quimica organica avanzada 6
TRANSCRIPT
Ácidos carboxílicos
Letras griegas de los ácidos carboxílicos.
En los nombres comunes, las posiciones de los sustituyentes se nombran utilizando letras griegas.
Al átomo de carbono carbonilo no se le asigna una letra griega, su carbono adyacente tiene asignada la letra α.
Características estructurales del ácido fórmico
La molécula es prácticamente plana. El átomo de carbono carbonílico tiene hibridación sp2, con ángulos de enlace prácticamente trigonales. El enlace O-H también se encuentra en este plano, eclipsado con el enlace C=O
El átomo de oxígeno sp3 tiene un ángulo C-O-H de 106°.
Formas de resonancia del ácido fórmico
Uno de los pares de electrones no compartidos del átomo de oxígeno del grupo hicroxilo está deslocalizado en el sistema electrofílico pi del grupo carbonilo
La estructura de resonancia mayoritaria es neutral, mientras que las formas minoritarias tienen separación de carga.
Puntos de ebullición de los ácidos carboxílicos.
Los puntos de ebullición de los ácidos carboxílicos son el resultado de la formación de un dímero, con enlace de hidrógeno, estable. Este dímero contiene un anillo de ocho miembros con dos enlaces de hidrógeno, que en efecto dobla el peso molecular de las moléculas que abandonan la fase líquida.
Para romper los enlaces de hidrógeno y vaporizar el ácido es necesario que la temperatura sea más elevada.
Acidez de los ácidos carboxílicos
Un ácido carboxílico se puede disociar en agua para dar lugar a un protón y a un ión carboxilato. A la constante de equilibrio de esta reacción, Ka, se le denomina constante de disociación ácida.
El ácido se disociará mayoritariamente si el pH de la disolución es mayor que el pKa del ácido.
Diagrama de energía de los ácidos carboxílicos y alcoholes.
Los ácidos carboxílicos tienen mayor carácter ácido que los alcoholes debido a que los iones carboxilato son más estables que los iones alcóxido
El ácido se disociará mayoritariamente si el pH de la disolución es mayor que el pKa del ácido.
Ión acetato
Cada enlace C-O tiene un orden de enlace de 3/2 (un enlace σy la mitad de un enlace π). Cada átomo de oxígeno tiene la mitad de la carga negativa.
La deslocalización de la carga negativa sobre los dos átomos de oxígeno hace que el ión acetato sea más estable que un ión alcóxido
Efectos de los sustituyentes en la acidez de los ácidos carboxílicos
La magnitud del efecto de los sustituyentes depende de su distancia al grupo carbonilo. Los sustituyentes en los átomos de carbono α son los más efectivos para incrementar la fuerza de los ácidos.
Cuanto más alejados se encuentren los sustituyentes del grupo carboxilo, más pequeño será el efecto inductivo.
Desprotonación de los ácidos carboxílicos.
Una base fuerte puede desprotonar completamente a un ácido carboxílico. Los productos que se obtienen son el ión carboxilato, el catión procedente de la base y el agua. La combinación de un ión carboxilato y un catión es una sal de un ácido carboxílico.
El hidróxido de sodio se utiliza con frecuencia para desprotonar ácidos carboxílicos.
Protonación de una sal de un ácido carboxílico.
Como los ácidos y sus sales son fácilmente interconvertibles, las sales se utilizan como derivados muy útiles de los ácidos carboxílicos.
El HCl se utiliza con frecuencia para la protonación.
Hidrólisis de grasas y aceites.
La hidrólisis de una grasa o de un aceite da lugar a una mezcla de sales de ácidos grasos de cadena larga. Las grasas animales contienen principalmente ácidos grasos saturados, mientras que la mayoría de los aceites vegetales son poliinsaturados.
La hidrólisis de grasas y aceites da lugar al jabón.
Sustitución nucleofílica en el grupo acilo
Las cetonas, los aldehídos y los ácidos carboxílicos contienen el grupo carbonilo, a pesar de que las reacciones de los ácidos son bastante diferentes de las de las cetonas y los aldehídos. Las cetonas y los aldehídos generalmente reaccionan mediante adición nucleofílica al grupo carbonilo, pero los ácidos carboxílicos lo suelen hacer por sustitución nucleofílica en el grupo acilo, donde un nucleófilo reemplaza a otro en el átomo de carbono carboxílico
Los derivados de los ácidos carboxílicos incluyen haluros de acilo, anhídridos, esteres y amidas.
Esterificación de Fischer
Los ácidos carboxílicos se convierten directamente en ésteres mediante la esterificación de Fischer, una sustitución nucleofílica en el grupo acilo catalizada por un ácido. La reacción neta es el reemplazo si el grupo ácido -OH mediante el grupo -OR del alcohol.
Son necesarias unas condiciones ácidas para que tenga lugar la esterificación
Síntesis de los cloruros de ácido.
Los mejores reactivos para transformar ácidos carboxílicos en cloruros de ácido son el cloruro de tionilo (SOCl2) y el cloruro de oxalilo (COCl2), ya que forman subproductos gaseosos que no contaminan el producto.
La reacción de cloruro de tionilo produce SO2 mientras que la reacción de cloruro de oxalilo produce HCl, CO y CO2 (todos gaseosos).
Mecanismo de la formación de cloruro de ácido.
Cualquier átomo de oxígeno del grupo carboxilo puede atacar al azufre del SOCl2, reemplazando al cloruro por un mecanismo de adición-eliminación, y dando lugar a un anhídrido mixto del ácido clorosulfínico, altamente reactivo.
Mecanismo de la formación de cloruro de ácido.
El anhídrido reactivo experimenta una sustitución nucleofílica en el grupo acilo por un ión cloruro y se obtiene el cloruro de acilo
SO2 y un ión cloruro son los subproductos de la reacción
Esterificación de un cloruro de ácido.
El ataque del alcohol al grupo carbonilo electrofílico da lugar a un intermedio tetraédrico. La pérdida del cloruro seguida de desprotonación da lugar al éster.
La esterificación de un cloruro de acilo es más eficaz que la esterificación de Fisher.
Síntesis de la amida.
El amoniaco y las aminas reaccionan con los cloruros de ácido para obtener amidas, también a través del mecanismo de adición-eliminación de la sustitución nucleofílica del grupo acilo.
Son necesarios dos equivalentes de la amina
Esterificación con diazometano
Los ácidos carboxílicos se transforman en sus ésteres metílicos añadiendo una solución etérea de diazometano
La reacción suele producir rendimientos cuantitativos de éster. El subproducto de la reacción es gas nitrógeno
Síntesis directa de amidas.
La reacción inicial de un ácido carboxílico con una amina es la formación de una sal de amonio. Si se calienta la sal por encima de 100°C, se libera vapor de agua y se forma una amida.
Las amidas se pueden sintetizar directamente a partir de los ácidos carboxílicos, a pesar de que el procedimiento del cloruro de ácido utiliza condiciones más suaves y suele producir mejores rendimientos
Reducción de los ácidos carboxílicos.
El hidruro de aluminio y litio reduce los ácidos carboxílicos a alcoholes primarios.
El aldehído intermedio reacciona más rápido con el agente reductor que con el ácido carboxílico.
Reducción de los cloruros de ácido a aldehídos
El hidruro de tri(terc-butoxi)aluminio y litio, LiAl[OC(CH3)3]3H, es un agente reductor más débil que el hidruro de aluminio y litio. Este hidruro reduce a los cloruros de ácido porque están fuertemente activados respecto a la adición nucleofílica de un ión hidruro.
Bajo estas condiciones, el aldehído se reduce más lentamente y se aísla con facilidad.
Conversión de ácidos carboxílicos en cetonas.
Un método general para obtener cetonas se realiza a partir de la reacción de un ácido carboxílico con dos equivalentes de un reactivo organolítico
El primer equivalente del organolitio actúa como una base, desprotonando el ácido carboxílico
Derivados de los ácidos carboxílicos
Protonación de una amida.
Se requiere un ácido fuerte concentrado para protonar una amida. La protonación se produce en el átomo de oxígeno del grupo carbonilo en lugar de hacerlo en el nitrógeno.
Como se puede observar por las formas de resonancia, el enlace entre el carbono y el hidrógeno tiene carácter de doble enlace.
Estructuras electrónicas del acetonitrilo y del propino.
Comparación de las estructuras electrónicas del acetonitrilo y del propino (metilacetileno). En los dos compuestos, los átomos que forman los extremos del triple enlace tienen hibridación sp y los ángulos de enlace son de 180°. En lugar del átomo de hidrógeno acetilénico, el nitrilo tiene un par solitario de electrones en el orbital sp del nitrógeno.
Los electrones no enlazantes del nitrógeno no son básicos
Puntos de ebullición de los derivados de ácido carboxílico.
Representación de los puntos de ebullición de los derivados de ácido frente a sus masas moleculares. Se incluyen los alcoholes y los alcanos lineales como referencia para la comparación.
Las amidas tienen puntos de ebullición más elevados que el ácido, los nitrilos, los ésteres y los cloruros de ácido.
Fuerzas intermoleculares de las amidas.
La representación de las formas resonantes de una amida justifica su fuerte naturaleza polar. Los enlaces de hidrógeno y las atracciones dipolares estabilizan la fase líquida, por lo que los puntos de ebullición son más altos.
Las amidas tienen puntos de ebullición más altos que los ácidos carboxílicos de pesos moleculares parecidos
Reactividad de los derivados de ácido
La reactividad de los derivados de ácido respecto al ataque nucleofílico depende de su estructura y de la naturaleza del nucleófilo atacante.
Los cloruros de ácido son los derivados más reactivos, mientras que el ión carboxilato es el derivado menos reactivo.
Interconversión de los derivados de ácido
Los derivados de ácido más reactivos se transforman fácilmente en derivados menos reactivos
Sólo un ácido carbixílico se puede transformar en un intermedio más reactivo (el cloruro de acilo) mediante una reacción con cloruro de tionilo.
Síntesis de los anhídridos
Transformación de un cloruro de acilo en un anhídrido.
La reacción de un cloruro de acilo con un ácido da lugar al anhídrido
Síntesis de los ésteres
Transformación de un cloruro de ácido en un éster.
El ataque nucleofílico del alcohol sobre el cloruro de ácido produce el éster.
Síntesis de amidas.
Transformación de un cloruro de ácido en una amida.
La adición de dos equivalentes de amina al cloruro de ácido producirá la amida.
Síntesis de ésteres.
Transformación de un anhídrido de ácido en un éster
El ataque del alcohol sobre cualquier carbonilo producirá una molécula de éster y una molécula de ácido carboxílico
Síntesis de amidas
Transformación de un anhídrido de ácido en una amina.
Dependiendo de la amina utilizada, el producto puede ser una amina secundaria o terciaria.
Amonólisis de un éster
Transformación de un éster en una amida.
La reacción de amoniaco o de una amina primaria con un éster produce un equivalente de amida y un equivalente de alcohol.
SN2 frente a adición-eliminación del grupo acilo.
Comparación de reacciones SN2 y adición-eliminación del grupo acilo con el metóxido como grupo saliente.
La reacción SN2 tiene un mecanismo concertado, mientras que la sustitución en el grupo acilo tiene un mecanismo de dos pasos con un segundo paso exotérmico.
Reacción de transesterificación
Cuando un éster se trata con un alcohol diferente en presencia de un catalizador ácido, los dos grupos alcohol se pueden intercambiar. Se produce un equilibrio que puede estar desplazado hacia el éster que se desee obtener utilizando un gran exceso de alcohol deseado o eliminando el otro alcohol.
La transesterificación también se puede producir bajo condiciones básicas utilizando un alcóxido.
Hidrólisis de haluros de ácido.
La hidrólisis de un haluro de ácido o de un anhídrido generalmente es una reacción colateral no deseada que se produce si en el medio de reacción hay humedad.
El agua ataca al carbonilo desplazando el haluro y dando lugar, después de la desprotonación, al ácido carboxílico
Hidrólisis de ésteres: saponificación.
El jabón se obtiene a partir de la hidrólisis básica de las grasas, que son ésteres de ácidos carboxílicos de cadena larga (ácidos grasos) con glicerol.
El hidróxido de sodio se utiliza para la reacción
Hidrólisis básica de amidas.
Las amidas son los derivados de ácido más estables; para su hidrólisis se requieren condiciones más fuertes que para la hidrólisis de un éster
El ión hidróxido ataca al carbonilo formando un intermedio tetraédrico. El desplazamiento del grupo amino produce el ácido carboxílico. La amina actúa como una base y desprotona el ácido.
Hidrólisis ácida de una amida
En condiciones ácidas, el mecanismo de la hidrólisis de una amida requiere un calor prolongado en HCl 6 M
En condiciones ácidas, el mecanismo de hidrólisis de amidas se parece al de la hidrólisis de un éster
Hidrólisis de nitrilos
Los nitrilos se hidrolizan a amidas y posteriormente a ácidos carboxílicos, calentándolos con una disolución acuosa ácida o básica. Si las condiciones son suaves, el nitrilo sólo se hidroliza a amida. Condiciones de reacción más fuertes pueden hidrolizarlo hasta ácido carboxílico.
El hidróxido ataca al carbono del nitrilo.
Hidrólisis ácida de nitrilos.
Los nitrilos se hidrolizan a amidas, y posteriormente a ácidos carboxílicos, calentándolos con una disolución acuosa ácida o básica. Si las condiciones son suaves, el nitrilo sólo se hidroliza a amida. Condiciones de reacción más fuertes pueden hidrolizarlo hasta ácido carboxílico.
En condiciones ácidas, en primer lugar se protona el nitrilo, activándolo hacia el ataque por el agua
Reducción de un éster por un hidruro.
Tanto los ésteres como los cloruros de ácido reaccionan mediante un mecanismo de adición-eliminación para dar lugar a un aldehído, que rápidamente se reduce a un alcóxido. En un segundo paso, se añade ácido diluido para protonar el alcóxido.
La reducción de los ácidos carboxílicos, ésteres y cloruros de ácido con LiAlH4 produce alcoholes primarios
Deshidratación de amidas a nitrilos.
Los agentes deshidratantes fuertes pueden eliminar agua de las amidas primarias para formar nitrilos.
El oxicloruro de fósforo (POCl3) o el pentóxido de fósforo (P2O5) se suelen utilizar como agentes
Formación de lactamas.
Las lactamas de cinco miembros (γ-lactamas) y de seis miembros (δ-lactamas) se suelen obtener calentando o añadiendo un agente deshidratante a los γ-aminoácidos o δ-aminoácidos correspondientes
La formación de anillos de cinco o seis miembros se ve favorecida.
β-lactamas
Las β-lactamas son amidas con una reactividad inusual, son capaces de acilar una amplia variedad de nucleófilos. La tensión de un anillo de cuatro miembros parece ser la responsable de la reactividad de las β-lactamas.
El anillo de β-lactamas se encuentra en las penicilinas, cefalosporinas y carbapenemos.
Penicilina V, Keflex y Primaxin.
El anillo de β-lactama se encuentra en tres clases importantes de antibióticos: las penicilinas, las cefalosporinas y los carbapenemos.
Estos antibióticos aparentemente funcionan interfiriendo en las síntesis de las paredes celulares de las bacterias
Función de las β-lactamas
Los antibióticos de β-lactámicos actúan acilando e inactivando uno de los enzimas que se necesitan para construir la pared celular de la bacteria.
La enzima acilada es inactiva
• Mostrar los reactivos requeridos para formar el alcohol primario.
• ¿Cuál de las reacciones no se puede utilizar para la síntesis dealcohol de isobutilico?
• ¿Cuál de las reacciones cambia el esqueleto de carbono del materialde partida?
En presencia de trazas de ácido, el ácido δ-hidroxivalérico forma unéster cíclico (lactona).
HO -CH2CH2CH2CH - COOHácido δ-hidroxivalérico
(a) Represente la estructura de la lactona, denominada δ-valerolactona.(b) Proponga un mecanismo para la formación de δ-valerolactona.
Explique cómo sintetizaría los siguientes ésteres a partir de loscloruros de acilo y los alcoholes adecuados:(a)propionato de etilo(b)(b) 3-metilhexanoato de fenilo(c) benzoato de bencilo(d) ciclohexanocarboxilato de ciclopropilo
Explique cómo sintetizaría las siguientes amidas a partir de los cloruros de acilo y las aminas adecuadas:(a)N,N-dimetilacetamida(b) acetanilida (PhNHCOCH3)(c) ciclohexano carboxamida(d)
Explique como llevaria a cabo las siguientes reacciones en multiplespases, a partir de las sustancias iniciales que se indican y de los reactivos que sean necesarios.(a) 6-hepten-1-ol ε-caprolactona(b) metoxibenceno p-metoxibenzamida
(c)
(d)