUÍMICA ORGÁNICA GENERAL
AUTORA:
LUZ MARINA JARAMILLO PhD
Profesora Titular
Facultad de Ciencias - Departamento de Química
Santiago de Cali, 2002
ÁCIDOS CARBOXILICOS Y SUS DERIVADOS: SUSTITUCIÓN
NUCLEOFILICA EN CARBONO ACILO
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
ESPECÍFICOS
7.1
ESTRUCTURA Y FORMULA GENERAL
7.2
FUENTE NATURAL Y PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS
ÁCIDOS CARBOXILICOS
7.3
PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS ÁCIDOS CARBOXILICOS
7.4
REACCIONES DE LOS ÁCIDOS CARBOXILICOS
7.4.1
Acidez
7.4.2
Conversión a Cloruros de Acido
7.4.3
Formación de Anhídridos
7.4.4
Formación de Esteres: Esterificación
7.4.5
Reducción de Ácidos Carboxílicos a Alcoholes
7.5
PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS DERIVADOS DE ÁCIDOS
CARBOXILICOS
7.6
SUSTITUCIÓN NUCLEOFILICA EN CARBONO ACILO
REACTIVIDAD DE LOS DERIVADOS DE ÁCIDOS
CARBOXILICOS
7.6.1
Hidrólisis. Formación de Ácidos Carboxílicos
7.6.1.1
De Cloruros de Acilo
7.6.1.2
De Anhídridos
7.6.1.3
De Esteres
7.6.1.4
De Amidas
7.6.2
Alcohólisis. Formación de Esteres
7.6.2.1
De Cloruro de Acilo
7.6.2.2
De Anhídridos
7.6.2.3
De Esteres - Transesterificación
7.6.3
Amonólisis. Formación de Amidas
7.6.3.1
De Cloruros de Acilo
7.6.3.2
De Anhídridos
7.6.3.3
De Esteres
7.7
REDUCCIÓN DE LOS DERIVADOS DE ACIDO
7.8
ACIDEZ DE HIDRÓGENOS ALFA (α) EN ESTERES
7.8.1
Condensación de Claisen; Síntesis de β-Cetoésteres
7.8.2
Alquilación de Esteres Dicarbonilos
7.8.2.1
Alquilación del Ester Malónico: Síntesis de Ácidos Acéticos αSustituidos
7.8.2.2
Alquilación del Ester Acetoacético: Síntesis de Acetonas αSustituidas
7.9
OTROS DERIVADOS DE ACIDO
7.9.1
Tioésteres
7.9.2
Nitrilos
7.10
ANÁLISIS QUÍMICO DE ÁCIDOS CARBOXILICOS Y DERIVADOS DE
ACIDO
7.11
LIPIDOS
7.11.1
Grasas y Aceites
7.11.1.1
Propiedades Físicas
7.11.1.2
Rancidez
7.11.2
Jabones - Saponificación
7.11.3
Detergentes Sintéticos
7.11.4
Ceras
INTRODUCCIÓN
Se tratará en esta Unidad, la química de los ácidos carboxílicos, RCO2H y sus derivados
funcionales, R-COX. Tales compuestos contienen también el grupo carbonilo pero difieren
de los aldehídos y cetonas en que el grupo carbonilo está unido, como mínimo, a un
heteroátomo: oxígeno, nitrógeno o halógeno. Todas las sustancias de esta gran familia de
compuestos orgánicos se encuentran muy repartidas en la naturaleza.
Los ácidos carboxílicos, son los productos de descomposición oxidativa de materiales
orgánicos; muchos ésteres son componentes de los aromas de las frutas y las amidas
constituyen el esqueleto de la estructura proteica. Los otros dos importantes miembros de
este grupo, los halogenuros de acilo y los anhídridos. no se encuentran en la
naturaleza.
La química de todos los miembros de esta familia está muy relacionada a través del grupo
carbonilo, que aquí también es susceptible al ataque por parte de nucleófilos y es
responsable del aumento de acidez de los átomos de hidrógeno v de muchas de estas
sustancias.
Existe, no obstante una importante diferencia entre la química de los compuestos
carbonílicos (aldehídos y cetonas) y la de los derivados de los ácidos carboxílicos. Los
aldehídos y cetonas experimentan adiciones nucleófilas al grupo carbonilo, insaturado, que
conducen a aductos saturados, relativamente estables.
nucleófilas sobre los
En contraste, las adiciones
grupos carbonilo de los ácidos carboxílicos y sus derivados conducen a intermedios
inestables quo continúan reaccionando para generar el doble enlace carbonooxígeno. Veremos que una gran parte de la química de los ácidos carboxílicos y
sus derivados es la conversión de uno de sus miembros en otro. El proceso
constituye otra clase de reacción general que es la "Sustitución Nucleofílica en
Carbono Acilo".
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Al finalizar este material el estudiante estará en capacidad de:
1.
Dado un conjunto de ácidos carboxílicos, ordenarlos por su fuerza ácida,
creciente a decreciente a través de un análisis estructural.
2.
Interpretar las propiedades físicas de ácidos carboxílicos y sus derivados con
base en su estructura.
3.
Relacionar el nombre común de varios ácidos carboxílicos con la fuente
natural de su procedencia.
4.
Explicar el mecanismo general de sustitución nucleofílica en carbono acilo.
5.
Ejemplificar la reactividad relativa de los diferentes derivados de ácido con la
reacción de hidrólisis.
6.
Aplicar el mecanismo general de sustitución nucleofílica en carbono acilo a
las diferentes conversiones de un derivado
de ácido en otro.
7.
Dada la estructura de un ácido carboxílico o derivado de ácido y determinadas
condiciones de reacción, escribir la estructura del producto que se forma.
8.
Describir la naturaleza química de los tioésteres,
9.
Describir la naturaleza química de los nitritos.
10. Explicar y representar con ecuaciones químicas pruebas químicas sencillas que
permitan diferenciar los diferentes compuestos orgánicos con el grupo acilo entre sí,
y
de otros compuestos orgánicos.
11. Escribir
las
estructuras
de
varios
compuestos representativos de la familia de
los Iípidos.
12. Interpretar algunas propiedades químicas y físicas de ácidos grasos, grasas, aceites,
ceras, jabones y detergentes con base en su estructura.
DESARROLLO DEL CONTENIDO
7.1 ESTRUCTURA Y FORMULA GENERAL
El grupo carboxilo
química y la bioquímica.
es uno de los grupos funcionales mas abundantes en la
El carbono del grupo carboxilo está hibridizado
sp2.
A
continuación se muestran las dimensiones de los enlaces C-O y el ángulo de enlace:
No sólo los ácidos carboxílicos son importantes en si misinos, sino que el grupo carboxilo
es el grupo del cual se deriva una gran familia de compuestos (Tabla 7.1).
Tales compuestos contienen el grupo acilo:
Como resultado de ello a menudo se les conoce como compuestos acílicos.
8
Tabla 7.1 Derivados de los Ácidos Carboxílicos
Estructura
Nombre General
7.2 FUENTE NATURAL Y PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS ÁCIDOS
CARB0XILICOS
Aunque los ácidos carboxílicos constituyen la mayoría de los ácidos orgánicos, es
importante mencionar que existen otros ácidos
9
orgánicos, los llamados Ácidos sulfónicos, que son menos comunes.
Los ácidos carboxílicos como ya se mencionó, contienen el grupo carboxilo.
Los ácidos sulfónicos contienen un átomo de azufre en su fórmula y el grupo sulfónico;
Muchos de los ácidos carboxílicos comúnmente conocidos se obtuvieron primero de
fuentes naturales, especialmente ciertas frutas, grasas y aceites. De hecho los llamados
ácidos grasos son compuestos de tres a dieciocho carbonos de cadena no ramificada.
Con un número > 9 átomos de carbono sólo los números pares (12, 14, 16, 18) son
abundantes en la naturaleza.
Numerosos ácidos carboxílicos han recibido nombres comunes derivados de palabras
griegas o latinas que indican las fuentes naturales de donde proceden.
Veamos el origen de algunos de ellos: El ácido fórmico (latin fórmica hormiga) es un
líquido irritante de olor agudo
10
responsable de la picadura de ciertas hormigas y de la ortiga.
El
ácido acético
(latin,
acetum o vinagre) dá
la
acidez
al vinagre,
donde
su
concentración es de 4 ó 5%. Debido a que el ácido acético (p.f. 16.6º C) congela y a un
sólido como el hielo en un cuarto frío se le denomina ácido acético glacial.
El ácido
propiónico (griegos proto, primero + pion, grasa). El ácido butírico (latin: butyrum o
mantequilla) es uno de los compuestos responsables del olor de la mantequilla rancia.
El ácido valérico (latin: valerium, de la raíz de la valeriana) de olor fuerte. Los ácidos
caproico (C-6) , caprílico (C-8) y cáprico (C-10) (latín: caper, cabra) son compuestos de
olor desagradable asociados con el olor de las cabras.
oenanthe, flor de la vid).
El ácido pelargónico
El ácido enántico
(C-9) proviene del
(C-7) (griego:
pelargonio
(una
geraniacea), el ácido láurico
(C-12) se extrae del laurel, el ácido mirístico (C-14) de la nuez moscada, el ácido
palmítico (C-16) del aceite de palma, el ácido esteárico (griego: stear, sebo o grasa).
Otros tres ácidos grasos naturales importantes son los insaturados: oleico (cis-9octadecenoico)
abundante
en
el
aceite
de
olivas,
linoleico
(cis,cis-9,12-
octadecadienoico) un ácido graso esencial en la dieta, es abundante en el maíz, semilla
de algodón, maní y soya; linolénico (cis,cis,cis, 9, 12, 15-octadecatrienoico) se
encuentra principalmente en el aceite de linaza y de Tung.
Los ácidos dicarboxílicos sencillos como también los ácidos carboxílicos que incorporan
otros grupos
11
funcionales (dobles enlaces, grupos hidroxilo, amino y carbonilo)
se les denomina frecuentemente con nombres comunes (no sistemáticos):
12
Algunos ácidos carboxílicos aromáticos que contienen diversos sustituyentes en el anillo,
se acostumbra denominarlos por sus nombres comunes:
Ejercicio 7.1
Nombre sistemáticamente los ácidos: tartárico, málico, cítrico, fluoroacético, sarcosina,
isoftálico, antranílico y gálico.
Los ácidos carboxílicos son sustancias muy polares y pueden formar puentes de
hidrógeno entre sí y con el agua. El grupo carboxilo está idealmente estructurado para
formar dos puentes de hidrógeno entre un par de moléculas (e.g. dos moléculas de ácido
carboxílico, una molécula de ácido carboxílico y otra de agua). Un par de moléculas de
ácido carboxílico, unidos por puentes de hidrógeno se llama con frecuencia dímero de
ácido carboxílico.
13
un dímero de ácido carboxílico
puentes de hidrógeno con agua
Las propiedades físicas de los ácidos carboxílicos reflejan entonces la fuerte
asociación de sus moléculas.
relativamente altos.
Así, los puntos de fusión
y de ebullición son
Un ácido carboxílico tiene un punto de ebullición mas alto
que un alcohol del mismo peso molecular. Por ejemplo:
Con respecto a la solubilidad los cuatro primeros miembros de la serie homologa
son completamente solubles en agua. Pero a medida que aumenta el número de
carbonos de la cadena alifática disminuye la solubilidad en agua. Por otro lado, los
ácidos carboxílicos son solubles en disolventes orgánicos menos polares, como
éter, alcohol, benceno, etc. La Tabla 7.2 alista los puntos de fusión, de ebullición,
solubilidad en agua y constantes de acidez de varios ácidos carboxílicos
seleccionados.
Además, otra propiedad (no física sino fisiológica) de los ácidos
14
carboxílicos (como hasta diez átomos de carbono) es su olor que se extiende desde los
fuertes e irritantes del fórmico y acético hasta los abiertamente desagradables del butírico,
valérico caproico.
Por otro lado, la Tabla 7.3 alista los ácidos dicarboxílicos mas importantes los cuales se
conocen principalmente por sus nombres comunes.
15
Tabla 7.2 Ácidos Carboxílicos (Continuación)
16
Tabla 7.3 Ácidos Dicarboxílicos
7.2.1 Ácidos Carboxílicos y sus Sales como Aditivos en Alimentos
Benzoato de Sodio
La sal de sodio del ácido benzoico se usa como un aditivo en alimentos y bebidas que
naturalmente tienen valores de pH entre 4.5 ó 4.0. Actúa para prevenir el crecimiento de
levaduras y bacterias dañinas, sirviendo así como agente antimicrobiano. El benzoato de
sodio se usa entonces en bebidas carbonatadas y
17
no-
gaseosas, almíbares, mermeladas, jaleas, conservas, margarinas saladas,
ensaladas de frutas, escarchados y pasteles rellenos. Las concentraciones se
limitan a 0.05-0.10%. Ni el benzoato ni el ácido benzoico se acumulan en el cuerpo,
y el benzoato de sodio ha sido reconocido como seguro cuando se usa de acuerdo
a los límites dados.
Propionatos
Las sales de sodio y calcio del ácido propiónico: propionato de sodio y propionato de calcio,
se usan ampliamente en alimentos horneados y queso procesado para prevenir la
formación de mohos e inhibir la bacteria responsable de la lama en el pan. El ácido
propiónico ocurre naturalmente en el queso suizo y su concentración puede llegar hasta ≅
1%. Como aditivos de alimentos, las sales de sodio y calcio se
limitan
entre 0.3-
0.4%.
Acido Sórbico y los Sorbatos
El ácido sórbico es un
sólido blanco con
dos dobles enlaces C-C por molécula.
Tanto el ácido sórbico y sus
CH3-CH=CH-CH=CHC02H
ácido sórbico
sales de sodio y potasio se añaden a una variedad de alimentos para inhibir el
crecimiento de mohos y almidones. Estos aditivos son efectivos a valores de pH de
6.5 mas altos que el límite superior efectivo para benzoatos y propionatos. Se usan
en jugos de frutas, frutas frescas, vinos, bebidas suaves, encurtidos y otros
productos en conserva, y algunas carnes rojas y pescado. Con algunos alimentos,
tales corno queso, pescado ahumado, y
18
frutas secas, las soluciones de sales de ácido sórbico se esparcen sobre las superficies
de las envolturas o empaques.
7.4 REACCIONES DE LOS ÁCIDOS CARBOXILICOS
El comportamiento químico característico de los ácidos carboxílicos queda determinado
por su grupo funcional, el carboxilo -COOH. Esta función consta de un grupo carbonilo
(C=0) y de un grupo hidroxilo (-OH). Veremos que el -OH sufre, de hecho, casi todas las
reacciones (pérdida de H+ o reemplazo por otro grupo) pero lo hace de un modo que solo
es posible gracias a la presencia del C=0.
7.4.1 Acidez
Los ácidos carboxílicos (RCO2H) y los ácidos sulfónicos (RS03H) son compuestos
orgánicos mas ácidos que el ácido carbónico (H2CO3). En un medio acuoso, las moléculas
de los ácidos orgánicos mencionados interaccionan con moléculas de agua y ocurre una
ionización suave que produce iones hidronio (H3O+) e iones carboxilato
sulfonato (RSO3-) . En general:
Una solución 1M de ácido acético está ionizada alrededor de
19
(RCO2-)
o
0.5% a temperatura ambiente. Los ácidos carboxílicos son donores relativamente débiles;
ellos son ácidos débiles. Los valores de Ka para varios ácidos se dan en las Tablas 7.2 y
7.3.
Las cantidades entre corchetes son las concentraciones en mol/L de los iones o moléculas
presentes en el equilibrio dados arriba (Ec. 7.1). Entre mayor sea el valor de Ka, más fuerte
el ácido. Todos los valores Ka de los ácidos carboxílicos son del orden de 10
-5
,
comparados a los alcoholes de 10 -16 y los fenoles 10 -10.
Debido a que
son mas ácidos que el ácido carbónico (Ka1 = 4.2 x 10
carboxílicos experimentan una reacción
como son bases mas fuertes, tales como
-7
) los ácidos
ácido-base tanto con el bicarbonato de sodio
NaOH para formar sales de
carboxilato.
Una sal orgánica tiene muchas de las propiedades físicas de las correspondientes sales
inorgánicas (e.g. elevados puntos de
20
fusión, solubilidad en agua, inodora). Para el nombramiento de las sales derivadas
de ácidos carboxílicos.
Mientras los ácidos carboxílicos reaccionan con bicarbonato de sodio, los fenoles
requieren la base NaOH mas fuerte, y los alcoholes requieren una base todavía
mas fuerte, tal como NaNH2.
En NaHCO3:
En NaOH:
La diferencia entre fenoles y ácidos carboxílicos en la reactividad frente al NaOH y
al NaHCO3 es la base de un sencillo procedimiento de separación y clasificación. Si
un compuesto insoluble en agua se disuelve en disolución de NaOH, pero no
disolución de NaCHO3, es probable que sea un fenol. Por otra parte, si el
compuesto se disuelve en ambas disoluciones (la de NaOH y la de NaHCO3) , es
probable que sea un ácido carboxílico.
N.R. = No Reacciona
21
Además, un ácido carboxílico se puede extraer de una mezcla de compuestos
orgánicos insolubles en agua con una disolución de bicarbonato de sodio. El ácido
forma la sal de sodio y se torna soluble en agua, mientras los otros compuestos
orgánicos permanecen insolubles. El ácido carboxílico libre se obtiene por
acidificación de la disolución acuosa.
Estructura vs Fuerza Acida
En la Tabla 7.2 se observa que la mayoría de los ácidos carboxílicos no
sustituidos tienen un valor de
Ka
en el intervalo de 10
-4
a 10
-5
.
Y esta
acidez mayor que fenoles y alcoholes pueden explicarse en parte a la presencia
del segundo oxígeno del grupo carbonilo, el cual ayuda a halar los electrones del
enlace -:0-H dejando muy suelto el hidrógeno.
De aquí que el hidrógeno (o
protón) fácilmente es capturado por moléculas de agua en una disolución acuosa.
Por otro lado la deslocalización de la carga negativa en el anión carboxilato es el
otro factor que favorece la acidez de los ácidos carboxílicos:
Estructuras resonantes
Híbrido
Sin embargo, las otras partes de la molécula pueden afectar también la fuerza
ácida. Al comparar los valores de Ka de los ácidos: acético, cloroacético; dicloro
acético y tricloro acético.
22
Se observa cómo varia la fuerza ácida desde el ácido acético al tricloroacético. Es obvio
que este resultado surge del efecto inductivo del cloro electronegativo que estabiliza al
anión carboxilato (o base conjugada) de carga negativas
Los grupos que atraen también aumentan la acidez de los ácidos aromáticos. Compare
los ácidos clorobenzoicos o nitrobenzoicos con el ácido benzoico (Tabla 7.2).
Por último, en los ácidos dicarboxílicos como sucede con otros ácidos que contienen más
de un hidrógeno ionízable (H2SO4, H2C03, H3PO4, etc.), la ionización del segundo grupo
carboxilo ocurre con menor facilidad que la del primero (compárense las K1 y
Tabla 7.3)
K1 > K2
7.4.2 Conversión a Cloruros de Acido
Los cloruros de ácido (o cloruros de acilo:
23
K2 en la
se preparan fácilmente, al calentar un ácido carboxílico con uno de los siguientes reactivos:
cloruro de tioni lo, SOCl2) tricloruro de fósforo, PCl3 o pentacloruro de fósforo. PCl5. El
cloruro de tionilo es el reactivo preferido para preparar cloruros de ácido, debido a que sólo
produce subproductos gaseosos. Estas reacciones deben realizarse bajo una campana
extractora eficiente.
Ejemplos:
Obsérvese que la reacción neta es el reemplazo de un grupo hidroxilo por un átomo de
cloro.
7.4.3 Formación de Anhídridos
Al calentar ácidos carboxílicos en presencia de pentóxido de fósforo (P2O5) se generan
anhídridos simétricos por deshidratación entre dos moléculas del ácido carboxílico.
Los ácidos carboxílicos reaccionan con cloruros de ácido en la presencia de piridina para
dar anhídridos:
24
Es el
método más frecuentemente usado en
el
laboratorio para preparar
anhídridos mixtos y simétricos.
Ciertos ácidos dicarboxílicos se hidratan por simple calentamiento para formar
anhídridos cíclicos. Esta reacción toma lugar si el anillo que se produce es de 5 ó
6
miembros:
Ejercicio 7.2
Escriba la estructura del anhídrido que se produce al calentar el ácido ftálico a
230°C.
7.4.4 Formación de Esteres: Esterificación
Los ácidos carboxílicos pueden transformarse directamente en ésteres al
calentarlos con alcoholes en presencia de una cantidad catalítica de ácido mineral
(generalmente H2SO4). Esta reacción conocida como esterificación forma agua
como subproducto y es reversible. Alcanza el equilibrio cuando aún quedan
cantidades apreciables de reaccionantes.
25
Después
de
varias horas se obtiene en el equilibrio
2/3
del éster y de H2O
1/3
de ácido y de alcohol
Para favorecer el equilibrio hacia la derecha suele usarse uno de los reactivos en exceso
(generalmente el alcohol) o sustraer el agua a través del método de destilación azeotrópica.
Cuando el alcohol es el etanol, la esterificación se hace en el solvente benceno, ya que el alcoholbenceno-agua forman un azeótropo terciario de ebullición mínima (p.e. 64.6°) el cual destila de la
mezcla de reacción a medida que procede la esterificación. De esta forma se extrae el agua
formada y se obtienen buenos rendimientos del éster.
Ejemplos:
26
Mecanismo
El
mecanismo de esterificación es típico de las
reacciones
de sustitución
nucleofílica catalizadas por ácido (Sec. 7.6)
Como la reacción de esterificación es reversible, si se calienta un éster en medio
acuoso acídico, ocurre la reacción inversa la hidrólisis del éster (Sec. 7.6.1.3)
regenerándose el ácido carboxílico y el alcohol.
Lactonas
Las
grupo
lactonas son ésteres cíclicos que se forman de moléculas que contienen
carboxilo
esterificación
y
un
grupo
intramolecular.
hidroxilo.
Las más
Tales moléculas pueden sufrir una
comunes
son
aquellas de 5 y 6
miembros (τ y δ lactonas) formadas de τ y δ-hidroxiácidos respectivamente.
27
un
Aunque la reacción de ciclación a la lactona se cataliza por ácidos o bases, a veces su
formación puede catalizarse con trazas de ácido del vidrio de los matraces, si el producto
es un anillo de cinco o seis miembros. Los ácidos carboxílicos con grupos hidroxilo en otras
posiciones diferentes a los τ o δ, son estables y no ciclan espontáneamente. Sin embargo,
las lactonas de estos hidroxiácidos se pueden sintetizar en las condiciones usuales de
esterificación. En estos casos se emplea una disolución diluida del hidroxiácido en un
disolvente inerte. La reacción intramolecular se favorece por la disolución diluida, ya que
es menos probable que ocurran colisiones entre dos moléculas de ácido.
28
El H20 se extrae de la mezcla de reacción mediante el azeótropo de ebullición
minima (p.e. 69°C) que forma con el benceno.
Las lactonas son bastante comunes en la naturaleza. Por ejemplo, la vitamina C y
la nepetalactona, el atrayente a los gatos que se encuentra presente en la nébeda
(Calamintha nepeta).
7.4.5 Reducción de Ácidos Carboxílicos a Alcoholes
Los ácidos carboxílicos pueden reducirse a alcoholes utilizando el hidruro de
aluminio y litio (LiAlH4) que es uno de los pocos reactivos capaces de reducir un
ácido a alcohol. El producto inicial es un alcóxido del cual se libera el alcohol por
hidrólisis.
Ejemplos:
29
La reacción produce altos rendimientos del alcohol y para ciertos ácidos carboxílicos
obtenidos de fuentes naturales y que deban convertirse a alcoholes, resulta un
procedimiento muy útil a escala de laboratorio. Como el LiAlH4 es costoso, la
industria lo emplea solo para la reducción de cantidades pequeñas de materias
primas valiosas, por ejemplo, en la síntesis de ciertas drogas y hormonas.
Como alternativa a la reducción directa, a menudo se convierten los ácidos en
alcoholes por un proceso de dos etapas: a) esterificación b) reducción del éster. Ya
que estos últimos pueden reducirse de varias maneras (Sec. 7.7) adaptables tanto
al laboratorio como la industria. La reducción a alcoholes de ácidos grasos de
cadena larga constituye un paso fundamental en la utilización de estas materias
primas.
7.5 PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS DERIVADOS DE ÁCIDOS
CARBOXILICOS
Los nombres de los derivados de ácido se obtienen del nombre del ácido carboxílico
padre, tanto en el sistema común como en el de la IUPAC.
La presencia aquí también, del grupo C=O hace a los derivados de ácido
compuestos polares. Los cloruros de ácido, anhídridos y ésteres tienen puntos de
ebullición comparables a aquellos de los
30
aldehídos o cetonas de peso molecular similar. Pero las amidas tienen puntos de
ebullición bastante altos debido a que ellas son capaces de formar
fuertes enlaces de
hidrógeno intermolecular:
El límite de solubilidad en agua va desde 3 a 5 átomos de carbono para los ésteres y de 5
a 6 carbonos para las amidas. Los cloruros de ácido y los anhídridos se hidrolizan
fácilmente en medio acuoso formando los correspondientes ácidos carboxílicos.
La Tabla 7.4 alista las propiedades físicas de algunos derivados de ácido.
Tabla 7.4 Derivados de los Ácidos Carboxílicos
31
Tabla 7.4 Derivados de los Ácidos Carboxílicos (Continuación)
32
Tabla 7.4 Derivados de los Ácidos Carboxílicos (Continuación)
a) d ≡ descompone
7.5.1
Esteres en Alimentos, Cosméticos y Productos Farmacéuticos
En contraste con los olores acres y decididamente desagradables de los ácidos
carboxílicos de bajo peso molecular, la mayoría de los ésteres volátiles
agradables fragancias frutales
(se
33
tienen
ha dicho que tienen "olor dulce"), y muchos de ellos son utilizados como agentes
saborizantes sintéticos y en perfumes. La Tabla 7.5 muestra una lista de ésteres
con sus olores característicos.
Tabla 7.5 Olores Característicos de Ésteres Seleccionados.
Sin embargo, los aromas y sabores naturales se obtienen por lo general de una
mezcla compleja de compuestos. Mas de 200 compuestos han sido identificados en
el aroma característico del café recientemente molido, y el bouquet de los vinos
finos se debe a la formación de ésteres y otros compuestos durante el proceso de
añejamiento.
34
Por otro lado, los alquilésteres del ácido p-hidroxibenzoico (particularmente metil, etil,
propil y butil ésteres) llamados parabenos se usan como agentes antimicrobianos en
cosméticos y productos farmacéuticos como también en alimentos. Ellos son activos
contra mohos y levaduras pero menos activos contra bacterias. Los parabenos pueden
usarse en alimentos horneados, cerveza, quesos, productos de frutas, olivos, encurtidos y
almíbares (sirups ).
El ácido salicílico, sus ésteres y sus sales tienen efecto analgésico (sensibilidad depresora
al dolor) y una acción antipirética (reducción de la fiebre). Como analgésicos, ellos actúan
para levantar el umbral del dolor disminuyendo los centros del dolor en la región del tálamo
en el cerebro. El ácido salicílico, por sí solo, es demasiado irritante para ingerirlo, pero el
salicilato de sodio y especialmente el ácido acetilsalicílico (aspirina) son ampliamente
usados.
El salicilato de metilo es usado en linimentos. El salicilato de fenilo se ha usado en
ungüentos que protegen la piel contra los rayos ultravioleta.
7.6
SUSTITUCIÓN NUCLEOFILICA EN CARBONO ACILO - REACTIVIDAD DE LOS
DERIVADOS DE ÁCIDOS CARBOXILICOS
Como característica común, los compuestos de acilo (ácidos carboxílicos y sus derivados)
sufren sustitución nucleofílica donde se remplaza HO-, Cl ,
-SR' por
35
, -NH2, -OR' ó
algún
otro
grupo básico (un nucleófilo). En estos casos, la sustitución resulta mas
rápida que la de un carbono saturado.
Es
una reacción que procede en dos etapas,
con formación de
un intermediario
tetrahédrico, el cual posteriormente pierde el grupo saliente :G. La velocidad total de la
reacción
se ve afectada en general, por las dos etapas pero la primera es la mas
importante.
La formación del intermediario tetrahédrico, está afectada por los mismos
factores que operan en la adición nucleofílica a aldehídos y cetonas, cuya primera etapa
es análoga.
Es favorecida por la atracción de electrones al estabilizar la carga negativa
sobre el oxígeno y es retardada por la presencia de grupos voluminosos que se aglomeran
en el estado de transición.
saliente
:G.
La segunda etapa depende de la basicidad del grupo
En este sentido los derivados de ácido tienen reactividades relativas muy
diferentes hacia sustitución nucleofílica en el carbono acilo. Los cloruros de ácido son los
mas reactivos y las amidas los menos reactivos. El orden global de reactividad es:
36
Para grupos salientes débilmente básicos como Cl -, R'S
-
y moderadamente débil como
RCOO - la reactividad hacia sustitución nucleofílica es mas pronunciada.
Al comparar la diferencia en las reacciones netas de los derivados de ácido con nucleófilos
vs los aldehídos y cetonas con nucleófilos, se entiende que los últimos sólo tienen
posibilidades de adición nucleofílica, porque el intermediario tetrahedral formado en la
primera etapa no puede perder un hidruro (H: -) o alquiluro (:R -) las bases mas fuertes de
todas, y por tanto pésimos grupos salientes.
"Adición Nucleofílica"
Los derivados de ácido pueden sufrir sustitución nucleofílica catalizada por ácidos. En
este caso, el grupo carbonilo del compuesto acilo se protona previamente al ataque
nucleofílico,
37
quedando más propenso al ataque nucleofílico.
"Sustitución Nucleofílica del Acilo Catalizado por ácidos"
A continuación se describirán las diferentes reacciones de los derivados de ácido que al
mismo tiempo los transforman unos en otros.
7.6.1 Hidrólisis de los Derivados de Acilo
Todos los derivados de ácido pueden hidrolizarse para generar el ácido padre. Las
condiciones experimentales varían dependiendo del derivado de acilo.
7.6.1.1 Cloruros de Acido
Los cloruros de ácido se hidrolizan fácilmente formando el ácido carboxílico
correspondiente, por tratamiento con agua a temperatura ambiente.
38
Los cloruros aromáticos . (ArCOCl) son considerablemente menos reactivos que los
alifáticos (RCOCl).
7.6.1.2
Anhídridos
Los anhídridos por su parte, se hidrolizan al calentarlos con agua formando dos moles
de ácido carboxílico por mol de anhídrido.
Reacción Global :
39
7.6.1.3
Ésteres
Los ésteres requieren condiciones mas fuertes para hidrolizarlos y no basta con tratarlos
con agua (aún en caliente) sino que es necesario catalizar la reacción con ácido o con
base.
La hidrólisis de ésteres catalizada por ácido es la reacción inversa a la esterificación como
ya se mencionó en la Sec. 7.4.4.
Reacción Global
Las condiciones experimentales usuales consisten en tratar el éster con una cantidad
abundante de agua acidulada con HCl o H2SO4 acuoso diluido.
El mecanismo de hidrólisis ácida de ésteres contiene entonces las mismas etapas de Ia
esterificación pero a la inversa.
Ejercicio 7.3
a) Describa el mecanismo por etapas de la esterificación de ácido benzoico con metanol
catalizada por ácido.
b) Describa el mecanismo por etapas de la hidrólisis ácida delbenzoato de metilo con
agua marcada con
. c) Dónde
40
esperaría encontrar el oxígeno marcado?
Por otro lado, cuando un éster se calienta con hidróxido de sodio o de potasio acuosos se
obtiene el alcohol y el ácido carboxílico en forma de su sal (RCOO – Na + (K +)). Se trata de
una hidrólisis promovida por bases, mejor conocida como saponificación. Con esta
reacción se obtienen corrientemente los ácidos grasos de las grasas naturales o
triacilgliceroles (Sec. 7.11.2.1).
Reacción Global
El ácido puede liberarse por adición de ácido mineral:
El mecanismo de la hidrólisis alcalina de un éster ilustra un ejemplo típico de
sustitución nucleofílica en carbono acilo, por el nucleífilo fuerte OH –.
Esta
reacción es esencialmente irreversible,
41
puesto que el
ión
carboxilato,
estabilizado
por
resonancia,
demuestra
poca tendencia a
reaccionar con un alcohol.
Ejemplos:
Ejercicio 7.4
a)
La velocidad de reacción relativa de hidrólisis alcalina de benzoatos de etilo
p-sustituidos
, es:
G = N02 > Cl > H > CH3 > OCH3
vrel : 110
4
1
0.5
0.2
Cómo se justifica este orden de reactividades?
b) Predígase el orden de reactividades frente a la hidrólisis alcalina de: p-aminofenilo,
acetato de p-metilfenilo, acetato de p-nitrofenilo, acetato de fenilo.
c) La velocidad de reacción relativa de la hidrólisis alcalina de acetatos de alquilo,
CH3COOR
es:
R = -CH3
vrel :
1
> -C2H5
>
(CH3)2CH- >
0.6
0.15
42
(CH3)3C-
0.008
Qué factor
(electrónico y/o estérico) podría estar operando aquí?
(Ayuda: Revise la discusión sobre el mecanismo general de sustitución nucleofílica.)
7.6.1.4
Amidas
- Las amidas siendo los derivados acílicos menos reactivos requieren condiciones
de reacción mas severas.
Debe tenerse en cuenta que el grupo
(en una hidrólisis catalizada por
de un éster y NH2- (en una hidrólisis
ácido)es peor grupo saliente que
catalizada por base) es un grupo saliente aún peor que el alcóxido RO- de un éster.
Además el enlace amido
es un enlace muy estable ya que se cree que
puede estar estabilizado por resonancia:
Podría decirse entonces que existe un cierto carácter de doble enlace entre el
carbono y el nitrógeno.
Para hidrolizarlas es preciso calentarlos por tiempo prolongado (mayor que
para los ésteres) en soluciones ácidas o básicas.
43
Reacción Global :
Hidrólisis ácida de Amidas
En condiciones ácidas, Ia hidrólisis resulta del ataque del agua a la amida protonada:
Hidrólisis básica de Amidas
En condiciones alcalinas, la hidrólisis implica el ataque del ión hidroxilo fuertemente
nucleofílico:
44
Las
amidas
N-sustituldas
y
N,N-disustituidas
también se hidrolizan en ácido o base acuosa.
Ejercicio 7.5
Qué productos obtendría de la hidrólisis ácida o básica de cada una de las siguientes
amidas?
a) N,N'-dietilbenzamida
b)
(una lactama o amida cíclica)
-H
c)
(un dipéptido)
Ejercicio 7.6
Para la siguiente reacción de hidrólisis del éster ópticamente activo:
45
a) Escriba una fórmula estructural para el éster que represente la configuración R en el
centro quiral.
b) Escriba fórmulas estructurales para los productos resultantes de la hidrólisis. De los dos
productos cuál es quiral? Asígnele su configuración.
c) Hubo retención de configuración en esta reacción? Por qué?
Ejercicio 7.7
Escriba la estructura de los productos de las siguientes reacciones:
7.6.2
Alcohólisis.
La
alcohólisis
carboxílicos (Sec.
Formación de Esteres
(o escisión
7.4.3),
por
un
los cloruros de
46
alcohol) puede ocurrir con
ácido,
los
los ácidos
anhídridos y los ésteres para formar ésteres.
7.6.2.1 De Cloruros de Acido
La reacción de cloruros de ácido con alcoholes o fenoles produce ésteres y HCl en una
forma directamente análoga a la hidrólisis. Ya que los cloruros de ácido son mucho mas
reactivos hacia sustitución nucleofílica que los ácidos carboxílicos, la reacción de un
cloruro de ácido y un alcohol ocurre rápidamente y no requiere catalizador. Generalmente
es preferible convertir el ácido carboxílico a un cloruro de ácido (Sec. 7.4.2), sobre todo
para la síntesis de ésteres impedidos. Como en la reacción se libera HCl gaseoso éste
suele neutralizarse con una base inorgánica (NaOH) u orgánica (piridina). Es la conocida
técnica experimental Schotten-Baumann donde el cloruro de ácido es añadido en
porciones (seguido por agitación vigorosa) a una mezcla del alcohol y la base.
Reacción General :
47
Ejemplos:
7.6.2.2
De Anhídridos
Los anhídridos también producen éteres bajo tratamiento con alcoholes o fenoles
pero a velocidades de reacción un poco mas lentas que los cloruros de ácido.
48
Reacción general:
La reacción es particularmente útil con el anhídrido acético que es barato, de fácil
adquisición, menos volátil y mas manejable que el cloruro de acetilo, aparte de no liberar
cloruro de hidrógeno corrosivo. En estas acetilaciones también suele añadirse piridina
(cantidad catalítica) a la mezcla de reacción para eliminar el ácido acético, a medida que
se forma.
Ejemplos:
49
La acetilación de grupos hidróxilo se la utiliza extensamente en la industria para la
esterificación de los carbohidratos.
Los anhídridos cíclicos reaccionan con una mol de alcohol produciendo un
compuesto que es a la vez un éster como un ácido carboxílico.
50
7.6.2.3 De Esteres - Transesterificación
Un alcohol también actúa como reactivo nucleofílico sobre un éster intercambiando la
porción alcohólica del éster. Esta alcohólisis se denomina transesterificación y puede
realizarse en medio ácido o básico..
Reacción General:
La transesterificación es un proceso reversible y los mecanismos ya sea catálisis ácida
o básica son análogos a los ya estudiados (esterificación de un ácido, hidrólisis de un
éster, etc.).
A
continuación se ilustra el mecanismo de transesterificación en medio ácido de
benzoato de metilo.
51
Ejercicio 7.8
Dé el producto y escriba el mecanismo para la transesterificación de acrilato de metilo con
n—butóxido de sodio en n-butanol:
Las amidas que son tan poco reactivas, no sufren la reacción de alcohólisis.
Ejercicio 7.9
Complete las siguientes reacciones:
52
7.6.3
Amonólisis - Formación de Amidas
Los cloruros de ácido, anhídridos y ésteres reaccionan con amoníaco, aminas primarias y
secundarias para formar amidas. La reacción general se conoce como amonólisis
(escisión por amoníaco o aminas) .
7.6.3.1 De Cloruros de Acido
Como en la reacción de un cloruro de ácido con amoníaco o una amina se liberaría HCl
,
se deben usar, al menos dos
53
equivalentes de
NH3
o amina.
Reacción General:
Puesto que los cloruros de ácido se preparan a partir de ácidos carboxílicos, este
es uno de los métodos de laboratorio mas utilizados para la síntesis de amidas. La
reacción entre el cloruro de acilo y la amina (o amoníaco) generalmente se verifica
a temperatura ambiente (o menos) y produce un alto rendimiento de la amida.
54
7.6.3.2
De Anhídridos
Los
anhídridos de ácido reaccionan con amoníaco y aminas primarias en forma
análoga a los cloruros de ácido.
Reacción General:
De nuevo, el anhídrido acético es el anhídrido mas popular que se emplea en esta
reacción. Si se usan dos moles de amoníaco o amina, uno se consume en la
neutralización del ácido acético formado en la reacción.
Ejemplos:
Los anhídridos cíclicos reaccionan con amoníaco o una amina en la misma forma
general que los anhídridos acíclicos: sin embargo, la reacción forma un producto
que es tanto una amida como una sal de amonio. Al acidificar la sal de amonio se
forma un compuesto
55
que es una amida y un ácido:
Al calentar la amida-acido se produce una deshidratación que dá lugar a la
formación de una imida.
150-160ºC
(-H2O)
Ftalimida
(~ 100%)
7.6.3.3
De Esteres
Los ésteres sufren lentamente sustitución nucleofílica en sus carbonos acílicos
cuando se les hace reaccionar con amoníaco o con
secundarias. La reacción es de utilidad
56
sintética.
aminas primarias y
Reacción General;
Ejercicio 7.10
Complete las siguientes reacciones:
57
7.6.3.4 Compuestos Relacionados con las Amidas
En la Tabla 7.6 se indican algunos tipos de compuestos relacionados a las amidas.
La Urea es uno de los mas importantes. El exceso de nitrógeno en el metabolismo
de las proteínas es excretado por los animales superiores como urea.
Tabla 7.6
Algunos tipos de compuestos relacionados a las Amidas
Estructura Parcial
Clase de compuesto
58
Ejemplo
Algunos animales inferiores excretan amoníaco, mientras que los reptiles y pájaros
excretan guanidina.
Las amadas cíclicas se denominan lactamas. El tamaño de un anillo de lactama se
designa con letras griegas en una forma análoga a la nomenclatura de las lactonas
(ésteres cíclicos).
Los τ - y δ- lactamas a menudo se forman espontáneamente de los τ - y δ- aminoácidos.
Los β-lactamas son las mas reactivas por la tensión del anillo de 4 miembros. Los
antibióticos de penicilina contienen un anillo de β-lactama.
Los carbonatos (o uretanos) son compuestos en los cuales los grupos -NH2, -NHR o -NR2
están unidos al grupo carbonilo de un éster.
59
Ejemplos:
Las drogas sulfa son sulfonamidas, donde el nitrógeno está unido a un grupo
sulfonilo en lugar de un grupo acilo. Una sulfonamida se prepara por la acción de
un cloruro de arilsulfonilo sobre amoníaco o amina primaria o secundaria.
Muchos p-aminosulfonamidas son agentes bactericidas efectivos. Son ejemplos:
Todas las drogas sulfa se hidrolizan "in vivo" a sulfonilamida la cual es
confundida por las enzimas de cierto tipo de bacterias que requieren ácido p-amino
benzoico (PABA) para su crecimiento y
60
multiplicación.
7.7 REDUCCIÓN DE ALGUNOS DERIVADOS DE ACIDO
La reducción de cloruros de ácido con hidruro de aluminio y litio (LiAlH4) produce
alcoholes primarios, pero la reacción no tiene mayor uso sintético ya que el ácido padre
también puede reducirse con LiAlH4.
Sin embargo la reducción parcial de un cloruro de ácido a un aldehído también puede
efectuarse y es una reacción más útil. El agente químico reductor es el hidruro de litio
tri-tert-butoxialuminio (LiAlH[-O-C(CH3) 3 ] 3) . Este agente reductor es menos reactivo que
LiAlH4 debido al impedimento estérico y al efecto electroatrayente de los átomos del
oxígeno.
Ejemplo:
En otras palabras, si ud. quiere convertir un ácido carboxílico en un aldehído (que es un
estado de oxidación mas bajo) debe primero transformarlo en cloruro de ácido y éste
último someterlo
a reducción:
Los ésteres a su vez también pueden reducirse a alcoholes primarios por
hidrogenación catalítica o hidrogenólisis de ésteres y por reducción química
con LiAlH4 (en éter etílico o THF secos) o con sodio metálico en etanol .
La hidrogenólisis (rompimiento por hidrógeno) de un éster requiere condiciones
mas severas que la hidrogenación simple (adición de hidrógeno a un doble enlace
simple.
Ejemplos:
Laureato de metilo
Alcohol laurílico
La reducción química implica condiciones experimentales mas suaves y es el
usado corrientemente en el laboratorio.
Ejemplos:
62
método
Ejercicio 7.11
Escriba los productos de la siguiente reacción:
7.8 ACIDEZ DE HIDRÓGENOS ALFA EN ESTERES
El hidrógeno α de un éster es mas difícil de remover que aquel de un aldehído o cetona
debido a que el oxígeno carbonilo ya está participando en la deslocalización de los
electrones del oxígeno alcoxílico de acuerdo a las estructuras resanantes siguientes:
Esta posibilidad no la tienen los aldehídos y cetonas donde el carbonilo se ocupa
solamente de deslocalizar la carga negativa sobre el carbono α, una vez se ha hecho el
tratamiento básico. De allí que el pKa de un éster como el acetato de etilo es mayor que el
pKa de acetona.
63
Al compararlos con etanol (pKa = 16) ambos compuestos son menos ácidos. Por
consiguiente al tratarlos con etóxido de sodio obtendríamos una concentración
baja de iones enolato. En el caso de acetato de etilos
Pero compuestos dicarbonílicos como malonato de dietilo (éster malónico), acetoacetato
de etilo y 2,4-pentanodiona tienen pka's menores que un éster o cetona simples y por
tanto el hidrógeno α a los dos grupos carbonilo es mas acídico:
La acidez de estos hidrógenos α (como en los aldehídos y cetonas) de ésteres
monocarbonílicos y dicarbonílicos dá lugar a ciertas reacciones de importancia
que veremos a continuación.
64
7.8.1 Condensación de Claisen: Síntesis de β-Cetoésteres
Los esteres con hidrógenos α pueden dar reacciones de autocondensación bajo
tratamiento básico originando β-cetoesteres en una reacción análoga a la condensación
aldólica. La diferencia estriba en que el grupo -OR de un éster puede actuar como grupo
saliente. El resultado neto, es por consiguiente una sustitución nucleofílica en carbono
acilo por ataque nucleofílico de un enolato. Esta reacción ha recibido el nombre particular
de condensación de Claisen.
Las bases comúnmente usadas en las autocondensaciones de ésteres son los alcóxidos.
Ejemplos:
Mecanismo:
El paso 1 es la abstracción de un hidrógeno α por la base
65
formación del enolato.
En el paso 2 el carbono nucleofílico del enolato ataca al
carbonilo del éster generando un intermediario tetrahedral que posteriormente
elimina un alcóxido, generando el β-cetoéster. Pero como el alcóxido es una base
fuerte abstrae un hidrógeno α del β-cetoéster (paso 3) y la que se obtiene como
producto de la autocondensación es la sal del enolato del β-cetoéster.
consiguiente,
Por
la mezcla de reacción se acidifica al final con ácido mineral
diluido para producir el éster.
Estos pasos (o etapas) se ilustran a continuación para la autocondensación global:
66
Un β-cetoéster se puede hidrolizar calentándolo en una solución ácida, en cuyo
caso también puede ocurrir la descarboxilación (o pérdida de C02) y formación de
una cetona:
Ejercicio 7.12
a) Prediga el producto de autocondensación de:
67
b) Escriba las etapas del mecanismo.
c) Qué cetona se forma al tratar el β-cetoéster en a) con solución acídica en
caliente?
Condensaciones de Claisen Cruzadas
En las condensaciones de Claisen se pueden emplear dos ésteres diferentes
siempre y cuando uno de los ésteres no tenga hidrógenos α (como en las
condensaciones aldólicas cruzadas).
Ejemplo:
También pueden llevarse a cabo condensaciones de Claisen cruzadas entre
cetonas y ésteres, ya sea que el éster tenga hidrógeno α o no. Se forma mas
fácilmente el enolato de la cetona que del éster, porque las cetonas son mas
ácidas que los ésteres (Sec. 7.8, p.64). Por esta razón la condensación de
Claisen cruzada estaría favorecida frente a la autocondensación Claisen del éster.
68
Ejercicio 7.13
Qué productos esperaría obtener de cada una de las siguientes condensaciones
de Claisen cruzadas?
7.8.2 Alquilación de Esteres Dicarbonilos
Dos ésteres dicarbonílicos: el
aceto acético:
éster malónico:
tienen un carbono
por el efecto atractor de electrones de
y el
éster
α doblemente activado
los dos carbonilos adyacentes.
Bajo
tratamiento básico ambos ésteres forman los respectivos enolatos, los cuales son
alquilados por halogenuros de alquilo primarios y secundarios a través de una
reacción de sustitución nucleofílica SN2.
7.8.2.1 Alquilación del Ester Malónico: Síntesis de Ácidos Acéticos α
Sustituidos
La alquilación del éster malónico por halogenuros de alquilo
69
(RX) resulta una herramienta sintética muy importante en la obtención de gran
variedad de ácidos acéticos α-sustituidos, es decir:
donde los grupos
R
provienen de los halogenuros de alquilo y
la porción del
ácido acético provienen del éster malónico.
El proceso de alquilación del éster malónico consta de cuatro reacciones separadas (1)
preparación
del
enolato; (2) la alquilación
propiamente dicha; (3) hidrólisis del
éster seguida de (4) descarboxilación del ácido β-dicarboxílico que se obtiene.
Formación del Enolato y Sustitución
SN2
(3) y (4) Hidrólisis y Descarboxilación
El enolato del paso 1 se forma fácilmente porque está bien estabilizado por resonancia:
70
El paso 2 es un desplazamiento SN2 típico, donde el enolato ataca nucleofílicamente el
halogenuro de alquilo. La reacción se ve favorecida con halogenuros de metilo y alquilo
primarios. Los halogenuros de alquilo secundarios dan rendimientos mas bajos a causa
de las reacciones de eliminación competitivas.
Dos ejemplos específicos de alquilación del éster malónico son la síntesis de los ácidos
hexanoico y 2-etilpentanoico;
71
Como se observa en este ejemplo, es posible alquilar dos veces el malonato de dietilo.
Generalmente, la hidrólisis del diéster alquilado se hace en medio básico, luego se
acidifica en caliente para promover la descarboxilación.
Ejercicio 7.14
Prediga el producto final y los intermedios en la siguiente secuencia de reacciones:
Ayuda:
Al final se liberan 2 mol de C02.
72
Ejercicio 7.15
Escriba todos los pasos necesarios usando los reactivos apropiados para la obtención del
ácido fenolpropiónico a partir de: bromuro de bencilo y malonato de dietilo.
7.8.2.2 Alquilación del Ester Acetoacético:
Síntesis de Acetonas α Sustituidas
Otro enolato comúnmente utilizado para alquilar con halogenuros de alquilo primarios y
secundarios es el que se obtiene a partir del éster acetoacético. En este caso el producto
final de la alquilación es una acetona α-sustituida.
El proceso general es similar a la alquilación del éster malónico y se ilustra a continuación:
Formación del Enolato y Sustitución Nucleofílica SN2
Hidrólisis del β-Cetoéster alquilado y Descarboxilación
73
Ejemplo:
El β-cetoéster alquilado podría tratarse nuevamente con mas base para obtener
una acetona α-disustituída. Así:
Observe que en la segunda alquilación se usó una base mas fuerte que el etóxido
de sodio, se trata de tert-butóxido de potasio, ya que el hidrógeno α que queda es
menos ácido por el efecto del grupo alquilo.
74
Ejercicio 7.16
Escriba la estructura de los productos K, L y M
Ejercicio 7.17
Encuentre cómo podrían prepararse los siguientes compuestos a partir del éster
acetoacético o éster malónico
7.9 OTROS DERIVADOS DE ACIDO
7.9.1 Tioésteres
Los esteres con la unidad
se denominan tioésteres y
75
sufren reacciones, tales como la hidrólisis. Aunque los tioésteres no se usan a
menudo en el laboratorio, ellos son de gran importancia en las síntesis que ocurren
en células vivientes. Uno de los mas importantes es la "acetilcoenzima A" o “acetil
CoA" .
En un organismo, la acetil CoA tiene dos funciones principales. La primera función
es la de activar como un agente acilante.
Un agente acilante es un reactivo que introduce un grupo acilo.
R-CO, en una molécula.
El siguiente ejemplo muestra la transferencia de un grupo acetilo de acetil CoA a un
grupo fosfato.
tiol de CoA
Al mismo tiempo, esta reacción representa una hidrólisis del tioéster, acetilcoenzima A.
La segunda función de la acetil CoA es la de agente alquilante. El hidrógeno α de
un tioéster (como el de un éster) es acídico y puede removerse fácilmente por
medio de la enzima apropiada. Entonces, el carbono acetilo en acetil coenzima A
puede actuar como un nucleófilo y atacar el grupo carbonilo.
76
Pérdida del Hidrógeno α:
"Carbanión"
Ataque nucleofílico sobre carbono carbonilo e hidrólisis del tioéster:
7.9.2 Nitrilos
Los nitrilos son compuestos orgánicos, que contienen el grupo C=C: (ciano). A veces se
llaman también cianuros o compuestos ciano. Ver nomenclatura
contiene un triple enlace, un enlace σ y dos enlaces π (Fig. 7.1).
77
. El grupo ciano
orbitales p
traslape o superposición para
formar dos enlaces pi
Figura 7.1. El enlace del grupo ciano en un nitrilo R-C≡N.
Los nitrilos se obtienen por reacción de un halogenuro de alquilo (principalmente
primario) con el ión cianuro a través de un desplazamiento SN2.
Ejemplo:
Reacciones de los Nitrilos
Los nitrilos se incluyen entre los derivados de los ácidos carboxílicos porque su
hidrólisis dá ácidos carboxílicos. La hidrólisis de un nitrilo puede realizarse
calentándolo con ácidos o con bases diluidos.
Los nitrilos además se pueden reducir a aminas primarias del tipo
78
R-CH2NH2 por hidrogenación catalítica o con LiAlH4:
7.18 ANÁLISIS QUÍMICO DE ÁCIDOS CARBOXILICOS Y DERIVADOS DE ACIDO
Los ácidos carboxílicos se reconocen por su acidez. Se disuelven en hidróxido de sodio
acuoso y también en bicarbonato de sodio (NaHCO3) acuoso. La reacción con bicarbonato
libera burbujas de dióxido de carbono. Se distinguen de los fenoles porque éstos últimos
no son solubles en bicarbonato de sodio acuoso.
Una vez caracterizada como ácido carboxílico, una sustancia desconocida se identifica
como un ácido específico, basándose en la forma usual de sus propiedades físicas y las
de sus derivados. Los derivados que se emplean corrientemente son amidas y ésteres.
Para la identificación de ácidos previamente estudiados, y la comprobación de la
estructura de uno nuevo, es muy útil el equivalente de neutralización.
79
El equivalente de neutralización de un ácido carboxílico es el peso
equivalente del ácido determinado por titulación con base
normalizada.
Se disuelve una muestra pesada del ácido en agua o alcohol acuoso, y se mide el
volumen de base normalizada que se necesita para neutralizar la solución.
Ejercicio 7.18
Para neutralizar 0.I87g
de un ácido (p.e. 203-205°C) se requieren
de NaOH 0.0972 N:
a) Cuál es su equivalente de neutralización b) Cuál de
los siguientes
ácidos podría ser:
n-caproico (p.e. 205°),
18.7 mL
metoxiacético (p.e.
203°C) o etoxiacético (p.e. 206°C)?
Solución;
a) Equivalente de Neutralización
0.0972 equiv. x 18.7 mL = 0.00182 equiv. del ácido
1000mL
peso de 1 equiv. de Acido = 0.187g x
1 equiv.
= 103 g
0.0082 equiv.
b) Para un ácido monocarboxílico su peso equivalente obtenido por titulación con
base normalizada debe ser igual al peso molecular. Entonces calculamos los pesos
moleculares de los tres ácidos y los comparamos con el peso equivalente
80
CH3(CH2)4COOH
ac. n-caproico
PM:
;
CH3O-CH2-COOH
ac. metoxi acético
116.05
90
;
CH3CH2-O-CH2COOH
ac. etoxi acético
104
No hay dudas que el ácido que mas se aproxima es el etoxiacético.
Una sal de ácido carboxílico se reconoce por las pruebas siguientes: a) deja un residuo al
ser calentada fuertemente (ensayo de ignición); b) se descompone a temperatura
relativamente elevada, en vez de fundir, y c) se convierte en ácido carboxílico por
tratamiento con ácido mineral diluido.
Los derivados de ácidos carboxílicos se reconocen por su hidrólisis, (bajo condiciones
más o menos severas dependiendo del derivado) para dar ácidos carboxílicos (Sec. 7.6.1).
El tipo de derivado funcional lo indican los otros productos de la hidrólisis.
Ejercicio 7.19
Qué tipos de derivados de ácido: a) formaría rápidamente un precipitado blanco (insoluble
en HNO3), al ser tratado con nitrato de plata (AgNO3) alcohólico; b) reacciona de inmediato
con NaOH frío pars liberar un gas que azulea el papel de tornasol; c) dá solo un ácido
carboxílico; d) dá un ácido y un alcohol cuando se le calienta con ácido o base.
La identificación o comprobación de la estructura de un derivado de ácido implica la
identificación o prueba de estructura del ácido carboxílico que se forma por hidrólisis. En
el caso de un
81
éster, también puede identificarse el alcohol que se obtiene.
Si se hidroliza un éster con una cantidad conocida de base (puesta en exceso),
puede determinarse la cantidad de base consumida, valor que se emplea para
establecer el equivalente de saponificación, o sea, el peso equivalente del éster,
similar al equivalente de neutralización de un ácido.
RCOOR' + OH-
------------- >
RCOO- + R'OH
un equiv. un equiv.
Ejercicio 7.28
Descríbanse ensayos químicos diciendo lo que haría y vería, para diferenciar:
a)
ácido propiónico y acetato de metilo
b)
Cloruro de n-butanoilo y cloruro de n—butilo
c)
p-nitrobenzamida y p-nitrobenzoato de etilo
d)
benzonitrilo y nitrobenceno
e)
anhídrido acético y alcohol n-buiílico
f)
monopalmitato de glicerilo y tripalmitato de glicerilo
7.11
LIPIDOS
Los lípidos forman un grupo heterogéneo de compuestos orgánicos y son
componentes importantes de los tejidos vegetales y animales. Se clasifican
arbitrariamente con base a su solubilidad en disolventes orgánicos como éter,
cloroformo, hidrocarburos,
82
tetracloruro de carbono (llamados disolventes de grasas), y a su insolubilidad en agua.
Sus propiedades de solubilidad son una función de su estructura tipo alcano.
distintas clases
compartida;
de lípidos
se
relacionan
pero sus relaciones químicas,
entre
sí
por
esta
propiedad
Las
física
estructurales y funcionales así como sus
funciones biológicas, son distintas. En esta sección se discutirán principalmente los
lípidos simples: grasas, aceites y ceras. Existen además los lípidos compuestos:
fosfolípidos,
glicolípidos y esfingolípidos
y otras clases
de compuestos
como
los
terpenos, esteroides y las prostaglandinas que no discutiremos.
Los lípidos comestibles constituyen aproximadamente el 25 al 28%, de una dieta
balanceada. En las décadas anteriores el papel de los lípidos en la dieta recibió mucha
atención debido a la aparente relación entre las grasas saturadas y el colesterol en la
sangre, con las enfermedades arteriales.
7.11.1 Grasas y Aceites
Las grasas y aceites son triglicéridos o triacilgliceroles, términos que significan
triésteres del glicerol (alcohol trihidroxilado) o ésteres que se componen de tres ácidos
grasos unidos al glicerol:
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Los
triacilgliceroles
ambiente.
se clasifican
Se dice que un
según
su
estado físico a
lípido es un grasa si se encuentra en estado sólido a
25º C y un aceite. si es un líquido a la
misma
el
grado de insaturación de
punto
de
fusión reflejan
componentes) . Los
son sólidos,
aquí
la temperatura
el
temperatura (tales diferencias en
lípidos que se obtienen de fuentes animales,
en tanto que los aceites normalmente son de
los
por
lo general
origen vegetal.
los términos grasas animales (grasa de cerdo, grasa de ternera)
vegetales (aceite de maíz,
ácidos
De
y aceites
aceite de cártamo).
El acido carboxílico que se obtiene por hidrólisis de las grasas y aceites se llama ácido
graso y tiene por lo general una cadena de hidrocarburos sin ramificaciones. Las grasas
y aceites se nombran
frecuentemente como derivados de estos ácidos grasos. Por
ejemplo, el triesterato de glicerol se llama triestearina, y el tripalmitato de glicerol se llama
tripalmitina.
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La mayor parte de las grasas y aceites que se encuentran en la naturaleza son
triglicéridos mixtos, es decir que las tres porciones de ácido graso del glicérido son
diferentes. Varios ácidos grasos representativos fueron presentados en la Tabla 7.2.
La Tabla 7.7 muestra la composición en ácidos grasos de algunos triglicéridos de plantas
y animales.
Casi todos los ácidos grasos que se encuentran en la naturaleza tienen un número par
de átomos de carbono, porque se biosintetizan a base del grupo acetilo de dos carbonos
de la acetilCoA.
La cadena de hidrocarburos de un ácido graso puede ser saturada o puede contener
dobles enlaces. El ácido graso más ampliamente
85
distribuido en la naturaleza es el ácido oleico, que contiene un doble enlace. Los ácidos
grasos con más de un doble enlace son raros, particularmente en los aceites vegetales;
estos aceites son los llamados poliinsaturados.
La configuración alrededor de cualquier doble enlace de un ácido graso natural es cis;
configuración que conduce a aceites de bajo punto de fusión. Un ácido graso saturado
forma cadenas en zigzag, que se ajustan de forma compacta y producen altas atracciones
de van der Waals; por consiguiente las grasas saturadas son sólidas.
Si hay algunos dobles enlaces cis en la cadena, las moléculas no pueden formar una red
compacta sino que tienden a enrollarse; los triglicéridos poliinsaturados tienden a ser
aceites.
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Los aceites vegetales se endurecen (o se transforman en saturados) por hidrogenación
catalítica.
Los triglicéridos son una de las tres clases principales de alimentos, siendo las proteínas y
los carbohidratos los otros dos. Como fuentes de energía, los triglicéridos son los más
eficientes: proporcionan 9.5 kcal/g, mientras que las proteínas proporcionan 4.4 kcal/g y
los carbohidratos 4.2 kcal/g.
En un organismo, las grasas ingeridas se hidrolizan a monoglicéridos, diglicéridos, ácidos
grasos y glicerol, todos los cuales se pueden absorber a través de la pared intestinal. El
organismo: 1) emplea estos materiales hidrolizados o parcialmente hidrolizados para
sintetizar sus propias grasas; 2) transforma los ácidos grasos en otros compuestos, tales
como carbohidratos o colesterol; 3) convierte los ácidos grasos en energía.
(1) Un diglicérido
(3) Glicerol
(2) Un monoglicérido
(4) Un ácido graso
Propiedades Físicas de los Lípidos
Como se mencionó previamente, los lípidos pueden ser líquidos o
87
sólidos y no cristalinos a la temperatura ambiente. En contra de la creencia popular,
las grasas y aceites puros son incoloros, inodoros e insípidos. Los olores, colores o
sabores característicos asociados con los lípidos se deben a sustancias extrañas
absorbidas por el lípido, en el cual son solubles. Por ejemplo, el color amarillo de la
mantequilla se debe a la presencia del pigmento caroteno, el sabor de la
mantequilla proviene de dos compuestos, el diacetilo o butanodiona
y
la
3-hidroxi-2-butanona
bacterias en la maduración
de
la
,
crema.
producidos
por
Las grasas y aceites son mas ligeros
que el agua; su densidad es aproximadamente de 0.8 g/mL. Casi no conducen el calor y la
electricidad y por tanto, sirven como aislantes excelentes para el cuerpo.
Rancidez de los Lípidos
El término rancio se aplica a todo aceite o grasa que desarrolla un olor desagradable. Dos
reacciones químicas de importancia son las causantes de la rancidez:
la hidrólisis y la
oxidación.
En
particular,
la
mantequilla
que contiene muchos ácidos de
baja
es susceptible a
masa
la
rancidez hidrolítica
molar (butírico, caproico) y todos
ya
poseen
olor repulsivo. En condiciones húmedas y calientes, ocurre la hidrólisis de enlaces éster,
liberando los ácidos volátiles. Los microorganismos presentes en el aire proporcionan las
enzimas (lipasas) que catalizan el proceso. La rancidez se evita fácilmente
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almacenando la mantequilla cubierta en un refrigerador.
La rancidez oxidativa tiene lugar en triacilgliceroles que contienen ácidos grasos
insaturados.
La rancidez resulta de interés fundamental en la industria alimenticia y los químicos
que se dedican a esta área, continuamente están investigando nuevas y mejores
sustancias que actúen como antioxidantes. Dichos compuestos se añaden en
pequeñas cantidades (0.01% 0.001%) para eliminar la rancidez. Estos poseen una
mayor afinidad por el oxígeno que por el lípido al que se añaden y, por tanto, su
función es la de reducir preferentemente el suministro de oxígeno absorbido. La
vitamina E y la vitamina C (Sec. 7.4.4) son dos antioxidantes de procedencia
natural.
7.11.2 Jabones y Detergentes Sintéticos. Saponificación
7.11.2.1 Jabones
Los
jabones
alcalina
son
sales de ácidos grasos de
de una grasa o aceite produce
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un
cadena
jabón
y
larga.
La hidrólisis
glicerol. De allí que la palabra saponificar significa hacer jabón.
Saponificación:
En general, a la hidrólisis alcalina de un éster, con NaOH también se le llama
saponificación (Sec. 7.6.1.3).
El método más antiguo de producción de jabón consistía en tratar sebo fundido (la grasa
del ganado) con un ligero exceso de álcali en grandes peroles abiertos. La mezcla se
calentaba y se hacía burbujear vapor de agua a través de ella. Luego de concluido el
proceso de saponificación, el jabón se precipitaba por adición de cloruro de sodio y
después se filtraba y se lavaba con agua. Enseguida se precipitaba de la solución con
mas NaCl. El glicerol se recuperaba de las soluciones acuosas de lavado. Actualmente, el
jabón se prepara mediante un proceso continuo donde los lípidos se hidrolizan con agua a
presión y temperaturas elevadas (49.2 kg/cm2 y 200ºC). Para neutralizar el ácido, se
emplea Na2C03, el cual resulta mas barato que el NaOH.
El jabón crudo se emplea, sin procesarlo posteriormente, como jabón industrial. A los
jabones de tocador y jabones desodorantes se les agregan otros ingredientes, como
perfumes y antisépticos, respectivamente. El jabón ordinario es una mezcla
90
de sales sódicas de diversos ácidos grasos. Los jabones de potasio (jabón blando)
resultan mas costosos, pero producen una espuma mas blanda y son mas solubles. Se
emplean en formas líquidas y cremas para afeitar.
Acción limpiadora de los Jabones
Una molécula de jabón contiene una cadena larga hidrocarbonada y un extremo iónico.
La porción hidrocarburo de la molécula es hidrofóbica (rechaza el agua) y soluble en
sustancias no-polares (liposoluble), mientras que el extremo iónico es hidrofílico
(soluble en agua).
Cuando se añade jabón al agua, los extremos hidrocarboxílicos de las moléculas son
atraídos hacia el agua y se disuelven en ella, pero las moléculas de agua repelen los
extremos hidrófobos. Consecuentemente se forma una película delgada (jabonadura)
sobre la superficie del agua, haciendo disminuir notablemente su tensión superficial
(Figura 7.2)
Figura 7.2 a) Formación de una película delgada sobre la superficie del agua.
b) Representación esquemática.
Cuando la solución de jabón se pone en contacto con grasa o aceite (casi toda la
suciedad se adhiere a la ropa mediante una película delgada de grasa o aceite), se
orientan nuevamente las moléculas de jabón. Las porciones hidrófobas se adhieren en la
grasa o aceite y los extremos hidrófilos permanecen disueltos en la fase acuosa. La
acción mecánica, como el restregar, hace que la grasa o aceite se disperse dentro de
gotitas muy pequeñas, y las moléculas de agua se distribuyan alrededor de la superficie
de los glóbulos. Las gotitas de agua o aceite rodeados por moléculas de jabón son
ejemplos de micelas (una micela es un agregado de especies dipolares, ver Fig. 7.3.
Como los extremos carboxilato de las moléculas de jabón se proyectan hacia afuera, la
superficie de cada gota adquiere carga negativa; por tanto las gotas se repelen entre sí y
no se aglutinan. La micela completa se vuelve soluble en agua y puede arrastrarse con
una corriente de agua. El valor del jabón
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Figura 7.3 Una micela de los iones alquil carboxilato de un jabón.
consiste entonces, en que es capaz de emulsionar la suciedad aceitosa para
que se pueda lavar.
Sin embargo, una desventaba de los jabones es que forman sales insolubles con
los iones Cu2+, Mg2+ y otros que se encuentran en el agua dura. El "ablandamiento"
del agua implica el intercambio de esos iones por Na .
2CH3(CH2) 16CO2Na + Cu2+
——>
[CH3(CH2 ) 16CO2-]2Cu2+ + 2Na+
Estearato de sodio
7.11.2.2 Detergentes Sintéticos
La mayor parte de los productos de lavandería y muchos de los jabones de barro y
el champú no son jabones, sino detergentes. Un detergente es un compuesto con
un extremo hidrocarburo hidrofóbico y otro iónico de sulfonato o sulfato. A causa de
esta estructura, el detergente tiene las mismas propiedades emulsionantes de un
jabón. Se han preparado detergentes aniónicos y catiónicos. Los detergentes
aniónicos son sulfatos de ácidos grasos o sulfonatos de hidrocarburos:
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Sulfato laurilsódico
n-Dodecilbencenosulfonato de sodio
Los detergentes catiónicos en ocasiones, reciben el nombre de jabones
invertidos, debido a que su extremo soluble en agua posee carga positiva y nonegativa. Además de ser buenos agentes de lavado poseen propiedades
germicidas, y por esta razón, se utilizan ampliamente en hospitales. Son ejemplos:
7.11.3 Ceras
Una cera es un éster de un alcohol de cadena larga (casi siempre monohidroxilado)
y un ácido graso. Los ácidos y los alcoholes que normalmente componen las ceras
poseen cadenas del orden de 12 a 34 átomos de carbono de longitud. Las ceras
son sólidas de fácil fusión, muy difundidas en la naturaleza y forman parte tanto de
la materia vegetal como de la animal. No se hidrolizan con tanta facilidad como los
tiacilgliceroles y por tanto, resultan útiles como recubrimientos protectores. Las
ceras vegetales se encuentran sobre la superficie de hojas y tallos.
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La
cera de carnauba,
formada en su mayor parte de cerotato de miricilo
, se obtiene de hojas de cierta palmera brasileña y se emplea
para encerar pisos y automóviles y como recubrimiento en papel carbón.
Las ceras animales también sirven como recubrimientos protectores. La cera de
abejas,
constituida
casi
en
su
totalidad
por
el
palmitato
de
miricilo,
C15H31COOC30H61, es secretada por las glándulas cerosas de la abeja. La cera
espermaceti, principalmente palmitato de cetilo, C15H31COOC16H33, se encuentra en
las cavidades delanteras y en la grasa del esperma de ballena. Se emplea
principalmente en pomadas, cosméticos y en la fabricación de velas. La lanolina,
que se obtiene de la lana, es una mezcla de ésteres de ácidos grasos y de los
esteroides lanosterol y agnosterol. Se utiliza ampliamente en aplicaciones
medicinales como base para cremas, ungüentos y bálsamos.
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