Acidi carbossilici e loro derivati
Gli acidi carbossilici sono caratterizzati dal seguente gruppo:
Il carbonio carbossilico presenta un doppio legame con un ossigeno e un legame singolo con il gruppo OH. Il carbonio presenta una ibridazione sp2. Il gruppo carbossilico presenta quindi una geometria trigonale planare.
Gli acidi carbossilici presentano un pKa di circa 4-5. Questo perché il prodotto della dissociazione è stabilizzato da una risonanza.
+ H2O + H3O+
Le due strutture sono equivalente, questo è un contributo di elevata stabilizzazione. Si possono rappresentare come:
-
Il carbonio carbossilico presenterà una parziale carica positiva, mentre avremo una parziale carica negativa sugli ossigeni.
Proprietà fisiche
Il gruppo carbossilico può formare legami idrogeno. Se la catena carbossilica non presenta molti atomi di carbonio, l’acido è altamente solubile in acqua. Fino a 4 atomi di C, abbiamo una completa solubilità in acqua, poi comincia a comparire la caratteristica idrofobica della catena alchilica.
Il punto ebollizione è influenzato dalla possibilità di formare legami idrogeno intermolecolari e formare dimeri. Ad esempio, l’acido acetico presenta un punto di ebollizione superiore a quello dell’acqua, cioè 118 °C, questo perché si formano dei dimeri tramite legame idrogeno.
Nomenclatura
La nomenclatura degli acidi carbossilici si fa a partire dell’etano con un numero corrispondente di atomi di carbonio. Il nome viene fatto precedere da «acido» e la desinenza è –oico.
Il gruppo carbossilico è molto importante, quindi tipicamente la numerazione della catena inizia dal carbonio carbossilico (a meno che non ci siano gruppi più importanti).
+
-
Esempi:
acido 3-idrossi-6,6-dimetil-eptanoico
Acido 3-osso-butanoico
Acido 2-ammino-1,4-butandioico
Negli acidi carbossilici diventa molto importante la nomenclatura classica:
acido formico (IUPAC: acido metanoico)
acido acetico (IUPAC: acido etanoico)
acido propionico (IUPAC: acido propanoico)
acido butirrico (IUPAC: acido butanoico)
acido valerico (IUPAC: acido pentanoico)
acido capronico (IUPAC: acido esanoico)
Per gli acidi dicarbossilici
Acido ossalico (IUPAC: acido etandioico)
Acido malonico (IUPAC: acido propandioico)
Acido succinico (IUPAC: acido butandioico)
Acido glutarico (IUPAC: acido pentandioico)
Acido adipico (IUPAC: acido esandioico)
Per gli acidi carbossilici è largamente utilizzata la nomenclatura classica
IUPAC: acido 3-osso-butanoico Classica: acido -cheto-butirrico
Per gli acidi dicarbossilici c’è un’ulteriore nomenclatura che viene utilizzata nella biochimica.
IUPAC: acido 2-osso-butandioico Classica: acido -cheto-succinico Biochimica: acido ossalacetico
Deriva dall’acido ossalico
Deriva dall’acido acetico
Posso descriverlo come un acido acetico che porta un acido ossalico come sostituente: acido
ossalacetico.
Derivati degli acidi carbossilici
Alogenuri acilici. X = F, Cl, Br, I
Anidridi
Esteri
tioesteri
ammidi
Scala di reattività Alogenuri acilici Anidridi
Tioesteri Esteri
Acidi carbossilici Ammidi
Ione carbossilato
Reattività
Nomenclatura dei derivati degli acidi carbossilici
Esteri alchil alcanoato etil butanoato
Ammidi N-alchil alcanammide N-etil butanammide
Alogenuri acilici Alcanoil alogenuro Butanoil cloruro
Anidridi anidride alcanioca alcanoica
anidride alcanoica (simmetrica) anidride etanoica propanoica
tioesteri alchil tioalcanoato etil tiobutanoato
Meccanismo di reazione
Dal momento che il carbonio carbossilico ha una parziale carica positiva, il gruppo reagirà con nucleofili. Il meccanismo è quello di una addizione-eliminazione. Ad esempio, un acido carbossilico, in eccesso di alcol, porterà ad un estere
+ + H2O
Nella reazione esce una piccola molecola, nel caso considerato l’acqua: è una reazione di condensazione.
Il meccanismo prevede una fase di addizione di una molecola seguita da una eliminazione. Vediamo il meccanismo della reazione catalizzata da un acido.
H+
1)
: :
+ H+ Nel primo passaggio si ha la protonazione del gruppo carbossilico che rende più facile la addizione di un nucleofilo al carbonio sp2.
2) + :: Nel secondo passaggio c’è l’addizione del nucleofilo. Il carbonio
carbossilico passa da un’ibridazione sp2 ad una sp3 (tetraedrica).
3) Il terzo passaggio è una prototropia, il passaggio di un protone tra due siti (ossigeni)
4)
::
Nel quarto passaggio c’è l’eliminazione, in questo caso di una molecola d’acqua. Il carbonio carbossilico
assume nuovamente una ibridizzazione sp2 (trigonale planare).
5) + H+ Nell’ultimo passaggio si perde un protone (catalizzatore) e si
ottiene il prodotto (l’estere).
Con questo meccanismo si possono spiegare tutte le reazioni degli acidi carbossilici e dei loro derivati. In sostanza, c’è una condensazione di due molecole ed esce una piccola molecola come prodotto.
+ H2O
Abbiamo visto come un acido carbossilico, trattato con un alcol (in largo eccesso), porta ad un estere. Vediamo altri esempi:
Acido carbossilico + ammina = ammide
+ + H2O
In realtà questa reazione avviene molto difficilmente (alte T). Mescolando un acido carbossilico e una base (ammina) ho una reazione acido base. Per formare ammidi dovrei partire dal derivati degli acidi più reattivi
Acido carbossilico + tiolo = tioestere
+ + H2O
Acido carbossilico + acido carbossilico = anidride
+ + H2O
Anche per queste reazioni, che possono
avvenire in eccesso di reagente nucleofilo e ad alta temperatura, normalmente si utilizzano derivati più reattivi degli acidi carbossilici
Reazione di idrolisi
Trattando i derivati degli acidi carbossilici con acqua, otteniamo la loro idrolisi con formazione dell’acido carbossilico. Il meccanismo è sempre di addizione-eliminazione.
L’idrolisi può essere catalizzata da un acido o da una base.
Meccanismo di idrolisi acido-catalizzata
+ H2O +
1) : :
+ H+ Nel primo stadio il protone si lega all’ossigeno del gruppo carbossilico rendendo più facile l’addizione del nucleofilo al carbonio.
2) + Nel secondo stadio c’è l’addizione del nucleofilo (acqua), il carbonio
carbossilico passa da una ibridazione sp2 a sp3 (tetraedrica).
3) Il terzo passaggio è una prototropia: un idrogeno si sposta all’interno della stessa molecola.
4)
::
+ Nel quarto passaggio avviene la fase di eliminazione. Esce l’alcol e il carbonio carbossilico ritorna ad una ibridazione sp2 (trigonale planare).
5) + H+ Nell’ultimo passaggio si perde il protone al carbonio carbossilico
L’idrolisi di derivati degli acido carbossilici può avvenire anche in ambiente basico.
1) + :OH:: -
2)
:
:: :
+
3) + + Lo ione metossido è una base molto forte, più dell’acetato, e
si prende il protone.
Ogni derivato degli acidi carbossilici in presenza di acqua porta alla formazione di un acido carbossilico attraverso lo stesso meccanismo (in alcuni casi è importante l’aggiunta di un catalizzatore acido).
+ H2O + HX
+ H2O +
+ H2O +
+ H2O +
Altri esempi di reazioni che coinvolgono i derivati degli acidi carbossilici. Il meccanismo è sempre quello della addizione- eliminazione
Transesterificazione: da un estere per reazione con un alcol si ottiene un altro estere
+ +
Un estere si può ottenere anche per combinazione del altri derivati degli acidi carbossilici con un alcol. Esempio (non esaustivo):
+ +
Dai derivati degli acidi carbossilici, per trattamento con un’ammina, si possono ottenere ammidi. Esempio (non esaustivo):
+ + HCl
+ +
Riduzione dei gruppi carbossilici
I gruppi carbossilici possono essere ridotti a gruppi aldeidici o ad alcoli. In questo caso devono essere utilizzati agenti riducenti molto forti come ad esempio LiAlH4.
Esteri ciclici e ammidi cicliche.
Si possono avere strutture cicliche per esteri e ammidi. Solitamente, nelle reazioni di ciclizzazione sono favorite le strutture a 5 e 6 termini mentre sono sfavorite strutture a più o meno termini, anche se esistono alcuni composti che presentano cicloammidi con strutture a 4 atomi (pennicillina)
Un estere ciclico si chiama Lattone. Quello riportato è un -lattone, perché il carbonio che porta l’ossigeno che chiude la struttura ciclica è il carbonio .
Un’ammide ciclica si chiama lattame. Quello riportato è un -
lattame -lattame
Reattività degli idrogeni in al gruppo carbossilico
Quando il gruppo carbossilico, in particolare quando ho un estere, presenta idrogeni in , questi presentano una certa acidità perché il prodotto della deprotonazione è stabilizzato da una forma di risonanza. Il pKa di questi idrogeni è più elevato rispetto a quello degli idrogeni in al gruppo carbonilico per effetto del gruppo OR).
+ -B + HB
L’acidità del prodotto aumenta quando ho idrogeni in un carbonio in a due gruppi esteri. Es. dietilmalonato
pKa = 13.5
L’acidità degli idrogeni in al gruppo estereo permette di ottenere reazioni di condensazione.
Condensazione di Claisen
Questa condensazione porta alla formazione di un -cheto-estere. Esempio:
2
i) EtONa; ii) H3O+
Anche in questo caso alluno la catena carboniosa. Il meccanismo è il seguente:
1) EtO:
::
- + + EtOH Il primo passaggio è la deprotonazione
del carbonio in all’estere
2) + :
Il secondo passaggio prevede l’addizione del nucleofilo al gruppo carbossilico che passa così da sp2 a sp3.
3)
:: :
+ EtO:
::
- Nel terzo passaggio c’è l’eliminazione. Il gruppo carbossilico ritorda all’ibridazione sp2.
4) + EtO:
::
- + EtOH Nel quarto passaggio l’etossido, base
molto forte, prende un protone del prodotto del passaggio 3.
5) + H3O+ +
H2O Nell’ultimo passaggio, l’aggiunta di un acido riprotona il cheto-estere
portando al prodotto.
Acetoacetato di etile (etil 3-osso-butanoato). E’ un cheto-estere.
Condensazione di Claisen in biochimica
Acetoacetil-CoA. La via del mevalonato (colesterolo)
+ tiolasi
Acetoacetil-CoA
La condensazione di Claisen porta ad un -cheto estere. A seguito di una reazione di idrolisi, questo può facilmente portare ad un -cheto acido.
H2O, H+
I -cheto acidi, a caldo in soluzione acida, possono dare reazione di decarbossilazione. Questo è un meccanismo per togliere atomi di carbonio dalla molecola.
H2O, H+
+ CO2
Il meccanismo della decarbossilazione è il seguente:
1) +
1)
Spostamento di elettroni concertato. Stato di transizione con ciclo a 6 termini
Equilibrio cheto-enolico che è spostato verso la forma chetonica
In biochimica, un esempio di decarbossilazione di -cheto acidi si ha nel ciclo di Krebs. In questo caso la reazione è catalizzata dallo ione Mn2+.
Ossalsuccinato
isocitrato deidrogenasi
+ CO2
-cheto glutarato
Un altro tipo di decarbossilazione che si incontra in biochimica è la decarbossilazione ossidativa. Esempio
piruvato
+ CoA-SH + NAD+
piruvato deidrogenasi
Acetil-CoA
+ NADH + CO2
Sintesi malonica
La sintesi malonica è interessante perché è un metodo per allungare la catena carboniosa di due unità. La reazione utilizza il dietilmalonato.
+ i) EtONa
ii) H3O+, + CO2 + 2 EtOH
Il meccanismo della reazione è il seguente:
1) EtO:
:: -
+ : + EtOH Deprotonazione di un idrogeno in ai due gruppi esterei
2) + :
+ X-
+ X- Reazione di sostituzione nucleofila sull’alogenuro alchilico
3) H3O+ Idrolisi dell’estere in presenza di un acido
4)
+ 2 EtOH
+ CO2 Passaggio di decarbossilazione