Acidi carbossilici e derivati

Acidi carbossilici e
derivati
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Proff. M. De Rosa/C.Schiraldi
Acidi carbossilici
Il gruppo funzionale di questa classe di sostanze è il
carbossile:
O
C
OH
Il gruppo carbossilico è composto formalmente da un
gruppo carbonilico legato ad un gruppo ossidrilico. Per la
loro vicinanza, le proprietà di questi due gruppi
risultano talmente modificate che l’intero carbossile è da
considerarsi come un raggruppamento a sé stante, con le
sue caratteristiche peculiari.
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Acidi carbossilici
L’atomo di carbonio del carbossile presenta un’ibridazione sp2;
per questo motivo il raggruppamento è planare con angoli di
legame di circa 120°.
Per
la
differenza
di
elettronegatività degli atomi
legati a formare il carbossile,
questo gruppo ha carattere
polare. Il C del carbossile è
elettrofilo.
La capacità di funzionare da
acido è l’altra caratteristica
fondamentale del carbossile
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Nomenclatura
Gli acidi carbossilici vengono denominati secondo la
nomenclatura IUPAC aggiungendo il suffisso -oico al nome
dell’alcano corrispondente alla catena più lunga contenente il
gruppo carbossilico, e premettendo “acido”. Secondo questo
sistema il carbonio del carbossile è indicato con il numero 1.
O
H
C
O
CH3
C
OH
Acido metanoico
a. formico
O
CH3CH2
OH
acido etanoico
a. acetico
C
OH
acido propanoico
a. propionico
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Nomenclatura
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Nomenclatura acidi bicarbossilici
COOH
COOH
COOH
COOH
CH2
COOH
COOH
COOH
COOH
acido propandioico
(acido malonico)
acido butandioico
(acido succinico)
acido esandioico
(acido adipico)
acido etandioico
(acido ossalico)
HOOC
COOH
(CH2)2
HOOC
C C
H
(CH2)4
H
C C
H
acido cis-butendioico
(acido maleico)
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H
COOH
acido trans-butendioico
(acido fumarico)
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Il gruppo acile
Il radicale R-CO- che si ottiene per perdita
dell’ossidrile, viene genericamente denominato
acile o gruppo acilico. Il nome di un gruppo
acilico si ottiene da quello dell’acido
corrispondente cambiando il suffisso -oico in –oile.
O
NH2 O
CH3-CH2-C
CH3-CH2-CH-C
propanoile
2-amminobutanoile
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Derivati degli acidi carbossilici
Essi contengono il gruppo acilico (o acile) e si ottengono per
sostituzione dell’ossidrile del gruppo carbossilico con altri
gruppi caratteristici. I più importanti sono: gli alogenuri
acilici, le anidridi, gli esteri e le ammidi
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Alogenuri acilici
Il nome degli alogenuri acilici si ottiene facendo
seguire a quello dell’alogenuro il nome del gruppo
acilico a cui è legato. Ad esempio:
Cloruro di etanoile
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Anidridi
I nomi di questi composti si ottengono dall’acido (o
dagli acidi) da cui derivano; basta sostituire il termine
”anidride” a quello di “acido”:
O O
CH3-C-O-C-CH3
O O
CH3-CH2-C-O-C-CH2-CH2-CH3
anidride etanoica
anidride propanoico-butanoica
Anidride acetica
anidride propionico-butirrica
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Esteri
-ato
-ile
Ammidi
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Proprietà fisiche
Formazione di legame a idrogeno
Gli acidi carbossilici fungono da accettori e donatori di
legame a idrogeno Ÿ formano legami a idrogeno
intermolecolari e con le molecole di acqua.
Il legame a idrogeno intermolecolare fra le molecole
degli acidi carbossilici è sufficientemente forte da far
sì che questi acidi (a basso peso molecolare) esistano
in larga misura come dimeri anche in fase vapore.
Tale associazione intermolecolare rende gli acidi
carbossilici molto meno volatili dei corrispondenti
alcoli.
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Formazione di legami a idrogeno
O
R-C
H
O-H
Legami a idrogeno fra l’acqua ed
un acido carbossilico
O-H
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Alcune proprietà fisiche degli acidi carbossilici
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Acidità dei composti carbossilici
In soluzione acquosa gli acidi carbossilici si ionizzano,
formando ioni carbossilato secondo la reazione reversibile:
RCOOH + H2O
RCOO- + H3O+
La costante di equilibrio di questa reazione è nota come
costante di ionizzazione dell’acido (Ka) e rappresenta la
misura della forza dell’acido.
Le costanti acide Ka della maggior parte degli acidi
carbossilici sono dell’ordine 10-5.
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Acidità dei composti carbossilici (II)
L’acidità degli acidi carbossilici è di gran lunga superiore
a quella degli alcoli (Ka = 10-16 - 10-18).
La ragione di tale fatto è che lo ione carbossilato risulta
stabilizzato per delocalizzazione della carica negativa,
mentre lo ione alcolato non lo è.
Lo ione carbossilato è stabilizzato per risonanza:
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Acidità dei composti carbossilici (III)
Quali prove esistono a favore della delocalizzazione degli
elettroni S nello ione carbossilato?
L’analisi ai raggi X dei sali degli acidi carbossilici mostra che
i 2 legami C-O hanno la stessa lunghezza. Tale osservazione è
in accordo soltanto con uno ione stabilizzato per risonanza.
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Acidità dei composti carbossilici (V)
La natura del gruppo R
influenza l’acidità degli
acidi carbossilici:
gruppi elettronattrattori ne aumentano l’acidità; gruppi
elettrondonatori ne diminuiscono l’acidità.
ClCH2COOH
pKa = 2.86
CH3COOH
pKa = 4.76
pKa = 4.88
CH3CH2COOH
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acidità
crescente
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Acidità dei composti carbossilici (VI)
La presenza di un gruppo elettronattrattore aumenta l’acidità
della molecola di acido carbossilico poiché labilizza il legame
O-H nella molecola di acido e stabilizza lo ione carbossilato.
δ- δ + δ+ O
Es.
Cl-CH2-C
OH
La presenza di cloro nell’acido cloroetanoico determina un addensamento di carica positiva
sul carbonio in D che a sua volta, produce un’attrazione sugli elettroni del vicino carbossile,
con conseguente labilizzazione del legame O-H e, quindi, maggior disponibilità del protone.
La stessa azione induttiva che destabilizza l’acido provoca un’azione stabilizzante sull’anione
carbossilato disperdendone meglio la carica negativa
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Acidità dei composti carbossilici (VII)
F
F
C
F
Cl
O
C
Cl
OH
acido trifluoroetanoico
(pKa = 0,23)
H
O
C C
Cl
H C
OH
acido tricloroetanoico
(pKa = 0,64)
O
C
H
OH
acido etanoico
(pKa = 4,74)
L’elevata elettronegatività del fluoro comporta polarizzazione
degli orbitali molecolari del gruppo carbossilico e delocalizzazione
della carica nell’anione carbossilato.
Tali effetti sono minori nell’acido tricloroacetico e non si hanno
nell’acido acetico.
L’acido trifluoroacetico è quindi l’acido più forte e l’acido acetico
è il più debole.
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Effetto dei sostituenti sull’acidità
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Reazioni:
Acidi carbossilici e basi
Gli acidi carbossilici reagiscono con le basi per
formare sali. Ad esempio:
CH3COONa + H2O
CH3COOH + NaOH
a. acetico
acetato di sodio
I sali degli acidi carbossilici impartiscono carattere
basico alle loro soluzioni acquose. Ciò è dovuto alla
reazione di idrolisi:
RCOO- + H2O
RCOOH + OHCorso di Chimica e Propedeutica Biochimica
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Acidi carbossilici:
reattività verso nucleofili
La reattività degli acidi carbossilici dipende anche
dal carattere elettrofilo del carbonio del carbossile
che, analogamente a quanto avviene per le aldeidi e
per i chetoni, lo rende suscettibile all’attacco di
sostanze con caratteristiche nucleofile.
G-G+
O
R-C
OH
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Acidi carbossilici:
reattività verso nucleofili
In ambiente acido le proprietà elettrofile del
carbonio sono accentuate dalla protonazione
dell’ossigeno:
O
H3C
C
H+
H3C
OH
H3C
C
OH
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O H
O H
O H
H3C
C
C
OH
OH
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Acidi carbossilici e derivati:
Reazioni di sostituzione nucleofila acilica
Acidi carbossilici e derivati reagiscono con nucleofili analogamente alle aldeidi e ai
chetoni. A differenza di questi ultimi, però, essi subiscono subito dopo una
eliminazione per la presenza del gruppo uscente legato alScaricato
carbonioda
carbossilico.
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Maggiore è l’efficacia del gruppo X come gruppo uscente, più
facilmente avviene la reazione
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Per reazione di un acido carbossilico con un
alcole si ottiene un
ESTERE
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H+
O
H3C
C
H3C
H3C
C
OH
O H
O H
O H
H3C
C
C
OH
OH
OH
H
O H
OH
H
H3C C O
O
H3C C
OH
H
CH3
OH
CH3
OH
H3C C O CH3
OH
H
H+
OH
H3C C O CH3
OH
H3C C O CH3
O H
H3C
C
O
CH3
O
Il prodotto netto è quello di una sostituzione (del gruppo –OH
con il gruppo –OR). Non si tratta di una sostituzione diretta ma
O CH3
è un processo in due stadi: (1) di addizione nucleofila e (2) di
H3C C
eliminazione.
O
L'acqua eliminata si forma dall'ossidrile dell'acido e dall'idrogeno dell'alcol.
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Produzione di esteri da alogenuri
acilici ed alcoli
Un secondo metodo per la preparazione degli esteri comporta la
reazione di un cloruro di un acido con un alcool (sostituzione
nucleofila acilica).
Nei cloruri degli acidi l’effetto induttivo del cloro tende a
sottrarre densità elettronica dal carbonio acilico. Per questo
motivo, e per la maggiore efficacia del cloro come gruppo
uscente, detti composti, come agenti acilanti (composti che
consentono di legare un gruppo acilico R-C=O a certi atomi),
sono generalmente molto più reattivi degli acidi.
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Produzione di esteri
da alogenuri acilici ed alcoli
Stadio 1: addizione nucleofila
con formazione di un intermedio
tetraedrico
Stadio 2: decomposizione
dell’intermedio con espulsione
del gruppo uscente
Stadio 3: deprotonazione
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Produzione di esteri da anidridi ed alcoli
Le anidridi sono agenti acilanti come i cloruri. Sebbene siano
un po’ meno reattive di questi ultimi, esse sono in grado di
reagire con gli alcoli per formare gli esteri (sostituzione
nucleofila acilica). Un esempio di tale reazione è mostrato
sotto.
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Produzione di esteri da anidridi ed alcoli
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DERIVATI DEGLI ACIDI CARBOSSILICI: IDROLISI
+
+ H2O
+
+ H2O
+ H2O
+ H2O
H+
H+
+
+
Sono reazioni di sosituzione nucleofila acilica. Generalmente, l’idrolisi di esteri e ammidi richiede una
catalisi acida (nel caso di ammidi sono necessarie anche condizioni di rex più drastiche), mentre molti
alogenuri acilici e anidridi si idrolizzano in presenza della sola acqua (nel caso delle anidridi la reazione è
più lenta). L’idrolisi di molti derivati degli acidi carbossilici nei sistemi biologici è catalizzata da enzimi.
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Idrolisi di esteri
catalizzata da acidi
Stadio 1: protonazione dell’estere
Stadio 2 : attacco nucleofilo
dell’acqua
Stadi 3-4 :
trasferimento di protone
Stadio 5 : perdita di alcol
Stadio 6 : deprotonazione
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Idrolisi basica di esteri (saponificazione)
Stadio 1: attacco nucleofilo dello
ione idrossido
Stadio 2: scissione
dell’intermedio tetraedrico
Stadi 3-4: reazioni di
trasferimento protonico
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