Curso de Química Orgánica II para TQ Acidos carboxílicos Facultad de Ciencias Naturales y Exactas Departamento de Química Profesor: Danny Balanta Créditos.

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

2 Introducción Grupo carboxilo: características Contiene un grupo carbonilo (C=O) y un grupo hidroxilo –OH) enlazados al mismo átomo de carbono. Usualmente se escribe como –COOH, de forma abreviada, pudiendo estar unido a una cadena alifática (-R) o aromática (-Ar). Se mantiene hibridación sp 2 y naturaleza electrofílica Reacciones principales: sustitución nucleofílica en el carbono acilo.

3 Introducción Resonancia: Longitudes y ángulos promedio de enlace. Momento dipolar: Hay polaridad alta

4 Ácidos carboxílicos en la naturaleza 4 Acido acetilsalicílico (Aspirina) antipirético, antiinflamatorio Acido Ascorbico Vitamina C Acido Citrico Presente en los frutos cítricos Acidulante de jugos y gaseosas Acido Acetico Presente en el vino Acido Oxalico Sabor amargo espinaca

5 Ácidos carboxílicos en la naturaleza Acido Láctico Presente en la leche y en los músculos (responsable de calambres) Benzoato de sodio Preservante de alimentos Acidos omega 3-6-9 Buenos para el corazon Acido Málico Acidulante, componente de la sidra de manzana Niacina Vitamina B3, fundamental para el crecimiento Biotina Vitamina B7-B8, metabolismo grasas

6 Nomenclatura 6 Acidos grasos omega 3, 6, 9 (grasas buenas): orientacion cis

7 Nomenclatura 7 # CRaiz Nombre del alcano 1metmetano 2etEtano 3propPropano 4butButano 5pentPentano 6hexHexano 7heptHeptano 8octOctano 9nonNonano 10decDecano # CEstructura Nombre radical 1CH3-Metil 2CH3CH2-Etil 3CH3CH2CH2-Propil 4CH3CH2CH2CH2-Butil 5CH3CH2CH2CH2CH2-Pentil 6CH3CH2CH2CH2CH2CH2-hexil raizsufijoprefijo ++ raiz sufijo Indica familia, el tipo de sustituyentes y su localizacion. Indica cuantos carbonos tiene la cadena. En acidos carbox, el C1 SIEMPRE es el del grupo COOH Indica el grupo funcional Terminacion para Acidos = -oico pentan 1 2 3 4 5 oico Acido 2,4 dimetil O Nomenclatura acidos carbox. OH

8 Nomenclatura 8 Nota 1: recuerde que la familia ácido es la de mayor priodidad en la química orgánica, y de haber otros sustiuyentes estos pasan a tomar otro nombre diferente Ej: alcohol (terminado en –ol pasa a ser –hidroxi frente a acidos carboxilicos) Nota 2: no confundir con la prioridad o convencion de nombrar de Cahn Ingold Prelog pentan 1 2 3 4 5 oicoAcido 4 hidroxi 2 metil O Nomenclatura acidos carbox. OH G. FuncionalPrefijoSufijo AlcanoAlquilAno AlquenoAlquenilEno AlquinoAlquinlIno alcohol (OH)HidroxiOl Eter (R-O-R)Alcoxi Haluro (R-X) fluoro, cloro, bromo, Iodo tiol (SH)MercaptoTiol Aldehido (CHO)FormilAl CetonaOxo o cetoOna CarboxilicoCarboxioico EsterOxycarbonilOato AmidaCarbamoilamidq OH

9 Nomenclatura (del latín formica, hormiga) Picadura de insectos Acido fórmico Acido metanoico Nombres comunes o historicos (acetum, vinagre) Acido acético Acido etanoico (protos, primero y pion, grasa) Acido propiónico Acido propanoico (butter, rancio) Olor de los pies Acido butírico Acido butanoico (valer, raiz de valeriana) Acido valérico Acido pentanoico Acidos caproico (n = 4), caprílico (n = 6) y cáprico (n = 8): derivados de grasa de cabra

10 Nomenclatura Nombres comunes o historicos

11 Nomenclatura Casos especiales: ciclos y aromáticos Si el COOH está unido como rama a un ciclo se denomina carboxilico. Acido ciclohexan carboxilico Nombre especial que recibe él y todos sus derivados. Acido benzoico Acido 3,3 dimetil Ciclohexan carboxilico Base de drogas sulfa Conservante, preservante Base de Aspirina

12 Nomenclatura Casos especiales: letras griegas Se enumera la posición a partir del carbono carboxílico como alfa, beta, gama, según donde se localice el sustituyente Nombres como ácidos insaturados (E, Z)

13 Nomenclatura Acidos dicarboxílicos simétricos Se enumera desde cualquiera de los extremos COOH. Terminacion –dioico en IUPAC. Se utilizan de forma usual nombres comunes antes que IUPAC Acido Oxalico Acido Etanodioico Acido Malonico Acido propanodioico Acido Succinico Acido butanodioico Acido Glutarico Acido Pentanodioico Acido Adipico Acido Hexanodioico Componente del Nylon 6,6 Acido Maleico Acido cis-2-butandioico Acido Fumárico Acido trans-2-butandioico

14 Nomenclatura Acidos dicarboxílicos de cadena no simétrica: se nombran según IUPAC Acidos dicarboxílicos aromáticos: llevan nombres especiales Pinturas, resinas, indicadores acido base (fenolftaleína, fluoresceína) Poliester, Plasticos PET (polietilentereftalato) Kevlar, chalecos antibalas

15 Propiedades físicas Acidos carboxílicos: propiedades fisicas

16 Propiedades físicas Acidos dicarboxílicos: propiedades fisicas OMSGAPSAS: forma de recordar los nombres de estos ácidos Oxalic (2), Malonic (3), Succinic (4), Glutaric (5), Adipic (6), Pimelic (7), Suberic (8), Azelaic (9), Sebacic (10)

17 Propiedades físicas Punto de fusión: aumenta con el incremento del número de carbonos, al igual que el punto de ebullición. Acidos carboxílicos de bajo peso molecular (C1-C7)  Sabor amargo, liquidos de olores desagradables  Solubles en agua (enlace de H) y solventes orgánicos Acidos carboxílicos de bajo peso molecular (C8-C12)  Solidos a temperatura ambiente, y solubles en solventes orgánicos Acidos carboxilicos de alto peso molecular (C12-C20)  Acidos grasos solidos, menos olorosos, importantes en bioquimica y usos industriales (jabones y aceites)  Solubles en etanol y solventes orgánicos, insolubles en agua Solubilidad, comportamiento en la cadena, aspecto: Resumen

18 Propiedades físicas Punto de ebullición: se presenta enlace de H intramolecular (dimerización) debido a esto hay un aumento en este parámetro.

19 Propiedades físicas Acidez: los ácidos carboxílicos se disocian en agua originando un proton y un ion carboxilato. Const. Equilibrio Ka alrededor de 10 -5 y pKa aprox. 4-5. El acido se disociará mas facilmente si el pH de la solución es mas alto que el pKa

20 Propiedades físicas Acidez: comparativa con alcoholes. Menor gasto de energia por ion carboxilato estable por resonancia

21 Propiedades físicas Acidez: ¿es posible protonar un ácido carboxílico con acido mineral? La protonación ocurre directamente sobre el carbono carboxílico dado que se forman varias estructuras resonantes. Es mucho menos probable protonar el grupo –OH de la molécula.

22 Propiedades físicas Acidez: efecto de sustituyentes cercanos al carboxilo La magnitud de este efecto dependerá de la cercania del grupo electroatrayente respecto al grupo carboxilo Electroatrayentes estabilizan mejor carga negativa del carboxilato

23 Propiedades físicas Acidez: efecto de sustituyentes sobre el anillo aromático Entre mas desactivante sea el grupo sobre el anillo, mas ácida será la sustancia (menor pKa); adicionalmente grupos electrodonores hacen que la sustancia sea menos acida (mayor pKa) Efecto es mas pronunciado en posiciones orto y para

24 Propiedades físicas Acidez: cuadro resumen

25 Propiedades físicas Acidez: formación de carboxilatos Ante una base fuerte, se forman iones carboxilato, que se clasifican como sales. Son solidos sin olor a diferencia de los ácidos donde proceden Carboxilatos de Li +, Na +, K +, NH 4 + (solubles en agua) Carboxilatos de Ca +2, Mg +2 y Ba +2 (insolubles en agua) Es posible regenerar el ácido carboxilico, tras la adición de ácido mineral al carboxilato

26 Propiedades físicas Acidez: formación de carboxilatos desde diferentes bases

27 Propiedades físicas Nomenclatura carboxilatos: “raiz cadena ppal” + “oato” + “de” + “metal” Ejemplo: 3 cloro pentanoato de potasio Es posible separar un ácido carboxilico mediante extraccion con embudo de separacion en fases organica / acuosa

28 Introducción 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

29 Introducción Accion limpiadora del jabón El jabón forma micelas, las cuales envuelven a la grasa por la parte apolar y se desplazan por la parte polar para el enjuague Los jabones tipo carboxilato no deben usarse en aguas duras, ¿por que?

30 Introducción Accion limpiadora del jabón En aguas duras (Ca, Mg) el carboxilato se convertirá en sales insolubles que desactivan la acción limpiadora Los detergentes tipo alquilbencenosulfonato no presentan el anterior problema pudiendose usar en aguas duras o blandas.

31 Ácidos carboxílicos: preparación

32 Preparación 1. Oxidación de alcoholes 1ríos o de aldehídos: 2. Ruptura oxidativa de alquenos y alquinos con KMnO4 concentrado

33 Preparación 3. Oxidación de alquilbencenos 4. Carbonatacion de reactivos de Grignard 5. Hidrólisis de nitrilos

34 Preparación Oxidación de alcoholes 1ríos o de aldehídos Los alcoholes primarios y aldehídos se pueden oxidar a ácidos carboxílicos por el uso de agentes oxidantes como: KMnO 4, acido crómico, dicromato de potasio, K 2 Cr 2 O 7, CrO 3 (Jones), OsO 4 Recordar que la reacción NO es muy limpia con KMnO 4 y OsO 4

35 Preparación Ruptura oxidativa de alquenos Dependiendo de la estructura del alqueno se pueden obtener combinaciones de acido carboxilico con cetona respectivamente en presencia de KMnO 4 tibio y concentrado Recordar que si KMnO 4 esta frio dará únicamente dioles No es la mejor reacción a escoger desde el punto de vista del % de rendimiento

36 Preparación Ruptura oxidativa de alquinos Los alquinos, al ser oxidados en ozono o KMnO 4 concentrado y tibio darán mezclas de ácidos carboxílicos tras romper el triple enlace. Si el permanganato esta frio dará únicamente dicetonas Alquino terminal en uno de los extremos produce ácido fórmico No es la mejor reacción a escoger desde el punto de vista del % de rendimiento

37 Preparación Oxidación en cadena lateral de alquilbencenos Al oxidar una cadena alquílica de un aromático, este dará un derivado de ácido benzoico independiente del grupo alquilo. Util en la identificación de alquilbencenos en análisis orgánico, reaccion con rendimientos moderados a bajos. Cadenas laterales oxidables: Ar-R, Ar-CH2-R, Ar-CHR2 (posiciones bencílicas) El grupo o grupos adicionales sobre el anillo (Z) deben resistir la oxidación, de lo contrario también se oxidarán

38 Preparación Carbonatacion de Grignard: reaccion y mecanismo Mismas condiciones de Grignard (éter seco) Permite convertir un R-X en un ácido carboxílico por inserción de CO 2 Paso 1: formación de reactivo Grignard Paso 2: ataque nucleofilo al CO 2 por parte del Grignard Paso 3: hidrolisis ácida Rendimientos moderados a altos.

39 Preparación Hidrólisis de nitrilos La hidrolisis en medio básico o ácido de un nitrilo produce un ácido carboxílico. Dato curioso: la reacción añade un carbono adicional a la molécula respecto al haluro con que se comenzó. R-X debe ser primario (1°). 2° o 3° (podría haber competencia con E2) Mecanismo: Protonacion del nitrilo, seguido por ataque de agua en el carbono del nitrilo, dando un ion oxonio El ion oxonio pierde un protón para dar el tautómero de una amida

40 Preparación Hidrólisis de nitrilos: mecanismo En el intermediario tetrahedral se transfiere un proton, perdiendo amoniaco en forma de ion amonio, liberando el ácido carboxilico

41 Ácidos carboxílicos: reacciones

42 Reacciones Mecanismo general de sustitución nucleofílica en el acilo Reacción general: en presencia de nucleofilos fuertes o moderados Paso 1: Ataque nucleofilico Paso 2: Expulsión del grupo saliente

43 Reacciones Mecanismo general de sustitución nucleofílica en el acilo Nucleofilos involucrados: basados en oxigeno o nitrogeno Ejemplos: conversion a amidas y conversión a esteres

44 Reacciones Reacciones de sustitución nucleofílica en el acilo Conversion a cloruros Conversion a anhidridos Conversion a ésteres Conversion a amidas

45 Conversión a cloruros de ácido Al tratar un ácido carboxilico en presencia de cloruro de tionilo (SOCl 2 ) se formará un cloruro de acido El grupo OH aunque es mal saliente, se ve expulsado durante la conversion a cloruro, el cual desplaza al OH siendo mejor nucleofilo Advertencia: pese al buen rendimiento, el SO 2 y HCl son gases tóxicos (recoger en trampa para gases)

46 Conversión a cloruros de ácido Mecanismo formación cloruros de ácido Paso 1: Ataque del C=O al Cloruro de tionilo Paso 2: Formacion Intermediario Clorosulfito (buen saliente) Paso 3: Eliminacion del grupo cloro Sulfito por parte del cloruro

47 Conversión a ésteres Esterificación de Fischer Se lleva a cabo entre un ácido carboxílico y un alcohol catalizada en medio ácido, rendimiento moderado. Ojo: es un equilibrio. Requiere condiciones estequiométricas para asegurar la formación de producto (exceso del alcohol)

48 Conversión a ésteres Esterificación de Fischer: mecanismo en medio ácido Paso 1: el carboxilo se protona en medio ácido para despues sufrir ataque nucleofílico por parte del alcohol formando intermediario tetrahedral que pierde alcohol por desprotonacion dando un producto hidrato de ester

49 Conversión a ésteres Paso 2: el intermediario hidrato se protona, haciendo que este expulse agua, dando un ester protonado, el cual se estabiliza por una abstracción final de protón por parte del agua. Esterificación de Fischer: mecanismo en medio ácido

50 Conversión a ésteres Esterificación de Fischer: ¿es posible en medio básico? No, no es posible llevar a cabo una esterificación de Fischer en medio básico, por la naturaleza propia del ion hidroxilo el cual vence al equilibrio, formando el ion carboxilato antes que realizar el ataque nucleofilo

51 Conversión a ésteres Esterificación de Fischer con cloruros de ácido Ventajas frente a la Fischer tradicional: No es un equilibrio. Es mas directa y mas rápida que usando RCOOH. No requiere medio ácido ni básico para catalizar. Solo necesita de piridina como solvente. Desventajas: los cloruros de acido son muy inestables, sensibles a la humedad y se pueden dañar fácilmente. Atmosfera seca.

52 Conversión a ésteres Esterificación de Fischer con cloruros de ácido: mecanismo Indique el producto de formación desde el siguiente cloruro de acido

53 Conversión a amidas La síntesis de amidas desde amoniaco o aminas primarias y acidos carboxilicos no es muy efectiva (se puede formar la sal de amonio, y requiere mucho calor, > 100°C) Mecanismo probable:

54 Conversión a amidas El uso de DCC (diciclohexilcarbodiimida) favorece el secado y eliminacion del agua en la reacción evitando las altas temperaturas, resolviendo el problema anterior.

55 Conversión a amidas Conversion de acidos a amidas usando DCC: mecanismo

56 Conversión a amidas La síntesis de amidas es mas efectiva usando cloruros de ácido pese a su sensibilidad a la humedad. Se puede utilizar piridina o aNaOH para neutralizar el HCl y evitar protonación de la amina que resulta como subproducto Mecanismo conversion cloruros a amidas: Amoniaco genera una Amida primaria Aminas primarias (1°) dan Amida N sustituida Aminas secundarias (2°) dan una amida N,N disustituida

57 Conversión a anhídridos Es posible convertir acidos carboxílicos a anhídridos de acido por dos maneras: 1.Deshidratacion de acido carboxilico en presencia de calor 2.Formacion a partir del cloruro de acido Sin embargo, la deshidratación de ácidos carboxílicos presenta la desventaja de que es muy lenta, como es típico de los ácidos carboxílicos al ser convertidos a un derivado. Ejemplos: anhidrido ftálico y anhídrido acetico Proponga ud. el mecanismo probable de deshidratacion

58 Conversión a anhídridos Mecanismo desde cloruro de acido: La conversión desde cloruros de ácido resulta ser mas efectiva, recuerde tener en cuenta las precauciones dichas anteriormente. El acido carboxilico hace de nucleófilo en el grupo –OH, atacando al cloruro de acido, formando intermediario tetrahedral. El ion Cl- es expulsado, restableciendo el carbonilo La desprotonación forma al anhídrido.

59 Acidos carboxílicos: Otras reacciones

60 Otras reacciones Reducción de ácidos carboxílicos a alcoholes 1°: Es posible usar agentes reductores para convertir los ácidos a alcoholes primarios solamente. Recuerde que el LiAlH 4 es un reductor fuerte (no pasa por el aldehído) ya que incluso si este se forma, se reduce directamente a alcohol Se puede usar el borano BH 3 en THF o el diborano (B 2 H 6 ) para efectuar esta reducción

61 Otras reacciones Reducción de cloruros de acido a aldehidos Este método SI permite obtener de forma indirecta la reducción hasta aldehído. Involucra la conversión del acido en cloruro de acido y después la reducción. Se usa LiAl(OtBu) 3 por que es un reductor mas suave en comparación al LiAlH 4 ¿por que?

62 Otras reacciones 62 Conversion de acidos carboxílicos a Cetonas por organolitios: los organolitiados atacarán al acido carboxílico para dar un dianion, que posteriormente al protonarse forma un producto hidrato de cetona, que rápidamente pierde agua para dar la cetona. De forma similar, los cloruros de ácido también son capaces de dar esta reacción

63 Otras reacciones 63 Alfa halogenacion: Hell Volhard Zelinsky: al poseer carbono alfa, los acidos carboxílicos en presencia de bromo y tribromuro de fosforo permiten la colocación de un halógeno en esta posición (pueden usarse otros halógenos) Paso 1: formación del bromuro de ácido que se enoliza para tener carácter nucleofilico

64 Otras reacciones 64 Alfa halogenacion: Hell Volhard Zelinsky Paso 2: el enol ataca al bromo, el cual da el bromuro del alfa bromoacido en posición alfa. Paso 3: la hidrolisis en presencia de agua da el producto final que es el acido alfa bromo carboxílico. Proponga ud. la ultima etapa (solución al final)

65 ¡Muchas gracias por su atención!

66 Alfa halogenacion: Hell Volhard Zelinsky PASO 3

67 Chapter 20 67 Esterification Using Diazomethane Carboxylic acids are converted to their methyl esters very simply by adding an ether solution of diazomethane. The reaction usually produces quantitative yields of ester. Diazomethane is very toxic, explosive. Dissolve in ether.

68 Chapter 20 68 Mechanism of Diazomethane Esterification