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Ácido carboxílico
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Ácidos carboxílicos. Constituyen un grupo de compuestos químicos que se caracterizan por poseer un grupo funcional llamado grupo carboxilo o grupo carboxi (–COOH); produciéndose este cuando sobre un mismo carbono coincide un grupo hidroxilo (-OH) y carbonilo (C=O). Se puede representar como COOH ó CO2H.
Sumario
[ocultar]Generalidades
El grupo carboxilo, -C00H, es la unidad funcional característica de los ácidos carboxílicos, los cuales pueden pertenecer a la serie alifática, RCOOH, aromática, ArCOOH, o heterocíclica. Esta clase de compuestos incluye también a los ácidos dicarboxílicos y policarboxílicos (dos o más grupos -C00H en la molécula), así como a los ácidos carboxílicos que poseen también otros grupos funcionales. Una gran variedad de ácidos carboxílicos son productos naturales, y este tipo de compuestos cumplen innumerables funciones tanto en la naturaleza como en la industria.
El ácido acético, el componente ácido del vinagre, es un ácido carboxílico de gran importancia industrial, el ácido cítrico, el que da su sabor agrio a los frutos cítricos, es un intermedio importante del metabolismo de los hidratos de carbono, el ácido cólico se encuentra en la bilis de los animales, y el ácido gálico, presente en las agallas y otras fuentes vegetales.Muchos derivados de los ácidos carboxilicos, en particular los ésteres y las amidas se encuentran ampliamente difundidos en la naturaleza y tienen gran importancia e interés
Nomenclatura y propiedades físicas
El nombre IUPAC de los ácidos carboxílicos alifáticos se obtiene anteponiendo la palabra ácido al nombre del alcano correspondiente y cambiando la terminación -o de éste por –oico.
Ejemplo
CH3-CH3 Etano CH3-CH2-COOH Acido etanoico (etan + oico)
El grupo carboxilo define la cadena más larga de la molécula y a su carbono le corresponde el número 1, numerándose los sustituyentes unidos a la cadena de la manera habitual. Los ácidos aromáticos se nombran como productos de sustitución del ácido benzoico, PhCOOH (p. f. 122°), o del hidrocarburo aromático de que deriven. Los ácidos carboxílicos se denominan también con frecuencia como "ácidos alcanocarboxílicos", en especial en la serie cicloalcánica
Estructura | Nombre IUPAC(Ácido__) | Nombre Vulgar(Ácido __) | p.e., °C | p.f., °C |
---|---|---|---|---|
HCOOH | Metanoico | Fórmico | 101 | 8.4 |
CH3COOH | Etanoico | Acético | 118 | 16 |
CH3CH2COOH | Propanoico | Propiónico | 142 | - 21 |
CH3CH2CH2COOH | Butanoico | Butírico | 164 | - 5 |
(CH3)2CHCOOH | 2-Metilpropanoico | Isobutírico | 154 | - 47 |
CH3(CH2)3COOH | Pentanoico | Valeriánico | 186 | - 35 |
CH3(CH2)6COOH | Octanoico | Caprílico | 239 | 16 |
CH3(CH2)14COOH | Hexadecanoico | Palmítico | 139/1mm | 63 |
CH3(CH2)16COOH | Octadecanoico | Esteárico | 160/ 1mm | 69 |
Tabla 1: Algunas Propiedades de los ácidos carboxílicos alifáticos
Los ácidos de masa molar baja (menores de diez átomos de carbono) son líquidos incoloros, de olor muy desagradable. El olor del vinagre se debe al ácido acético; el de la mantequilla rancia al ácido butírico. El ácido caproico se encuentra en el pelo y secreciones del ganado caprino. Los ácidos C5 a C10 poseen olores a “cabra”. El resto sólidos cerosos e inodoros a temperatura ambiente. Sus puntos de fusión y ebullición crecen al aumentar la masa molar.
Generalmente los ácidos carboxílicos son ácidos débiles, con sólo un 1% de sus moléculas disociadas para dar los correspondientes iones, a temperatura ambiente y en disolución acuosa.
Los ácidos inferiores son bastante solubles en agua. Su solubilidad en agua decrece a partir del ácido butírico, con el aumento del carácter hidrocarbonado de la molécula. Todos los ácidos carboxílicos son totalmente solubles en disolventes orgánicos.
Síntesis de los ácidos carboxílicos
Industrial
La obtención industrial de los ácidos carboxílicos difieren de las usadas a pequeña escala porque requieren equipamiento especializado.
- Oxidación de aldehídos con aire, utilizando catalizadores de cobalto y manganeso. Los aldehídos necesarios son obtenidos fácilmente a partir de alquenos por hidroformilación.
- Oxidación de hidrocarburos usando aire. Para los alcanos más simples, el método no es selectivo. Los compuestos alílicos y bencílicos sufren oxidaciones más selectivas. Los grupos alquilo en un anillo bencénico se oxidan al ácido carboxílico, sin importar la longitud de la cadena. La formación de ácido benzoico a partir del tolueno, de ácido tereftálico a partir del p-xileno, y de ácido ftálico a partir de o-xileno, son algunas conversiones ilustrativas a gran escala. El ácido acrílico es generado a partir del propeno.
- Deshidrogenación de alcoholes, catalizada por bases.
- La carbonilación es el método más versátil cuando va acompañado a la adición de agua. Este método es efectivo 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 alquenos está catalizada por ácidos fuertes. El ácido acético y el ácido fórmico son producidos por la carbonilación del metanol, llevada a cabo con yodo y alcóxido, quienes actúan como promotores, y frecuentemente con altas presiones de monóxido de carbono, generalmente involucrando varios pasos hidrolíticos adicionales, en los Proceso Monsanto y proceso Cativa. Las hidrocarboxilaciones involucran la adición simultánea de agua y CO. Tales reacciones son llamadas algunas veces como "Química de Reppe":
- HCCH + CO + H2O → CH2=CHCO2H
- Algunos ácidos carboxílicos de cadena larga son obtenidos por la hidrólisis de los triglicéridos obtenidos de aceites y grasas de plantas y animales. Estos métodos están relacionados a la elaboración del jabón.
En el Laboratorio
Los métodos de preparación para reacciones a pequeña escala con fines de investigación, instrucción, o producción de pequeñas cantidades de químicos, suelen utilizar reactivos caros.
- La oxidación de alcoholes primarios con agentes oxidantes fuertes como el dicromato de potasio, el reactivo de Jones, el permanganato de potasio, o el clorito de sodio. El método es adecuado a las condiciones de laboratorio, comparado con el uso industrial del aire, pero este último es más ecológico, puesto que conduce a menos subproductos inorgánicos, tales omo óxidos de cromo o manganeso.
- Ruptura oxidativa de olefinas, por ozonólisis, permanganato de potasio, o dicromato de potasio.
- Los ácidos carboxílicos también pueden obtenerse por la hidrólisis de los nitrilos, ésteres, o amidas, generalmente con catálisis ácida o básica.
- Carbonatación de un reactivo de organolitio o Grignard:
- RLi + CO2 RCO2Li
- RCO2Li + HCl RCO2H + LiCl
- Halogenación de metilcetonas, seguida por hidrólisis en la reacción del haloformo
- La reacción de Kolbe-Schmitt, que provee una ruta de síntesis al ácido salicílico, precursor de la aspirina
Reacciones de los ácidos carboxílicos
Los ácidos carboxílicos presentan una gran variedad de reacciones en las que intervienen el átomo de hidrógeno del grupo carboxilo, -C00H, el grupo hidroxilo, -CO-OH, u otras partes de la molécula. Muchas de estas reacciones transforman a los ácidos carboxílicos en importantes derivados.
a) Formación de sales
Los ácidos carboxílicos en reacción con los la conversión de en sales metálicas estables. Muchas de estas sales metálicas son de utilidad técnica. Así, el acetato básico de cobre, Cu(OH)2. 2Cu(000CH3)z, se emplea como insecticida; el acetato de aluminio, Al(OCOCH3),, se usa para impregnar las fibras de algodón en el mordentado previo a la tinción; el propionato cálcico, Ca(OCOC2H5)2 y el benzoato sódico, NaOCOPh, se emplean para conservar los alimentos; y las sales sódicas de los ácidos grasos de cadena larga son los jabones corrientes
b) Reducción a alcoholes primarios
Se pueden reducir cuantitativamente a alcoholes primarios por la acción del Hidruro de Litio y Aluminio, que son agentes de gran poder reductor.
c) Halogenación α
Cuando se trata de un ácido carboxílico alifático con cloro o bromo en presencia de fósforo rojo, los átomos de hidrógeno α del carbono adyacente al grupo carbonilo se sustituyen por Cl o Br. Estas reacción de Hell-Volhard-Zelinsky se puede efectuar por pasos mediante un control adecuado de las condiciones de reacción.
Fuentes
- Requena, L. Vamos a Estudiar Química Orgánica. (2001). Ediciones ENEVA.
- William A. Bonner, Albert J. Castro, Libro de Química Orgánica, 1986.
- Wilhelm Riemenschneider “Carboxylic Acids, Aliphatic” in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2002.