Derivados de Ácidos Carboxílicos
Los ácidos carboxílicos y los derivados de ácidos carboxílicos son una clase de compuestos que se denominan en general Derivados de Acilo, R-CO-Y, donde el grupo acilo está unido a un sustituyente electronegativo -Y, que puede actuar como grupo saliente en diversas reacciones de sustitución.
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Ácido carboxílico |
Halogenuro de ácido ( X = F,Cl, Br, I) |
Anhídrido de ácido
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Éster |
Amida |
Nitrilo |
La reacciones químicas de los distintos derivados de ácidos carboxílicos están representadas por un tipo de reacción general: la reacción de sustitución nucleofílica en el acilo. Mecanísticamente, estas reacciones se realizan por medio de la adición de un nucleófilo al grupo carbonilo polar del derivado de ácido, seguida de la expulsión de un grupo saliente del intermediario tetraédrico:
donde Y = Cl, Br, I (halogenuro de ácido); OR’ (éster); OCOR’ (anhídrido) o NHR’ (amida).
La reactividad de un derivado de ácido hacia la sustitución nucleofílica depende tanto del entorno estérico alrededor del grupo carbonilo como de la naturaleza electrónica del sustituyente, Y. De este modo, se he encontrado el siguiente orden de reactividad:
Halogenuro de ácido > Anhídrido > Éster > Amida.
Todos ellos pueden ser obtenidos de los respectivos ácidos carboxílicos, los cloruros de ácidos a su vez se pueden transformar en cualquier otro derivado de ácido y así con cada uno de ellos tal como se muestra a continuación en forma de esquema incluidos los nitrilos. Sus respectivas reacciones se mostraran en forma de resumen con un ejemplo, siguiendo la metodología expuesta para los otros grupos funcionales ya estudiados.
Algunas de las reacciones de sustitución nucleofílica en el acilo de los cloruros de ácido
Algunas de las reacciones de los anhídridos de ácido
Algunas reacciones de los ésteres
Algunas reacciones de las amidas
Algunas reacciones de los nitrilos
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RESUMEN GENERAL DE LAS REACCIONES |
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Reacciones de los haluros de ácido |
Ejemplo |
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1.-Hidrólisis
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2.- Sales carboxílicas
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3.- Alcohólisis
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4.- Aminólisis
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5.- Reacción de Grignard
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6.- Reacción con diorganocupratos
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7.- Reducción parcial
Reducción total
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Reacciones de anhídrido de ácido |
Ejemplo |
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1.- Hidrólisis
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2.- Alcohólisis
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3.- Aminólisis
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4.- Reducción a alcoholes 1º
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Reacciones de los ésteres |
Ejemplo |
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1.- Hidrólisis
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2.- Aminólisis
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3.- Alcohólisis (Transesterificación)
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4.- Pirolisis de ésteres
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5.- Reactivos organometálicos
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6.- Reducción parcial hacia aldehído
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7.- Reducción total hacia alcoholes 1º
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8.- Formación de enolatos con posterior tratamiento con un electrófilo
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9.- Condensación de Claisen
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Reacciones de las amidas |
Ejemplo |
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1.- Hidrólisis
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2.- Reducción parcial hacia aldehído
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3.- Reducción total hacia aminas 1º
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4.- Transposición de Hofmann
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Reacciones de los nitrilos |
Ejemplo |
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1.- Hidrólisis
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2.- Con reactivos organometálicos
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3.- Reducción parcial hacia aldehídos
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4.- Reducción totall hacia aminas 1º
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5.- Hidrogenación catalitica
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6.- Desprotonación y alquilación en el Ca.
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La mayoría de las reacciones de sustitución nucleofílica en los derivados de los ácidos carboxílicos aquí mencionadas ocurren en dos pasos: adición del nucleófilo y eliminación del grupo saliente. Aunque algunas veces ambos pasos pueden afectar la velocidad global de la reacción, suele ser el primero paso el limitante de la velocidad.
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Ocurre la adición de un nucleófilo al grupo carbonilo, lo que produce un intermedio tetraédrico |
Un par de electrones del oxígeno desplaza al grupo saliente Y, lo cual genera un compuesto carbonílico como producto |
El nucleófilo puede ser del tipo :Nu- o bien :Nu-H.
Y es un grupo saliente: -OR, -NR2, _-Cl, -OCOR’. |
El orden de reactividad es Halogenuro de ácido > Anhídrido > Éster > Amida. Una consecuencia importante de las diferencias de reactividad observadas es que suele ser posible transformar un derivado más reactivo en uno menos reactivo.
Casi la mayoría de las reacciones de los halogenuros de ácido ocurren por sustitución nucleofílica en el carbonilo. Por lo que no daremos grandes detalles de cada una de ellas, veamos el caso de la hidrólisis:
Un haluro Un ácido
de ácido carboxílico
Dado que durante la hidrólisis se genera HCl, a menudo la reacción se realiza en presencia de piridina o de NaOH como base para secuestrar el HCl e impedir que éste cause reacciones laterles. La alcohólisis presenta un mecanismo casi idéntico con la diferencia que el grupo atacante es el alcohol e igual cosa la aminólisis.
La reducción de los halogenuros de ácido, termina convirtiéndolos el alcoholes primarios cuando se emplean reductores fuertes (LiAlH4) y en aldehídos cuando se utilizan reductores suaves como por ejemplo el DIDAL , la reducción ocurre por un mecanismo típico de sustitución nucleofílica en el carbonilo en el cual el ion hidruro (H-) ataca al grupo carbonilo produciendo un intermediario tetraédrico que expulsa al ion cloruro, para formar un aldehído, el cual es rápidamente reducido por el LiAlH4 en un segundo paso para generar el alcohol primario.
Los halogenuros de ácido con reactivos de Grignard suelen producir alcoholes terciarios en los cuales los dos sustituyentes son idénticos, el mecanismo es igual a la reducción con LiAlH4, pasándose por una cetona intermedia, la cual reacciona rápidamente con el segundo equivalente de organometálico, para producir el alcohol, ejemplo:
Mecanismo:
La obtención de cetonas apartir de halogenuros de ácido, es posible empleando como agente organometálico un reactivo del tipo diorganocuprato, ejemplo:
La reacciones químicas de los anhídridos de ácido son muy similares a las de los halogenuros de ácido, con la única diferencia que sus reacciones son más lentas. Los ésteres sin embargo, son talvez los derivados de ácidos más importantes. Los ésteres pueden ser obtenidos partiendo de ácidos o anhídridos, aunque el método más amplio es partiendo de los cloruros de ácido.
Los ésteres presentan un comportamiento químico similar al descrito para los halogenuros de ácido y anhídridos, pero son menos reactivos hacia los nucleófilos que los anteriores; de ahí que las reacciones requieran de un catalizador que suele ser ácido o básico.
La hidrólisis de ésteres por ejemplo es realizada en medio ácido o básico para producir un ácido carboxílico más alcohol. La hidrólisis de ésteres en solución básica se llama saponificación (del latín sapo, saponis, jabón).
Analicemos un ejemplo: Mecanismo de hidrólisis mediante base
Al contrario de lo que ocurre con la hidrólisis catalizada por ácidos, esta reacción en sus últimas etapas no es de equilibrio, la etapa en la que el ácido se convierte en la sal del carboxilato, es esencialmente irreversible. Por lo tanto, se necesita al menos una cantidad estequiométrica de hidróxido (aunque frecuentemente se emplea un exceso).
Reacción de los ésteres con alcoholes: transesterificación
Esta reacción permite la conversión de un éster en otro sin necesidad de obtener el ácido libre. La transesterificación es una reacción de equilibrio. Para desplazar el equilibrio se utiliza normalmente un gran exceso de alcohol, muchas veces como disolvente. La reacción tiene utilidad dado que las lactonas (ésteres cíclicos) se abren mediante transesterificación a hidroxiésteres.
Ejemplo:
Amidas a partir de ésteres:
Los ésteres reaccionan con las aminas por un método típico de sustitución nucleofílica en el acilo para producir amidas. La reacción en si no necesita catalizador dado que las aminas, son buenos nucleófilos. Sin embargo, la reacción no tiene mucho uso debido a que se obtienen mayores rendimientos por la aminolisis de los cloruros de ácido.
Ejemplos:
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Benzoato de metilo Benzamida |
3-Metilbutanoato de metilo 3-Metil-N-etilbutanoamida |
Reactivos de Grignard con ésteres producen alcoholes terciarios:
La reacción de los ésteres con dos equivalentes de un reactivo de Grignard, los transforma en alcoholes terciarios, mientras que los ésteres del ácido metanoico (fórmico) conducen a alcoholes secundarios. La reacción en si es una adición nucleofílica del organometálico a la función carbonílica para dar la sal de magnesio de un hemiacetal y formación de una cetona intermedia, a continuación tiene lugar otra adición de un segundo equivalente de reactivo de Grignard sobre el grupo carbonílico formado. Por ultimo, se obtiene el alcohol al añadir agua a la mezcla de reacción.
Ejemplo:
Mecanismo:
Reducción de ésteres a alcoholes:
Los ésteres se reducen fácilmente por tratamiento con hidruro de litio y aluminio (LiAlH4) para producir alcoholes primarios, el mecanismo consiste en la unión de un hidruro al grupo carbonilo, a lo cual sigue la eliminación del ion alcóxido para producir un aldehído como intermedio. La posterior adición de un hidruro al aldehído forma el alcohol primario.
Mecanismo:
Éster Aldehído Alcohol primario
Si en vez de LiAlH4 se usa DIBAL (hidruro de diisobutilaluminio) como agente reductor, es posible aislar el aldehído. Debe tenerse gran cuidado (usar un equivalente exacto de hidruro, y efectuar la reacción a -78ºC).
Ejemplo:
Formación de enolatos con posterior tratamiento con un electrófilo:
La acidez de los hidrógenos en a de los ésteres es suficiente para que se formen los enolatos de éster, cuando un éster reacciona con una base fuerte a baja temperatura. Los enolatos de éster reaccionan como enolatos de cetonas, dando lugar a alquilaciones, apertura de oxaciclopropanos y reacciones aldólicas.
Ejemplo:
Condensación de Claisen[1]:
Cuando los enolatos de éster atacan a otra molécula de éster se forma un producto de condensación de Claisen, dando lugar a un producto conocido como b-ceto-éster. Esto se debe a que los enolatos no deben estar presentes en cantidades estequiométricas, sino que pueden existir en concentraciones de equilibrio, como ee la reacción aldólica, Tanto el alcóxido (base) como el éster empleado deben ser derivados del mismo alcohol para evitar la una transesterificación.
Ejemplo:
Mecanismo:
1) Formación del enolato del éster
2) Adición nucleófila
3) Eliminación
La condensación de Claisen es esencialmente análoga a la aldólica, pero con un éster en lugar de un aldehído. En de estar presente ésteres de distinta naturaleza química se produce una condensación de Claisen cruzada, dando lugar a mezclas de productos, y en el caso de que una misma molécula posea dos grupos ésteres da lugar a una condensación de Claisen intramolecular, conocida con el nombre de condensación de Dieckmann[2].
Ejemplos:
a) Condensación de Claisen mixta
b) Condensación de Claisen intramolecular (Dieckmann)
Reacciones de las Amidas:
Las amidas son mucho menos reactivas que cloruros de ácido, anhídridos de ácido o ésteres. Por tanto, el enlace amida sirve como la unidad básica a partir de la cual se forman todas las proteínas.
Las amidas sufren hidrólisis para formar ácidos carbixílicos más aminas cuando se calientan con ácidos o bases en solución acuosa. Las condiciones que se requieren para la hidrólisis de amidas son más drasticas que para la hidrólisis de cloruros de ácido o ésteres, pero los mecamismos son similares.
Ejemplos:
(a) Hidrólisis ácida
(b) Hidólisis básica
Al igual que otros derivados de ácidos carboxílicos, las amidas pueden reducirse con LiAlH4 o bien LiAl(OR)3H, para obtener alcoholes o aldehídos respectivamente. El efecto neto de la reducción de una amida es la conversión del grupo carbonilo de la amida en un grupo metileno (C=O ® CH2). Este tipo de reacción es específico de las amidas y no ocurre con otros derivados de ácidos carboxílicos.
Ejemplos:
La reducción con hidruro de litio y aluminio es igualmente eficaz tanto para las amidas acíclicas como para las cíclicas (lactamas). La reducción de lactamas produce aminas cíclicas con buenos rendimientos, y constituye un método de síntesis valioso.
Ejemplo:
Una lactama Una amina cíclica
Las amidas se pueden transformar en aminas con un carbono menos respecto a las amida original mediante la transposición de Hofmann, la que será estudiada en el capítulo 27, dedicado a las aminas.
Reacciones de los Nitrilos:
La química de los nitrilos es similar en muchos aspectos a la química de los compuestos carbonílicos. Al igual que éstos, los nitrilos están fuertemente polarizados, lo que hace que el átomo de carbono sea electrófilo. Por tanto los nitrilos son atacados por nucleófilos para producir aniones imina con hibridación sp2 como intermedio, en una reacción análoga a la formación del ion alcóxido intermedio por adición nicleofílica a un grupo carbonilo.
Las dos reacciones más importantes de los nitrilos son la hidrólisis y la reducción. Además, los nitrilos pueden ser parcialmente reducidos e hidrolizados para producir aldehídos, y se pueden tratar con reactivos de Grignard para producir cetonas.
Los nitrilos pueden hidrolizarse en medio acuoso ácido o básico para dar los correspondientes ácidos carboxílicos. El mecanismo de estas reacciones procede a través de una amida intermedia e incluye etapas de adición-eliminación.
Mecanismo de la hidrólisis de nitrilos catalizada por ácidos:
Mecanismo de la hidrólisis de nitrilos catalizada por bases:
Las condiciones para la hidrólisis de nitrilos son normalmente drásticas, requiriendo altas concentraciones de ácido o base a elevadas temperaturas.
Los reactivos organometálicos reaccionan con los nitrilos para dar cetonas:
Los nucleófilos fuertes, como por ejemplo los reactivos organometálicos, se adicionan a los nitrilos para dar sales de aniones de imina. El tratamiento coc ácido acuoso conduce a la imina neutra, que se hidroliza rápidamente a cetona.
Ejemplo:
