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IG @CHEMIISTRYGRAM 1 Los ácidos carboxílicos son un grupo de sustancias muy abundantes en la naturaleza. Vemos algunos ejemplos cíclicos y alifáticos en las fotos: Estructura del ácido carboxílicos y las formas en la que se puede escribir Se debe hacer notar que si unido a este resto de ácido carboxílico tenemos un resto alifático es un ácido carboxílicos alifático ; si lo que tiene unido es un resto aromático el ácido será una ácido aromático. Nomenclatura Los ácidos que son monocarboxílicos, o sea aquellos que poseen solamente un grupo ácido carboxílico contienen o sea se nombran con el prefijo ácido y el sufijo -oico. Ej: el ácido butanoico. La cadena principal es la más larga que incluye al átomo de carbono del ácido carboxílico. A este carbono siempre se le va a asignar el número 1 de la cadena de carbonos, pero cuando el grupo ácido carboxílico está enlazado a un anillo el compuesto se nombra como un ácido carboxílico alcano. En este caso tenemos 1 anillo ciclohexano de 6 carbonos unido el grupo carboxílico por lo tanto a ese lo llamaremos ácido ciclohexano carboxílico. Si el compuesto contiene un doble enlace carbono- carbono se cambia una de las terminaciones -ano por -eno. Ej: ácido propenóico que contiene un doble enlace en su única posición probable y por lo tanto no se debe indicar en dónde está el doble enlace. Ácido cinámico → vemos que hay que indicar la posición del doble enlace y además en este caso en particular se observa un resto fenilo en posición 3. No solamente tendría que indicar si es E o Z, sino la posición del doble enlace y del resto fenilo considerando que el número uno lo va a llevar el ácido carboxílico. Dra. Bruno Teórico Nº25 IG @CHEMIISTRYGRAM 2 Si tenemos un ácido dicarboxílico, esto significa que tengo dos grupos ácidos en la molécula → se le añade el sufijo -dioico anteponiendo la palabra ácido. Ej en la foto. Cuando tenemos dos grupos ácidos unidos a un anillo aromático, va a depender la relación que tengan entre sí. Ej: ácido tereftálico → la unión es en la posición al anillo aromáticos en la posición 1,4 y se llamará ácido 1,4-bencenodicarboxílico. También vemos el 1,2- bencenodicarboxílico o ácido ftálico A los ácidos sustituidos generalmente a veces se les da el nombre ubicando la posición del sustituyente por medio de letras griegas : alfa, beta , gamma → orden alfabético de las letras griegas. Alfa sería el carbono que porta el grupo carboxílico o la función. En un caso como éste que tenemos al ácido-4-hidroxibutanoico, se podría nombrar también como ácido gama-hidroxibutanóico, ya que el grupo oxidrilo se encuentra en el carbono gamma con respecto a este grupo ácido carboxílico. En el caso de la alanina → contiene un grupo amino en posición 2 de este ácido carbólico que es el propanoico por tener tres átomos de carbono → también se lo podría nombrar como ácido-alfa-aminopropanoico. Estructura El átomo de carbono del grupo ácidos carboxílicos tiene hibridación que sp 2, por lo tanto tiene geometría trigonal plana con ángulos de enlaces cercanos a 120 grados. El grupo carbonilo, así como los dos átomos unidos al carbono del carbonilo, se encuentran en un mismo plano. Así también podemos ver que los ácidos carboxílicos pueden formar dos enlaces uniones de hidrógeno lo que permite a las moléculas asociarse en pares. Estos enlaces hidrógenos explican los relativamente elevados puntos de ebullición que tienen los ácidos carboxílicos. Si comparamos los puntos de ebullición del ácido acético y del etanol, vemos que el ácido acético tiene un punto de ebullición más alto debido a estas fuerzas intermoleculares más marcadas. También vemos que podrá establecerse doble puente de hidrógeno cuando se acerque a una molécula de agua → aquellos ácidos carboxílicos que tengan una cadena muy corta alifática acá podrán ser solubles en agua. IG @CHEMIISTRYGRAM 3 Química de los ácidos carboxílicos Ácidos carboxílicos → reacciones que sufren y su síntesis. Esta síntesis va a ser por diferentes métodos ya vistos cómo son los métodos de oxidación. También podemos obtener un ácido carboxílico a través de la carbonatación del reactivo de Grignard o la hidrólisis de sus derivados. Métodos de Oxidación A) Ruptura oxidativa de alquinos Cuando los alquinos se tratan con ozono seguido de agua, a través en una escisión oxidativa para producir ácidos carboxílicos → se rompe un triple enlace carbono-carbono para dar los ácidos carboxílicos. Si tenemos un alquilo terminal sufre también escisión oxidativa pero el lado terminal se convierte en dióxido de carbono y obtenemos un ácido carboxílico. B) Ruptura oxidativa de alquenos Exponemos a uno alqueno frente a ozono y agua y obtenemos dos ácidos carboxílicos. Nótese que aquí no usábamos un método reductor porque si no llegaríamos a los aldehídos correspondientes → ese medio reductor era o zinc o dimetil sulfuro. En este caso el medio reductor no existe, es el medio acuoso y por lo tanto obtenemos ácidos carboxílicos. Inconveniente → cuando realizamos esta ruptura oxidativa con permanganato de potasio y calor. Cuando enfrentamos un alqueno con permanganato de potasio frío, diluido y alcalino obtenemos el cis glicol. En este caso como se calienta la reacción → este cis glicol no se puede obtener sigue oxidándose, para dar el correspondiente ácido carboxílico. Este método tiene utilidad cuando el alqueno es simétrico, porque se obtiene el mismo ácido carboxílicos, o cuando si por de esas casualidades éstos R fueran diferentes, se obtendrán ácidos carboxílicos diferentes y debería buscar si lo quiero usar como método de síntesis que esos ácidos carboxílicos que se producen puedan ser separados fácilmente. C) Oxidación de alcoholes primarios Con los alcoholes primarios podemos llegar a obtener, a través de la reacción con oxidantes fuertes como el dicromato de potasio en medio sulfúrico o el dióxido de cromo en medio sulfúrico o el permanganato de potasio → el ácido carboxílico correspondiente. En esta reacción lo primero que ocurre es la oxidación hacia un aldehído, como primer paso de la oxidación que en medio acuoso pasa a ser hidrato de aldehído → estos productos no son aislables → continúa la oxidación hasta llegar al ácido carboxílico correspondiente. Debemos recordar que si el alcohol posee una función oxidable como por ejemplo un alqueno → esta reacción no sería útil ya que se obtendría un ácido no deseado. IG @CHEMIISTRYGRAM 4 D) Oxidación de aldehídos La oxidación de aldehídos puede realizarse con un oxidante fuerte y va a pasar lo mismo que ocurre con los alcoholes primarios → llegarán al ácido carbólico correspondiente. Con oxidantes débiles como lo es el reactivo de Tollens → este reactivo se trata de nitrato de plata amoniacal enfrentado con un aldehído → ocurre la reacción y forma una sal del ácido correspondiente y el espejo de plata → el espejo de plata es plata cero que se deposita por ejemplo en el tubo de ensayo como ven en la reacción. Esta reacción es muy conveniente cuando se quiere oxidar un aldehído pero a su vez esa molécula de aldehído contiene otro grupo oxidable → porque solamente va a oxidar al grupo aldehído y no el otro grupo. Esta reacción también se la conoce como una reacción de reconocimiento → es una reacción de caracterización → pone de manifiesto la presencia de algún grupo funcionales de forma específica a través de una reacción sencilla que produce un cambio observable. En este caso el cambio observable va a ser la formación de ese espejo de plata. Cuando tenemos una metilcetona también puede oxidarse a ácido mediante la reacción del haloformo o la reacción del Lieben.Esta reacción de Lieben se lleva a cabo con yodo en medio alcalino → se formará un oxidante → el hipoclorito de sodio y de alguna manera se va a reemplazar cada uno de los hidrógenos del metilo con estos yodos y a su vez será atacado por el medio alcalino, lo que producirá la sal del ácido y un precipitado amarillo que es yodoformo (CHI3). Esta reacción se hace con yodo, ni con cloro ni con bromo → la cuestión es que como era una reacción que se usaba para reconocer metilcetonas, debería ser una reacción sencilla que provocará algún cambio visible → el cambio en este caso es la formación de ese precipitado del yodoformo, que no lo va a producir ni el cloroformo ni el bromoformo porque son líquidos. Recordar también que cuando tengo un metil alcohol me puede dar un falso positivo → quiere decir que si yo tengo un metil alcohol y lo hago reaccionar con yodo en medio alcalino también me va a dar la sal y el precipitado el yodoformo → esto es debido a que el metil alcohol se va a oxidar y entremedio voy a tener una metil cetona → va a dar positivo esta reacción. IG @CHEMIISTRYGRAM 5 E) Oxidación de alquilbencenos Compuestos aromáticos → la oxidación de alquilbenceno. Cualquier sustituyente alquílico en un anillo aromático se oxida completamente para dar ácido benzoico → siempre que en esa posición bencílica haya por lo menos un átomo de hidrógeno. La reacción se podría llevar a cabo con dicromato de potasio medio ácido o con permanganato (también en medio ácido). En el laboratorio es conveniente realizar la reacción con permanganato de potasio en medio alcalino → cuando se oxida éste alquilbenceno en presencia de permanganato se produce en el medio alcalino la sal del ácido correspondiente soluble en agua. También se formaba un dióxido de manganeso, un precipitado marrón → con una simple filtración podríamos separar la sal de ese precipitado marrón, y luego ese producto que era el carboxilato se acidifica, por ejemplo con ácido clorhídrico concentrado, para recuperar nuestro ácido carboxílico → el ácido benzoico. Métodos Hidrolíticos Métodos Hidrolíticos → la presencia de agua tanto en medio ácido como básico para producir en este caso a partir de los derivados de ácido un ácido carboxílicos → Derivados de ácidos son los halogenuros de ácido, los ésteres, los anhídridos de ácido, las amidas y los nitrilos. Todos ellos en presencia de agua tanto en medio ácido como básico producirán nuestros ácidos carboxílicos. La idea es que a estos se los conoce como derivados de ácidos justamente porque a través de su hidrólisis se obtienen ácidos carboxílicos. No sería muy útil sintetizar un derivado de ácido porque esos derivados de ácidos de la foto se obtienen a partir del ácido carboxílico → sería nefasto haber hecho la síntesis de un halogenuro o de una amida para luego volver al producto inicial de la reacción. Sin embargo particularmente nos dedicaremos a la síntesis de un nitrilo que si se puede hidrolizar y también se puede obtener a través de otro método diferente que no sea a partir de un ácido carboxílico. IG @CHEMIISTRYGRAM 6 Síntesis a) A partir de derivados halogenados y cianuros de metales alcalinos (Sn2) A partir de un derivado halogenado primario y un Nu fuerte, en nuestro caso es el cianuro de un metal alcalino, podríamos obtener este nitrilo. Hay un inconveniente → esta reacción se produce a través de un mecanismo de tipo Sn2 → no puedo obtener un nitrilo aromático porque no puedo partir de un derivado halogenado arílico porque no es reactivo frente a un Nu fuerte; ni tampoco podría obtener un nitrilo a través del uso de un derivado halogenado vinílico. ¿Cómo puedo obtener entonces un nitrilo que sea aromático? Vimos una de las posibilidades en compuestos aromáticos → a través de una sustitución Nu aromática partiendo de un compuesto como en este caso el 2,4-dinitro clorobenceno → podría ser sustituido un cloro por un Nu → en este caso cianuro de potasio. Esta reacción → limitaciones → necesita que las posiciones 2 ,4 y 6 tuvieran grupos atractores de electrones. En este caso los tiene, son los grupos nitro en posición 2 y 4. Una vez obtenido el nitrilo aromático lo único que resta es hacer la hidrólisis para obtener el ácido benzoico derivado del nitrilo. Otra de las formas es a través de anilina y la formación de las sales de diazonio. En este caso a través de la anilina por una reacción con nitrito de sodio en medio ácido en frío se podía obtener la sal de diazonio → es estable y se puede hacer reaccionar en este caso, como nuestro objetivo es un benzonitrilo, con cianuro cuproso. Una vez obtenido entonces este benzonitrilo lo que restaría sería hacer la hidrólisis para obtener el ácido benzoico correspondiente. Sal de diazonio Repaso Cómo obtener los derivados halogenados que fueron, al fin y al cabo, los que van a producir la formación de un nitrilo y luego por hidrólisis un ácido carboxílico. IG @CHEMIISTRYGRAM 7 Un derivado halogenado primario habíamos visto que puede reaccionar con un cianuro de sodio o de potasio para dar un nitrilo. Luego por hidrólisis ácida o alcalina obtener el ácido carboxílico correspondiente. Si nos fijamos el ácido que obtuvimos posee un carbono más que el derivado halogenado del cual partimos → esto es importante tenerlo en cuenta. También está recuadrada la otra reacción en donde se parte de un derivado halogenado secundario. Esta reacción no es tan efectiva como llevarlo a cabo con cianuro de potasio o cianuro de sodio con un derivado halogenado secundario para dar el nitrilo correspondiente y luego la hidrólisis de él todavía se considera que pueden dar buenos rendimientos. A través de eso entonces veamos cómo se pueden sintetizar esos derivados halogenados. Puedo partir de un alcohol y llegar al derivado halogenado correspondiente a través de la reacción de, por ejemplo, de un hidrácido. El alcohol secundario puede llegar a producir un derivado halogenado por reacción con cloruro de tionilo. A su vez ya sabemos que puedo llegar desde un alqueno a obtener un alcohol o un derivado halogenado. ¿Qué hacemos cuando queremos llegar al alcohol? → el alcohol que se quiere obtener aquí es un producto anti Markovnikov (el de arriba) → la reacción que tengo que producir es la hidroboración- oxidación (c) para obtener este alcohol primario, si no seguiría la ruta Markovnikov (b) que sería a través de que la adición de ese alqueno con agua en medio ácido. A su vez si queremos a través del alqueno obtener el derivado halogenado, podemos recordar que podemos utilizar la reacción de bromhídrico con presencia de peróxido (d), porque ese derivado halogenado conduce a un producto anti Markovnikov. A su vez podemos llegar fácilmente a un derivado halogenado secundario a través de la reacción de ese alqueno en presencia de un hidrácido. El alcohol primario lo puedo obtener también de la reducción de un aldehído y desde allí puedo obtener con borohidruro de sodio (e) el alcohol correspondiente. ¿Por qué si yo no tengo un aldehído directamente no aplicó un método oxidativo? Si yo quisiera obtener este ácido carboxílico tiene un carbono más que el derivado halogenado de partida, por lo tanto ese aldehído que quiero oxidar debería tener un carbono más para obtener el producto que yo quiero es ese ácido carboxílico. En el caso de tener una metilcetona también se puede reducir fácilmente, por ejemplo, con borohidruro de sodio (g) en presencia de metanol y luego ese alcohol obtenido sigue la ruta de obtención del derivado halogenado correspondiente para la obtención de ese nitrilo y luego por hidrólisis obtener el ácido carboxílico. Esto nada más es una especie de resumen para saber cómo poder obtener un ácido carboxílico a través de todos los gruposfuncionales vistos hasta este momento. b) Deshidratación de amidas primarias no sustituidas (método general) Método de síntesis de nitrilo que es un método general. Se parte de una amida primaria → no están sustituidos sus hidrógenos del grupo amino y se le enfrenta con un reactivo deshidratante. En este caso la reacción transcurre con pentóxido de fósforo y por la pérdida de agua se obtiene el nitrilo correspondiente. Otros agentes deshidratantes que se pueden usar son el cloruro de tionilo, el oxicloruro de fósforo, el pentóxido y también el anhídrido acético. Esta reacción no tiene mucho sentido para ser aplicada para la síntesis del ácido carboxílico correspondiente, porque seguro que tuve que sintetizar la amida y entonces partir de un ácido carboxílico. Si yo tengo la amida y quiero sintetizar un nitrilo, es una reacción muy buena para esa síntesis. IG @CHEMIISTRYGRAM 8 Carbonatación de los reactivos de Grignard En esta reacción se lleva a cabo el ataque Nu al dióxido de carbono para dar una sal, que luego por una reacción ácido base, se obtiene el ácido carboxílico correspondiente. El reactivo Nu es el reactivo de Grignard → ese reactivo de Grignard se consigue por la reacción entre un derivado halogenado y magnesio en éter seco. En la reacción vemos que tenemos clorobenceno, un reactivo que no podía ser utilizado para la síntesis de un nitrilo porque la reacción iba tipo mecanismo Sn2 y en este caso sí podemos obtener el reactivo de Grignard haciéndolo reaccionar con magnesio en éter seco. El medio debe ser anhidro, porque si no a medida que se va formando el reactivo de Grignard correspondiente se va a descomponer. Luego de la formación del reactivo de Grignard, lo hacemos reaccionar con hielo seco, que no es más que dióxido de carbono s sólido y así se obtiene la sal correspondiente para luego poder hidrolizarlo y llegar a la obtención del ácido carboxílico. Ventaja importante frente a la síntesis vía nitrilo → puedo preparar los reactivos de Grignard con cualquier derivado halogenado: arílico, vinílico, alifático (éste último por vía Grignard y vía nitrilo). ¿Puedo obtener un ácido aromático? → sí, puedo obtener ese ácido carboxílico aromático a través de un reactivo de Grignard y no vía nitrilo debido a que el derivado halogenado que debo partir es un derivado halogenado arílico. ¿Qué pasa si el derivado halogenado es terciario y quiero obtener la vía nitrilo? No puedo tampoco, porque un derivado halogenado terciario con un Nu fuerte, como es en este caso un cianuro de potasio o de sodio, va a producir una reacción de eliminación. A través de ésta carbonatación de estos reactivos de Grignard puedo obtener ácidos carboxílicos que sería imposible obtener a través de un nitrilo. Resumen Se ven todos los métodos sintéticos que existen para la formación de ácidos carboxílicos. Están presentes las oxidaciones, el método hidrolítico y la síntesis de un ácido carbólico vía Grignard o vía nitrilo. Reactividad de los ácidos carboxílicos La propiedad que resalta rápidamente es la acidez del hidrógeno unido al oxígeno formando el oxidrilo de ese grupo carboxílico. Ese hidrógeno es muy ácido y muy fácilmente puede liberarse al medio de reacción como protón. Otra cosa que se deduce de la estructura de este ácido carboxílico, es que la unión carbono doble enlace oxígeno se encuentra polarizada y esto significa que ese carbono tiene densidad de carga positiva y el oxígeno tiene densidad de carga negativa → el oxígeno más electronegativo que ese IG @CHEMIISTRYGRAM 9 carbono esto que hace hace que ese carbono carbonílico, al tener esa densidad positiva, sea un centro electrófilo → puede ser atacado por cargas negativas o sea un nucleófilo o pares de electrones sin compartir que también serían un Nu. Además los oxígenos que conforman el grupo ácido carboxílico son centros básicos → pueden tomar protones del medio → reacciones con catálisis ácidas. En posición alfa tengo un hidrógeno que tiene una cierta acidez o sea quiere decir que se puede eliminar como protón → sin embargo, la acidez de estos hidrógenos en alfa no es como la acidez que encontramos de hidrógenos vecinos a carbonilos, sino que está muy limitada porque porque queda totalmente enmascarada por la elevada acidez del grupo carboxílico que está presente en la molécula. Acidez de los ácidos carboxílicos Es una propiedad química muy importante para este grupo funcional. Para esto recordemos algunos conceptos: - La fuerza de los ácidos depende de su tendencia o facilidad para entregar su protón. - Cuanto más capacidad tenga la sustancia en ceder su protón menor tendencia tendrá su base conjugada para aceptar nuevamente el protón → par ácido-base conjugados, cuanto más fuerte es el ácido como tal, más débil es su base conjugada como base. Si planteamos entonces la ecuación ácido-base del ácido acético con el agua, podemos decir que vamos a obtener la base conjugada que será nuestro acetato y el ácido conjugado nuestro ion hidronio. Si lo planteamos como una ecuación de equilibrio, vemos que podemos sacar la constante de equilibrio como la relación que existe entre los productos y los reactivos → en nuestro caso los productos serían el carboxilato formado, el ión hidronio en concentración y el reactivo ácido sin disociar con la concentración del ácido acético. La concentración de agua puede ser considerada como constante porque en realidad está en exceso → si yo a esa concentración de agua que es fija de 55.5 molar la paso multiplicando al otro término, obtendré lo que se conoce como la constante de acidez ¿Por qué digo que es la constante de acidez? La relación me está informando que cuanto mayor es el Ka, mayor porcentaje o mayor concentración del carboxilato voy a tener en relación con el ácido carboxílico. Esto significa que un valor de Ka alto, el ácido carboxílico resultará ser ácido, mientras que tenga un valor de cada pequeño el ácido no será tan fuerte. Como los valores de Ka son relativamente muy pequeños, para no estar trabajando con valores de 10 a la menos, se usa el menos logaritmo para obtener lo que se llama valores de pKa. Estos valores de pKa guardan una relación inversa con el grado de acidez → a mayores valores de Ka, obtendré un menor pKa, o en inversa si tengo un valor de Ka muy pequeño, significa que el pKa será muy alto. IG @CHEMIISTRYGRAM 10 Sabemos que las reacciones ácido-base siempre favorecen la formación del ácido más débil y de la base más débil → esto significa que un ácido fuerte desplazará a otro más débil de su sal. Ej: la sal del ácido benzoico, el benzoato de sodio → podría desplazarlo de esa sal y transformarlo en el ácido benzoico por la presencia del ácido clorhídrico concentrado que es un ácido mineral y resulta ser más ácido entonces que el ácido benzoico. La acidez va a estar generalmente determinada por la mayor o menor estabilidad del anión resultante una vez formado en comparación con el ácido sin disociar y que los efectos inductivos y resonantes pueden llegar a ser los responsables de esa estabilización. Por ejemplo, la presencia de sustituyentes dadores o atractores de electrones → la estructura de un ácido afecta la acidez del mismo. Tanto el ácido sin disociar como el anión carboxilato que se forma son híbridos de resonancia entre dos estructuras límites. El efecto estabilizante de la resonancia en el anión carboxilato es más importante. Si observamos las estructuras resonantes planteadas del ácido sin disociar, encontramos en una de las estructuras que hay separación de cargas, mientras que en la resonancia del anión carboxilato, verán que se generan dos estructuras híbridas de resonancia con idéntica energía que son muy similares. La estabilización delanión carboxilato será lo que tendré que considerar para decidir si un compuesto será más ácido que otro por esa estabilización que existe de este anión carboxilato contrapuesta con la estabilización del ácido sin disociar. Comparación → un ácido carboxílico es más fuerte que un fenol. Si vemos las estructuras resonantes del anión fenóxido que se forma por la pérdida de un hidrógeno como protón de ese fenol, vemos que tenemos más estructuras resonantes → debería ser más contribuyente entonces a ese híbrido de resonancia y por lo tanto estaría mejor estabilizado → conclusión incorrecta → con este criterio diríamos que como el anión fenóxido que se forma se estabiliza mejor por resonancia que el anión carboxilato en cuanto cantidad de estructuras → el fenol sería más ácido que un ácido carboxílicos lo cual no es cierto. Las estructuras del anión carboxilato son idénticas → es un híbrido de resonancia en donde la carga negativa se dispersa entre el oxígeno el carbono y el otro oxígeno presente la molécula → en este caso la carga negativa la soporta un átomo electronegativo. En el caso del anión fenóxido, si bien tengo mayores estructuras resonantes, hay tres estructuras en donde la carga negativa será depositada en un carbono → estas estructuras no contribuyen a este híbrido de resonancia → esto implica que el ácido carboxílico será más ácido que un fenol. IG @CHEMIISTRYGRAM 11 Además de este efecto resonante o sea la estabilización de ese anión carboxilato y mediante resonancia debemos considerar el efecto inductivo que también juega un papel importante en la acidez de estos ácidos. En este caso tenemos el ácido fórmico, el acético, el flúor acético y el trifluoroacético. Los diferencia que en la posición alfa se encontrara un hidrógeno un grupo que no va ni dar ni aceptar electrones; en el caso del ácido acético tenemos un resto metilo que será como un grupo dador de electrones; el flúor en el otro caso es un grupo atractor de electrones y la presencia de tres flúor en posición alfa a ese carboxilo. Si comparamos los pKas de ellos, vemos que un grupo dador de electrones va de alguna forma disminuir la acidez porque tengo un pKa mucho más grande que uno que tenga un grupo atractor de electrones en posición alfa. El flúor acético tiene un pKa de 2.65 → si aumentamos la cantidad de grupos atractores de electrones, producirá un aumento de acidez notable. Conclusión → la acidez de un ácido carboxílico va a estar modulada por la estructura del grupo R o sea que lo que tiene unido directamente a ese grupo carboxílico. Un grupo R dador de electrones desestabilizara y anión carboxilato y hará que la fortaleza del ácido correspondiente sea menor. Este es el caso por ejemplo que vimos de los restos son alquilos, en este caso vimos un resto metilo. Un grupo R electronegativo o sea unido directamente a ese grupo carboxilo, deslocalizará aún más la carga negativa del anión carboxilato estabilizándolo → la fortaleza del ácido va a aumentar → ejemplo sería el caso de los restos halometilos presentes. Si el sustituyente se va alejando del grupo ácido, vemos que los pKas aumentando → la presencia de un grupo cloro en posición gamma va a dar un valor de pKa mucho más alto que si ese grupo cloro está en posición alfa con respecto al carboxilo. El aumento del número de halógenos estabiliza de forma creciente el anión carboxilato y por lo tanto la acidez aumenta como se ven reflejados en los valores de pKa. El cambio por ejemplo de un cloro por un flúor, que es más electronegativo, aumenta la acidez. En el caso de la presencia de un halógeno como el cloro en posición contigua al grupo carboxilato, deslocaliza mejor la carga negativa y por lo tanto aumenta la acidez, pero esta deslocalización es muy sensible a la distancia → cuando el cloro está en la posición 3 o 4 la acidez disminuye, aunque continúa siendo ligeramente mayor que en la ausencia de ese halógeno cloro. Comparamos el ácido benzoico con el ácido acético, un ácido aromático con un ácido alifático → vemos por los valores de pKa que el ácido benzoico resulta ser más ácido que el ácido acético → esto indicaría que el grupo fenilo actúa como aceptor de electrones → va a aumentar la acidez y dispersar mejor la carga del anión carboxilato formado. IG @CHEMIISTRYGRAM 12 La acidez de los ácidos benzoicos sustituidos → va a depender de la influencia de los sustituyentes que tengan ese núcleo aromático → va a depender del efecto inductivo y mesomérico del sustituyente y también de su ubicación. Todo grupo atractor de electrones aumentará la acidez de ese ácido benzoico y un grupo dador de electrones disminuirá la acidez por efecto contrario → un grupo atractor de electrones podrá dispersar mejor la carga negativa del carboxilato formado y la estabilizará mejor; mientras que un grupo dador de electrones desestabilizará de alguna manera a ese carboxilato formado. Efecto orto → independientemente que la molécula tenga un grupo un sustituyente dador o atractor de electrones, va a aumentarle la acidez → esto no se explica muy bien, pero aparentemente se lo atribuye a alguna cuestión estérica del grupo por presentarse en la posición vecina, posición orto con respecto al carboxilato formado. Resumen de acidez La acidez de los ácidos carboxílicos, que es su propiedad más evidente, va a depender de la estabilización del anión carboxilato formado → el grupo carboxilato dispersará la carga por efecto inductivo y mesomérico ; la acidez se va a incrementar en presencia de grupos atractores de electrones. Reducción a alcoholes Cuando se trata un ácido carboxílico con hidruro de litio y aluminio, se convierte en un alcohol. Cuando utilizan un agente reductor como el hidruro de litio y aluminio, los aldehídos y la cetonas son reducidas a alcoholes. El hidruro de litio y aluminio es un agente que provee hidruros que actúan como Nu atacando al grupo carbonilo y produciendo un intermediario tetraédrico, que a su vez es tratado luego con una fuente de protones para dar el producto un alcohol. En el caso de los ácidos carboxílicos, el primer paso del mecanismo probablemente sea una transferencia de protón, porque el hidruro de litio y aluminio también actúa como base fuerte y forma un ión carboxilato. En el segundo paso, se involucra una reacción de ion carboxilato con el hidruro de litio y aluminio, seguido por una eliminación para formar un aldehído. En estas condiciones el aldehído no puede aislarse, en lugar de eso vuelve a ser atacado por el hidruro de litio y aluminio para formar un alcóxido, que luego se protón a cuando se agrega agua al medio de reacción. Método alternativo Un método alternativo para reducir los ácidos carboxílicos se basa en el uso de borano. A menudo la reacción con borano se prefiere ante la reducción con hidruro de litio y aluminio porque el borano reacciona selectivamente con la función ácidos carboxílicos en presencia de un grupo carbonilo. IG @CHEMIISTRYGRAM 13 Por ejemplo, si la siguiente reacción se llevará a cabo con hidruro de litio y aluminio en lugar del borano, ambos grupos carbonilos se reducirían. Debemos recordar que un ácido carboxílico no puede ser reducido por borohidruro de sodio (NaBH4) porque no es lo suficiente fuerte como para que reaccione y reduzca el ácido a alcohol. Un ácido carboxílicos no puede ser reducido tampoco por hidrogenación catalítica → podemos usar el hidruro de litio y aluminio → tiene sus inconvenientes, porque si bien es un reactivo más fuerte que el borohidruro de sodio, tengo que tener ciertas precauciones → por ejemplo que no haya un solvente prótico porque si no va a reaccionar este hidruro de litio y de aluminio de forma violenta ; tener en cuenta que el hidruro de litio aluminio tambiénva a reducir a los ésteres. Podemos utilizar el borano para reducir al grupo carboxilo selectivamente en presencia de un grupo nitro y viceversa → podríamos reducir al grupo nitro a amino en presencia de hidrogenación catalítica ya que el ácido carboxílico no va a ser afectado por esta hidrogenación. Funcionalización del hidrógeno alfa de un ácido carboxílico. La halogenación en alfa ocurre rápidamente con cetonas y aldehídos, pero no con ácidos carboxílicos, ésteres o amidas. Esto es probable al hecho de que estos grupos funcionales no se conviertan con rapidez a sus correspondientes en enoles → sin embargo los ácidos carboxílicos sufren la halogenación alfa cuando se los trata con bromo en presencia del tribromuro de fósforo o fósforo rojo. Se cree que este proceso denominada la reacción de Hell-Volhard-Zelinsky se produce a través de la siguiente secuencia de acontecimientos: el ácido carboxílico reacciona primero con el tribromuro de fósforo para formar un haluro de ácido, que existe en equilibrio con un enol y luego este enol funciona como un Nu y sufre halogenación en la posición alfa. Finalmente la hidrólisis regenera el ácido carboxílico. Ej de Enol Mecanismo de la reacción de Hell-Volhard-Zelinsky La reacción se lleva a cabo con bromo en presencia de fósforo → un ácido carboxílico no puede formar de por sí en una reacción rápida, un alto contenido del tautómero enol → en presencia de bromo y fósforo rojo se forma el tribromuro de fósforo el cual es el que va a producir el haluro de ácido correspondiente → es factible que se enolice y este enol es el que ataca a una molécula de bromo para finalmente dar el alfa al halo haluro de ácido. Resta entonces solamente hacer la hidrólisis de este haluro de ácido para convertirlo en el alfa halo ácido deseado. IG @CHEMIISTRYGRAM 14 Ejemplo → al hacer reaccionar ácido pentanóico con bromo en presencia de fósforo rojo, se formará el ácido 2-bromo pentanóico. Esta reacción hace que se obtenga una mezcla racémica → se formó un carbono quiral en el carbono 2 → la aproximación al bromo del enol formado en el mecanismo de reacción, puede ser el ataque por una o por otra cara de ese carbono doble enlace carbono (de ese doble enlace al Br). Además si el ácido de partida no tiene hidrógenos alfa esta reacción no se podría llevar a cabo → no se podría formar ese enol que se muestra en el mecanismo de reacción, por lo tanto a lo sumo enfrentando un ácido que tiene los hidrógenos alfa ocupados por otros sustituyentes no podrá obtenerse más que el cloruro de ácido o el bromuro de ácido correspondiente. Esta reacción tiene mucha utilidad porque el halógeno en alfa puede sufrir reacciones de Sn2 y se puede entonces sustituir por ejemplo ese bromo por otros grupos. En este caso, es la síntesis de un alfa aminoácido → si bien se obtiene una mezcla racémica, lo que se obtiene al principio o sea lo que se tiene como reactivo es el alfa halógeno ácido formado con un exceso de amoniaco. Considerar que el ácido con una base forma una sal, o en este caso la sal de amonio, y no sólo habrá una Sn2 sino que también habrá desplazar esa sal jugando con el ph de la reacción. También se pueden sintetizar alfahidroxiácidos y alfa ciano ácidos a partir de un alfa bromo ácido. En este caso la reacción sucede a través de un medio básico acuoso con calor → se da la sustitución del bromo por el grupo oxidrilo, pero a su vez debo tener en cuenta que como estoy en un medio básico, se formará el la sal de ese ácido correspondiente, para en un segundo paso a acidificar y obtener el alfa hidroxiácido correspondiente. Cuando la reacción quiere sustituir un bromo por un grupo nitrilo, se puede hacer teniendo cierta precaución → el IG @CHEMIISTRYGRAM 15 reactivo sería cianuro de potasio; el medio ácido de este ácido carboxílico lo haría transformarse en ácido cianhídrico, por lo tanto estaría sería una especie muy tóxica, hasta podría provocarnos la muerte → lo que se hace es una reacción primero ácido-base entre el ácido carboxílico correspondiente y el hidróxido de sodio para dar la sal sódica y luego hacer reaccionar ese derivado halogenado con el cianuro de potasio. Una vez reemplazado el bromo por el cianuro, se acidifica para obtener un alfa ciano ácido. Luego como utilidad puedo obtener por hidrólisis y calor del nitrilo pasar al grupo ácido → obtener de alguna manera un ácido dicarboxílico 1,3. Descarboxilación de ácidos carboxílicos Los ácidos carboxílicos simples no se descarboxilan con facilidad → un ácido monocarboxílico a altas temperaturas en un medio fuertemente básico puede de carboxilarse para rendir el alcano correspondiente y el dióxido de carbono. Ácido dicarboxílico → en este caso el ácido malónico, si se puede hacer solamente calentando a 150 grados para obtener ácido acético y dióxido de carbono → el resultado de esta descarboxilación es que uno de los grupos carboxilos asiste a la pérdida del otro → uno de los restos ácidos carboxílicos es expulsado como se muestra en el mecanismo, pero vemos que en el primer paso se produce una reacción en donde se forma un enol → sufre una tautomerización y entonces el resultado da un ácido monocarboxílico que éste no puede sufrir descarboxilación. Reacción descarboxilación → vemos que la presencia del grupo R que en realidad está simbolizando o los dos hidrógenos que pueden haber en este carbono 2 del ácido carboxílicos o puede haber restos alquílicos o cualquier otro resto o un resto y un hidrógeno → la reacción va a transcurrir sin que se modifique lo que tengo en ese carbono 2 → puedo generalizar que la descarboxilación es una reacción muy buena para llevarla a partir de los ácidos 1,3 dicarboxílicos. Ejemplos de propanodioico que se descarboxilan : En el primer caso tendrán sustituido con dos R el carbono 2 y en segundo caso tendrán sustituido el carbono con un R y un hidrógeno. Las dos reacciones son probables. Reacción de descarboxilación, veo que un grupo oxidrilo de uno de los ácidos carboxílicos permanece en todo el mecanismo de reacción → si estoy en presencia de un ácido carboxílico que IG @CHEMIISTRYGRAM 16 tiene un grupo carbonilo en beta con respecto al grupo carboxilo, la descarboxilación va a ocurrir también y en este ejemplo en particular de este beta cetoácido, se descarboxilará con temperatura ambiente. Se obtiene una acetona con la liberación de dióxido de carbono. Puedo generalizar esto de la descarboxilación si tengo en posición entonces alfa un grupo atractor de electrones y se va a producir fácilmente esa descarboxilación Esterificación de fisher Ésteres → por tratamiento de ese ácido carboxílicos con un alcohol en presencia de un ácido catalítico, como puede ser el ácido sulfúrico concentrado o el fluoruro de hidrógeno gaseoso. Está esterificación que es una reacción de equilibrio y permite obtener ésteres con buenos rendimientos controlando cuidadosamente las condiciones experimentales. Como el proceso es reversible se puede controlar aprovechando el principio de Le chatelier → la formación del éster puede favorecerse usando un exceso de alcohol si no es muy caro sí, utilizando a ese alcohol como solvente o retirando el agua de la mezcla de reacción a medida que se forma. El proceso inverso que es la conversión del éster en el ácido carboxílico y esto se puede lograr con un exceso de agua. Mecanismo de fisher En un primer paso hay una transferencia de un protón → la protonación del grupo carbonilo hará que este sea más electrófilo, por lo tanto habrá un alcohol que actúa como Nu y atacará a ese grupo carbonílico. La carga positiva se elimina mediante una desprotonación seguida de una transferenciade protón, porque el grupo oxidrilo se va a convertir en un mejor grupo saliente que es agua. El grupo carbonilo vuelve a formarse y se elimina agua como grupo saliente. La carga positiva se elimina por desprotonación generando el éster correspondiente. El mecanismo aceptado es exactamente el que se esperaría para una sustitución Nu acílica, que se produce en un medio ácido. Se obtiene evidencia de este mecanismo en los experimentos de marcación isotópica, en los cuales el átomo de oxígeno del alcohol es reemplazado por un isótopo más pesado, oxígeno 18, y la ubicación de este se rastrea durante toda la reacción.Lla ubicación del isótopo en el producto confirma este mecanismo. IG @CHEMIISTRYGRAM 17 Espectroscopía IR de los ácidos carboxílicos La espectroscopia de infrarrojo caracteriza a los grupos funcionales. Un ácido carboxílico se caracteriza por presentar señales que correspondan al grupo carbonilo y el grupo oxidrilo. En un espectro de infrarrojo de un ácido carboxílico → el estiramiento del enlace carbono doble enlace oxígeno que da una absorción intensa cercana a los 1.700 centímetros a la menos 1; la señal de estiramiento del enlace oxígeno-hidrógeno que se presentará como una señal ancha y se traslaparan, se superpondrá con las vibraciones del enlace carbono-hidrógeno desde más o menos alrededor de los 3 400 centímetros a 2400 cm^-1. Esta señal es muy ancha y es debido a la formación de uniones hidrógenos que existen en los ácidos carboxílicos. También habrá, aunque son un poco menos importantes, dos bandas más que son la señal del estiramiento carbono oxígeno alrededor de 1320-1200 cm^-1 y una de flexión de carbono oxígeno hidrógeno → una banda en forma de campana a 900 cm ^-1. Ej: espectro de ácido acético → se distinguirán dos bandas que sobresalen a la vista. Las dos bandas van a corresponder al estiramiento oxígeno hidrógeno que es una banda ancha por la presencia de esas uniones hidrógenos que presentan los ácidos carboxílicos y además la señal de estiramiento del carbonilo carbono doble enlace oxígeno alrededor de los 1.700. Las otras dos bandas no menos importantes, pero sí pueden llegar a pasar un poco más desapercibidas, son las señales de estiramiento carbono oxígeno alrededor de los 1.200 cm^- 1 y la flexión fuera del plano de carbono oxígeno hidrógeno alrededor de los 900 cm^-1.
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