Ácido carboxílico - Carboxylic acid

Estructura de un ácido carboxílico
Anión carboxilato
Estructura 3D de un ácido carboxílico

Un ácido carboxílico es un ácido orgánico que contiene un grupo carboxilo (C (= O) OH) unido a un grupo R. La fórmula general de un ácido carboxílico es R-COOH o R-CO 2 H , donde R se refiere al grupo alquilo , alquenilo , arilo u otro grupo. Los ácidos carboxílicos se encuentran ampliamente. Los ejemplos importantes incluyen los aminoácidos y los ácidos grasos . La desprotonación de un ácido carboxílico produce un anión carboxilato .

Ejemplos y nomenclatura

Los ácidos carboxílicos se identifican comúnmente por sus nombres triviales . A menudo tienen el sufijo -ic acid .También existen nombres recomendados por la IUPAC ; en este sistema, los ácidos carboxílicos tienen un sufijo de ácido -oico . Por ejemplo, el ácido butírico (C 3 H 7 CO 2 H) es ácido butanoico según las pautas de la IUPAC. Para la nomenclatura de moléculas complejas que contienen un ácido carboxílico, el carboxilo se puede considerar en la posición uno de la cadena original incluso si hay otros sustituyentes , como el ácido 3-cloropropanoico . Alternativamente, se puede nombrar como un sustituyente "carboxi" o "ácido carboxílico" en otra estructura parental, tal como 2-carboxifurano .

El anión carboxilato (R – COO - o RCO 2 - ) de un ácido carboxílico se suele nombrar con el sufijo -ato , de acuerdo con el patrón general de ácido -ico y -ato para un ácido conjugado y su base conjugada, respectivamente. Por ejemplo, la base conjugada del ácido acético es acetato .

El ácido carbónico , que se encuentra en los sistemas tampón de bicarbonato en la naturaleza, generalmente no se clasifica como uno de los ácidos carboxílicos, a pesar de que tiene un resto que parece un grupo COOH.

Ácidos carboxílicos saturados de cadena lineal (ácidos alcanoicos)

Átomos de carbono
Nombre común Nombre IUPAC Fórmula química Ubicación o uso común
1 Ácido fórmico Ácido metanoico HCOOH Picaduras de insectos
2 Ácido acético Ácido etanoico CH 3 COOH Vinagre
3 Ácido propiónico Ácido propanoico CH 3 CH 2 COOH Conservante para granos almacenados, olor corporal , leche, mantequilla, queso
4 Ácido butírico Ácido butanoico CH 3 (CH 2 ) 2 COOH Manteca
5 Ácido valérico Ácido pentanoico CH 3 (CH 2 ) 3 COOH Planta de valeriana
6 Ácido caproico Ácido hexanoico CH 3 (CH 2 ) 4 COOH Grasa de cabra
7 Ácido enantico Ácido heptanoico CH 3 (CH 2 ) 5 COOH Fragancia
8 Ácido caprílico Ácido octanoico CH 3 (CH 2 ) 6 COOH Cocos
9 Ácido pelargónico Ácido nonanoico CH 3 (CH 2 ) 7 COOH Planta de pelargonio
10 Ácido cáprico Ácido decanoico CH 3 (CH 2 ) 8 COOH Aceite de coco y palmiste
11 Ácido undecílico Ácido undecanoico CH 3 (CH 2 ) 9 COOH Agente antihongos
12 Acido laurico Ácido dodecanoico CH 3 (CH 2 ) 10 COOH Jabones de lavado de manos y aceite de coco
13 Ácido tridecílico Ácido tridecanoico CH 3 (CH 2 ) 11 COOH Metabolito vegetal
14 Ácido mirístico Ácido tetradecanoico CH 3 (CH 2 ) 12 COOH Nuez moscada
15 Ácido pentadecílico Ácido pentadecanoico CH 3 (CH 2 ) 13 COOH Grasa de la leche
dieciséis Ácido palmítico Ácido hexadecanoico CH 3 (CH 2 ) 14 COOH aceite de palma
17 Ácido margárico Ácido heptadecanoico CH 3 (CH 2 ) 15 COOH Feromonas en varios animales
18 Ácido esteárico Ácido octadecanoico CH 3 (CH 2 ) 16 COOH Chocolate , ceras, jabones y aceites.
19 Ácido nonadecílico Ácido nodecanoico CH 3 (CH 2 ) 17 COOH Grasas, aceites vegetales, feromonas
20 Ácido araquídico Ácido icosanoico CH 3 (CH 2 ) 18 COOH Aceite de cacahuete
Otros ácidos carboxílicos
Clase compuesta Miembros
ácidos monocarboxílicos insaturados ácido acrílico ( ácido 2-propenoico) - CH 2 = CHCOOH, utilizado en la síntesis de polímeros
Ácidos grasos ácidos monocarboxílicos saturados e insaturados de cadena media a larga, con número par de carbonos; ejemplos: ácido docosahexaenoico y ácido eicosapentaenoico (suplementos nutricionales)
Aminoácidos los componentes básicos de las proteínas
Cetoácidos ácidos de importancia bioquímica que contienen un grupo cetona ; ejemplos: ácido acetoacético y ácido pirúvico
Ácidos carboxílicos aromáticos que contiene al menos un anillo aromático; ejemplos: ácido benzoico : la sal sódica del ácido benzoico se usa como conservante de alimentos, ácido salicílico : un tipo beta-hidroxi que se encuentra en muchos productos para el cuidado de la piel, ácidos fenil alcanoicos : la clase de compuestos donde un grupo fenilo está unido a un ácido carboxílico
Ácidos dicarboxílicos que contiene dos grupos carboxilo; ejemplos: ácido adípico, el monómero utilizado para producir nailon y ácido aldárico , una familia de ácidos de azúcar
Ácidos tricarboxílicos que contiene tres grupos carboxilo; ejemplos: ácido cítrico , que se encuentra en frutas cítricas y ácido isocítrico
Alfa hidroxiácidos que contiene un grupo hidroxi en la primera posición; ejemplos: ácido glicérico , ácido glicólico y ácido láctico ( ácido 2-hidroxipropanoico) - que se encuentra en la leche agria, ácido tartárico - que se encuentra en el vino
Beta hidroxiácidos que contiene un grupo hidroxi en la segunda posición
Omega hidroxiácidos que contiene un grupo hidroxi más allá de la primera o segunda posición
Ácidos grasos de éter divinílico que contiene una cadena de carbono doblemente insaturada unida mediante un enlace éter a un ácido graso, que se encuentra en algunas plantas

Propiedades físicas

Solubilidad

Los ácidos carboxílicos son polares . Dado que son aceptores de enlaces de hidrógeno (el carbonilo –C = O) y donantes de enlaces de hidrógeno (el hidroxilo –OH), también participan en los enlaces de hidrógeno . Juntos, el grupo hidroxilo y carbonilo forman el grupo funcional carboxilo. Los ácidos carboxílicos suelen existir como dímeros en medios apolares debido a su tendencia a "autoasociarse". Los ácidos carboxílicos más pequeños (1 a 5 carbonos) son solubles en agua, mientras que los ácidos carboxílicos más grandes tienen una solubilidad limitada debido a la naturaleza hidrófoba creciente de la cadena de alquilo. Estos ácidos de cadena más larga tienden a ser solubles en disolventes menos polares como éteres y alcoholes. El hidróxido de sodio acuoso y los ácidos carboxílicos, incluso los hidrófobos, reaccionan para producir sales de sodio solubles en agua. Por ejemplo, el ácido enático tiene una baja solubilidad en agua (0,2 g / L), pero su sal de sodio es muy soluble en agua.

Solubilidad en diferentes entornos.jpg

Puntos de ebullición

Los ácidos carboxílicos tienden a tener puntos de ebullición más altos que el agua, debido a su mayor superficie y su tendencia a formar dímeros estabilizados a través de enlaces de hidrógeno . Para que se produzca la ebullición, se deben romper los enlaces dímeros o se debe vaporizar toda la disposición del dímero, lo que aumenta significativamente la entalpía de los requisitos de vaporización .

Ácidos carboxílicos dímeros

Acidez

Los ácidos carboxílicos son ácidos de Brønsted-Lowry porque son donantes de protones (H + ). Son el tipo más común de ácido orgánico .

Los ácidos carboxílicos son típicamente ácidos débiles , lo que significa que solo se disocian parcialmente en cationes H 3 O + y aniones RCOO - en una solución acuosa neutra . Por ejemplo, a temperatura ambiente, en una solución 1 molar de ácido acético , solo se disocia el 0,4% del ácido. Sustituyentes, tales como aceptor de electrones -CF 3 grupo , dan ácidos más fuertes (el pKa del ácido fórmico es de 3,75 mientras que el ácido trifluoroacético, con un sustituyente trifluorometilo , tiene un pK una de 0,23). Los sustituyentes donantes de electrones dan ácidos más débiles (el pK a del ácido fórmico es 3,75 mientras que el ácido acético, con un sustituyente metilo , tiene un pK a de 4,76)

Ácido carboxílico p K a
Ácido acético (CH 3 CO 2 H) 4,76
Ácido benzoico (C 6 H 5 CO 2 H) 4.2
Ácido fórmico (HCOOH) 3,75
Ácido cloroacético (CH 2 ClCO 2 H) 2,86
Ácido dicloroacético (CHCl 2 CO 2 H) 1,29
Ácido oxálico (HO 2 CCO 2 H)

(primera disociación)

1,27
Ácido oxálico (HO 2 CCO 2 - )

(segunda disociación)

4.14
Ácido tricloroacético (CCl 3 CO 2 H) 0,65
Ácido trifluoroacético (CF 3 CO 2 H) 0,23

La desprotonación de los ácidos carboxílicos produce aniones carboxilato; estos están estabilizados por resonancia , porque la carga negativa está deslocalizada sobre los dos átomos de oxígeno, aumentando la estabilidad del anión. Cada uno de los enlaces carbono-oxígeno del anión carboxilato tiene un carácter de doble enlace parcial. Carga positiva parcial del carbono del carbonilo también se debilita por los - 1 / 2 cargas negativas en los 2 átomos de oxígeno.

Olor

Los ácidos carboxílicos a menudo tienen fuertes olores agrios. Los ésteres de ácidos carboxílicos tienden a tener olores agradables y muchos se utilizan en perfumes .

Caracterización

Los ácidos carboxílicos se identifican fácilmente como tales mediante espectroscopía infrarroja . Exhiben una banda afilada asociada con la vibración del enlace vibratorio C – O ( ν C = O ) entre 1680 y 1725 cm −1 . Una banda característica de ν O – H aparece como un pico ancho en la región de 2500 a 3000 cm −1 . Por espectrometría de 1 H RMN , el hidroxilo de hidrógeno aparece en la región de 10 a 13 ppm, aunque a menudo se ensancha o no se observa debido al intercambio con trazas de agua.

Ocurrencia y aplicaciones

Muchos ácidos carboxílicos se producen industrialmente a gran escala. También se encuentran con frecuencia en la naturaleza. Los ésteres de ácidos grasos son los componentes principales de los lípidos y las poliamidas de los ácidos aminocarboxílicos son los componentes principales de las proteínas .

Los ácidos carboxílicos se utilizan en la producción de polímeros, productos farmacéuticos, disolventes y aditivos alimentarios. Los ácidos carboxílicos de importancia industrial incluyen ácido acético (componente del vinagre, precursor de disolventes y recubrimientos), ácidos acrílico y metacrílico (precursores de polímeros, adhesivos), ácido adípico (polímeros), ácido cítrico (sabor y conservante en alimentos y bebidas), ácido etilendiaminotetraacético (agente quelante), ácidos grasos (revestimientos), ácido maleico (polímeros), ácido propiónico (conservante de alimentos), ácido tereftálico (polímeros). Las sales de carboxilato importantes son los jabones.

Síntesis

Rutas industriales

En general, las rutas industriales a los ácidos carboxílicos difieren de las que se utilizan a menor escala porque requieren equipo especializado.

  • Carbonilación de alcoholes como lo ilustra el proceso Cativa para la producción de ácido acético. El ácido fórmico se prepara mediante una vía de carbonilación diferente, también a partir de metanol.
  • Oxidación de aldehídos con aire mediante catalizadores de cobalto y manganeso. Los aldehídos necesarios se obtienen fácilmente a partir de alquenos por hidroformilación .
  • Oxidación de hidrocarburos mediante aire. Para alcanos simples, este método es económico pero no lo suficientemente selectivo como para ser útil. Los compuestos alílicos y bencílicos sufren oxidaciones más selectivas. Los grupos alquilo en un anillo de benceno se oxidan al ácido carboxílico, independientemente de la longitud de su cadena. El ácido benzoico a partir de tolueno , ácido tereftálico a partir de para - xileno , y el ácido ftálico a partir de orto - xileno son conversiones ilustrativos de gran escala. El ácido acrílico se genera a partir del propeno .
  • Oxidación de eteno mediante catalizador de ácido silicotúngstico .
  • Deshidrogenación de alcoholes catalizada por bases.
  • Carbonilación acoplada a la adición de agua. Este método es eficaz y versátil para alquenos que generan carbocationes secundarios y terciarios , por ejemplo, de isobutileno a ácido piválico . En la reacción de Koch , la adición de agua y monóxido de carbono a los alquenos es catalizada por ácidos fuertes. Las hidrocarboxilaciones implican la adición simultánea de agua y CO . Estas reacciones a veces se denominan " química de Reppe ".
HCCH + CO + H 2 O → CH 2 = CHCO 2 H

Métodos de laboratorio

Los métodos de preparación para reacciones a pequeña escala para la investigación o para la producción de productos químicos finos a menudo emplean reactivos consumibles costosos.

RLi + CO 2 → RCO 2 Li
RCO 2 Li + HCl → RCO 2 H + LiCl
RC (O) Ar + H 2 O → RCO 2 H + ArH

Reacciones menos frecuentes

Muchas reacciones producen ácidos carboxílicos pero se usan solo en casos específicos o son principalmente de interés académico.

Reacciones

Reacciones orgánicas de ácido carboxílico

Las reacciones más practicadas convierten los ácidos carboxílicos en ésteres, amidas, sales carboxilato, cloruros de ácido y alcoholes. Los ácidos carboxílicos reaccionan con bases para formar sales carboxilato, en las que el hidrógeno del grupo hidroxilo (–OH) se reemplaza con un catión metálico . Por ejemplo, el ácido acético que se encuentra en el vinagre reacciona con el bicarbonato de sodio (bicarbonato de sodio) para formar acetato de sodio, dióxido de carbono y agua:

CH 3 COOH + NaHCO 3 → CH 3 COO - Na + + CO 2 + H 2 O

Los ácidos carboxílicos también reaccionan con alcoholes para dar ésteres . Este proceso se usa ampliamente, por ejemplo, en la producción de poliésteres . Asimismo, los ácidos carboxílicos se convierten en amidas , pero esta conversión típicamente no ocurre por reacción directa del ácido carboxílico y la amina. En cambio, los ésteres son precursores típicos de las amidas. La conversión de aminoácidos en péptidos es un proceso bioquímico importante que requiere ATP .

El grupo hidroxilo de los ácidos carboxílicos se puede reemplazar con un átomo de cloro usando cloruro de tionilo para dar cloruros de acilo . En la naturaleza, los ácidos carboxílicos se convierten en tioésteres .

Reducción

Al igual que los ésteres , la mayor parte del ácido carboxílico se puede reducir a alcoholes mediante hidrogenación o usando hidruros o agentes de transferencia de alquilo (ya que desprotonarán los ácidos sin transferencia) como hidruro de litio y aluminio o reactivos de Grignard ( compuestos de organolitio ).

El cloruro de N , N- dimetil (clorometileno) amonio (ClHC = N + (CH 3 ) 2 Cl - ) es un agente altamente quimioselectivo para la reducción del ácido carboxílico. Activa selectivamente el ácido carboxílico para dar la sal de carboximetilenamonio, que puede reducirse mediante un reductor suave como hidruro de tris ( t -butoxi) aluminio de litio para producir un aldehído en un procedimiento de un solo recipiente. Se sabe que este procedimiento tolera funcionalidades carbonilo reactivas tales como cetona así como restos éster, olefina, nitrilo y haluro moderadamente reactivos.

Reacciones especializadas

Radical carboxilo

El radical carboxilo , • COOH, solo existe brevemente. La constante de disociación ácida de COOH se ha medido mediante espectroscopía de resonancia paramagnética electrónica . El grupo carboxilo tiende a dimerizarse para formar ácido oxálico .

Ver también

Referencias

enlaces externos