Curso de Química Orgánica II para TQ Derivados de acidos carboxílicos Facultad de Ciencias Naturales y Exactas Departamento de Química Profesor: Danny Balanta Créditos a: L.G Wade y Janice Smith

Derivados de ácidos carboxílicos: estructura R-C≡N nitrilo Z= -OH, -Cl, -OCOR, -OR´, -NH2 (H o R) Contiene un grupo carbonilo (C=O) con hibridación sp2 y naturaleza electrofílica (muy similar a aldehídos, cetonas y acidos carbox.) Reacciones principales: sustitución nucleofílica en el carbono acilo. Tambien pueden interconvertirse unos en otros (derivado del derivado) y sufrir hidrolisis.

Acetonitrilo (solvente en HPLC, laboratorio) Nomenclatura haluros de acido “Haluro” + “de” + “radical cadena principal” + oilo Cloruro de benzoilo Cloruro de acetilo Derivatizante, lacrimógeno, sensible humedad Agente acetilante, lacrimógeno Nomenclatura Nitrilos “ radical cadena principal” + nitrilo Acetonitrilo (solvente en HPLC, laboratorio) Etanonitrilo Benzonitrilo

Nomenclatura anhídridos de acido “Anhidrido” + “de” + “nombre raíz acido” + oico (anhídridos simétricos) “Anhidrido” + “de” + “nombre raíz 1” + “raíz acido” + oico (anhídrido no simétrico o mixto) Anhidrido acético Anhidrido etanoico Anhidrido trifluoracético Anhidrido trifluoroetanoico Anhidrido acético formico. Anhidrido etanoico metanoico Anhidrido Ftalico Anhidrido Malonico

“Raiz cadena principal” + oato + “de” + “grupo alquilo” Nomenclatura esteres “Raiz cadena principal” + oato + “de” + “grupo alquilo” Acetato de isopentilo Acetato de isobutilo Olor del banano Olor de fresas y cerezas Olor de la piña Acetato de bencilo Olores fragantes en frutas, perfumería. Salicilato de metilo Antiinflamatorio (bengay) Deriva del acido salicilico Olor del jazmin y frambuesa

3 metil butanoato de etilo Nomenclatura esteres 3 metil butanoato de etilo Acetato de propilo Cinamato de etilo Olor de la manzana Olor de la pera Olor de la canela Esteres cíclicos: Lactonas “Lactona” + “del” + “nombre acido carboxilico”

Tipos de amidas en química orgánica Nomenclatura amidas “Raiz cadena ppal” + amida (si es amida 1°) N-alquil+“Raiz cadena ppal” + amida (si es amida N sust) N,N-alquil,alquil +“Raiz cadena ppal” + amida (si es amida N,N disust) Tipos de amidas en química orgánica Amida 1° Amida N sustituida Amida N,N disustituida

N-(4-hidroxifenil)acetamida Nomenclatura amidas Acetamida Etanamida N-metil propanamida N-etil-N-metilpropanamida Acetaminofen N-(4-hidroxifenil)acetamida Benzamida N,N dimetilformamida Plantilla de fármacos Disolvente orgánico Antipiretico y antiinflamatorio

“Lactama” + “del” + “nombre acido carboxilico” Nomenclatura amidas ciclicas “Lactama” + “del” + “nombre acido carboxilico”

Resumen nomenclatura

Derivados de acidos: propiedades fisicas Comparten algunas propiedades con sus congéneres de igual tamaño. Se conservan las tendencias ya conocidas sobre el aumento o disminución según tamaño de la cadena carbonada.

Punto de ebullición de derivados de acidos dicarboxílicos

Rigidez estructural en amidas Protonación en amidas Rigidez estructural en amidas La rotación en el enlace C-N no es libre, dada la estabilidad por resonancia que se presenta, permitiendo que el enlace C-N adquiera característica de un enlace doble C=N planar, restringiendo el movimiento o giro libre (típico en péptidos y proteínas)

Derivados de acidos: estabilidad La estabilidad se debe a la capacidad de los hibridos de resonancia que estos compuestos puedan formar. Entre mas hibridos mas estable

Derivados de acidos: reactividad Los compuestos mas reactivos pueden convertirse en los menos reactivos (no se puede en sentido inverso) por razones obvias.

Derivados de acidos dicarboxílicos como disolventes Algunos derivados tienen esta finalidad, especialmente amidas, esteres y nitrilos Nota: los anhídridos y cloruros al ser inestables NO se usan de esta manera

Derivados de Ácidos carboxílicos: reacciones de interconversión.

Mecanismo general de sustitucion nucleofilica en el acilo: implicitamente es una adicion (del nucleofilo) y eliminacion (del grupo Y)

Derivados de acidos: reactividad Los compuestos mas reactivos pueden convertirse en los menos reactivos (no se puede en sentido inverso) por razones obvias.

Matriz de conversiones posibles De acuerdo a lo anterior se plantea el siguiente arreglo donde se ilustran las reacciones posibles, ya sea por interconversión o hidrolisis. Compuestos mas reactivos se transforman en derivados menos reactivos. Es posible hacer conversiones indirectas.

Cloruro de ácido a amida (ya mencionado en secc. ácidos carbox Cloruro de ácido a amida (ya mencionado en secc. ácidos carbox.) No olvide estudiarla. Cloruro de ácido a ester (ya mencionado en secc. de ácidos carbox.) No olvide estudiarla

Nylon: es una poliamida, producto de la unión de un diacido carboxílico o di-cloruro de acido con una diamina. Se clasifica como policondensación por la pérdida de 1 mol de agua o HCl.

Poliester: producto de la unión de un diacido carboxílico con un dialcohol Se clasifica como policondensación por la pérdida de 1 mol de agua. Dacron es el mas conocido

Cloruro de ácido a anhídrido: mecanismo El acido carboxílico hace las veces de nucleofilo desde el grupo –OH, formando el intermediario tetrahedral Seguidamente se elimina el grupo saliente (-Cl), restaurando la función carbonilo Finalmente, el ion cloruro elimina el protón del oxigeno, dando el anhidrido

Cloruro de ácido a ácido carboxilico: se mencionará en la sección hidrolisis. No olvide estudiarla Cloruro de acido a nitrilo: no es directa, requiere varias etapas de conversión Reducción del cloruro de acido a alcohol Conversión del alcohol a haluro de alquilo Reacción SN2 con NaCN para convertir el haluro a nitrilo (recuerde que el nitrilo tendrá un carbono adicional respecto a la cadena original siendo esta la desventaja estructural !!) Ejercicio: proponga ud. una conversión desde el cloruro de butanoilo haciendo uso de la ruta sugerida para obtener el pentannitrilo

Debido a su baja reactividad, las amidas no proceden por conversión directa a ninguno de los otros derivados. No obstante; las amidas por hidrolisis pueden convertirse en ácidos carboxílicos, y desde ahí indirectamente convertirse a cualquiera de los otros derivados. Ejercicio: convierta la benzamida a los otros derivados, con las reacciones ya estudiadas.

Los esteres, también por su baja reactividad, están limitados en cuanto a conversiones se refiere, pudiendo solo transformarse de manera directa en ácidos carboxílicos por hidrolisis o en amidas por amonolisis (ver mecanismo) La amonolisis requiere que el nucleofilo sea amoniaco o una amina 1° y calentamiento prolongado. Conversion indirecta en los otros derivados pasando primero por cloruro de ácido Ejercicio: convertir el benzoato de etilo a los otros derivados.

éster + alcohol <---> nuevo éster + nuevo alcohol Los ésteres puedan transformarse en otros ésteres directamente mediante Transesterificación usando un exceso estequiométrico de un alcohol diferente al que ya se usó para formar el ester original éster + alcohol <---> nuevo éster + nuevo alcohol Este proceso es muy utilizado en la conversión de aceites y ésteres de ácidos grasos (triglicéridos) en la industria, logrando el intercambio del grupo alcoxi.

Mecanismo transesterificación: recuerde que como en la esterificación de Fischer original va catalizada en medio ácido

Mecanismo conversión anhídrido a éster: Los anhídridos al igual que los cloruros de ácido son demasiado reactivos; sin embargo solo logran convertirse a ésteres y amidas de forma directa, por hidrólisis a ácidos carboxílicos, y desde estos últimos, de manera indirecta a los derivados restantes. Ejercicio: convierta el anhídrido acético a acetato de etilo y los otros derivados Mecanismo conversión anhídrido a éster:

Mecanismo conversión anhídrido a amida: Con respecto al nucleofilo: Con amoniaco  amida primaria Con una amina 1°  amida N sustituida Amina 2°  Amida N,N disustituida Amina 3° no ocurre (impedimiento estérico)

Todas las interconversiones de nitrilos a los otros derivados son indirectas, y requieren inicialmente pasar por ácido carboxílico inicialmente, para después de allí llegar a los derivados que se deseen, haciendo uso de las reacciones ya estudiadas (preferiblemente la ruta de cloruros de acido) Ventaja: se mantiene el número de carbonos de la cadena del nitrilo original Ejercicio: convierta el acetonitrilo en los otros derivados

Derivados de Ácidos carboxílicos: hidrólisis

Hasta aquí puede decirse que: Todas las hidrolisis de todos los derivados de ácidos carboxílicos dan como producto un ácido carboxílico. Pueden ser catalizadas por ácido, base, o agua Es una forma de interconversion de todos los derivados. La hidrólisis de cloruros de acido ocurre rápidamente, en presencia de aire o humedad del ambiente, sin necesidad de ser catalizada mediante ácidos o bases, solo con agua, por ello los cloruros son sensibles a la humedad

La hidrólisis de anhídridos, también ocurre rápidamente, en presencia de aire o humedad del ambiente, sin necesidad de ácidos o bases, y solo con agua (mismo problema que en cloruros de ácido) dando dos moles de acido carboxílico (iguales o diferentes) según el anhídrido de partida.

Puede presentarse de dos maneras: catalizada por ácido y base, conllevando al mismo resultado final (una ultima protonacion es requerida en la hidrolisis básica) Requiere condiciones prolongadas de calentamiento y de concentraciones moderadas a fuertes de ácido y base (reacción de hidrolisis lenta)

Hidrólisis de amidas en medio básico (mecanismo): El grupo –OH ataca al carbonilo formando intermediario tetrahedral El grupo amino es eliminado, y un protón es abstraído desde el ion amido para dar la sal del carboxilato En el paso final (ilustrelo ud.) se debe añadir HCl para que el carboxilato se transforme en ácido carboxilico

Hidrólisis de amidas en medio ácido (mecanismo): requiere de la protonación del carbonilo y posterior ataque del agua, y salida del grupo amino protonado. Produce el ácido carboxílico directamente.

Hidrólisis de ésteres en medio ácido: al igual que en amidas, se protona el carbonilo con posterior ataque del agua, y salida del grupo alcohol. Produce el ácido carboxílico directamente.

Hidrólisis de ésteres en medio básico: similar a la ocurrida en amidas. 1. Ataque del grupo –OH al carbonilo 2. Eliminacion de grupo alcoxido 3. Abstraccion de proton del ac. carboxilico por parte del alcoxido 4 (ilustre ud.). Adicion de HCl y regeneración de RCOOH Involucrada en la saponificación de ácidos grasos (hidrolisis de triglicéridos) para producir jabón usando NaOH o KOH.

Saponificación de ácidos grasos: formación de jabón Los triglicéridos de ácidos grasos de cadena larga (entre 12-20 carbonos) se hidrolizan en presencia de base fuerte, para dar glicerol y sales carboxilato, siendo esta mezcla conocida como jabon

La hidrolisis de nitrilos se puede presentar en medio básico (requiere protonacion en el paso final, ver mecanismo)

Se puede presentar en medio ácido (ver mecanismo)

Derivados de Ácidos carboxílicos: otras reacciones

Reducción de derivados de ácidos para dar aldehidos: Esteres, amidas, nitrilos y cloruros de ácido se pueden reducir a aldehídos. Se requiere de reductores como: Hidruro de litio tri Tert-butoxido de aluminio (LtBAH) LiAl[OC(CH3)3]3H y Diisobutilhidruro de aluminio (DIBAH).

Acilacion de Friedel Crafts: procede por sustitución electrofiica aromática (SeA). Superior a Alquilacion Friedel Crafts. Buenos rendimientos en el laboratorio. Util en síntesis de cetonas aromáticas de cadena larga. Complementar con Wolf Kishner / Clemensen.

Reduccion de cloruros a aldehidos: se usa hidruro de litio y aluminio tri terbutoxido (agente reductor moderado). Reacciona rapidamente, mucho mas que en la reducción de aldehidos

Hidrolisis de anhídridos (explicada en esta sección) Formacion de esteres (mencionado en este mismo capitulo) Conversion a amida (amonolisis, mencionado en este mismo capitulo)

Acilacion de Friedel Crafts con anhidridos: procede por SEA de forma similar a la que ocurre con ácidos carboxílicos. Funciona con anhídridos simétricos, asimétricos y cíclicos.

N-Acetilacion y O-Acetilacion con anhídridos (o cloruros de acido): al adicionar alguno de ellos a compuestos aromáticos derivados del fenol o la anilina, se reduce la activación de estos grupos. En cualquier caso, el ataque nucleofilico lo hace el grupo OH o el NH2. Ejemplos son la síntesis de aspirina y de acetaminofén. Sintesis de aspirina desde acido salicílico y anhídrido acético Sintesis de acetaminofén desde p-nitrofenol y anhídrido acético

Mecanismo O-Acetilacion: protonacion del anhídrido y ataque nucleofilico del OH Proponga ud. las variantes con cloruro de acetilo

Mecanismo N-Acetilacion: protonacion del anhídrido y ataque nucleofilico del NH2 Proponga ud. las variantes con cloruro de acetilo

Reduccion de esteres a alcoholes primarios: se presenta en presencia de LiAlH4, por que es lo suficientemente fuerte para convertirlo en un alcohol primario. Algo similar ocurre con las cetonas. Nota: esta metodología solo permite obtener alcohol primario 1°

Formacion lactonas: se favorece al formar anillos de 5 y 6 miembros Formacion lactonas: se favorece al formar anillos de 5 y 6 miembros. Hay ataque intramolecular del grupo –OH en la misma cadena (mecanismo muy similar al de esterificación) O C H + 2 Para anillos grandes se requiere la eliminacion del agua para que la reaccion tienda hacia los productos y se forme la lactona H + 2 O C

Reduccion de amidas a aminas: se presenta en presencia de LiAlH4 de manera similar a lo que ocurre con la reducción de esteres a alcoholes. Si la amida es primaria, se obtendrá amina primaria.

Formacion de lactamas: al igual que en las lactonas, los anillos de 5 y 6 miembros se ven beneficiados por la tensión angular, y por el ataque intramolecular con calor prolongado. El extremo de la cadena perteneciente a amina suele hacer las veces de nucleofilo siempre. Deshidratacion de amidas a nitrilos: utilizando agentes deshidratantes basados en fosforo (oxicloruro de fosforo o pentoxido de fosforo) es posible llevar a cabo esta separación.

Hidrolisis a acidos carboxilicos (mencionado en secc Hidrolisis a acidos carboxilicos (mencionado en secc. acidos carboxilicos) Reduccion de nitrilos a aminas primarias Conversion de grignard de nitrilos a cetonas (ya mencionado en sección de aldehidos y cetonas)

Reduccion de nitrilos a aminas primarias: es posible reducirlos hasta aminas primarias usando hidrogenación catalítica o LiAlH4

¡Muchas gracias por su atención!