En química , un grupo acilo es una fracción derivada de la eliminación de uno o más grupos hidroxilo de un oxoácido , [1] incluyendo ácidos inorgánicos . Contiene un átomo de oxígeno con doble enlace y un grupo organilo ( R−C=O ) o hidrógeno en el caso del grupo formilo ( H−C=O ). En química orgánica , el grupo acilo ( nombre IUPAC alcanoilo si el grupo organilo es alquilo ) generalmente se deriva de un ácido carboxílico , en cuyo caso tiene la fórmula R−C(=O)− , donde R representa un grupo organilo o hidrógeno . Aunque el término casi siempre se aplica a compuestos orgánicos, los grupos acilo pueden en principio derivarse de otros tipos de ácidos como los ácidos sulfónicos y los ácidos fosfónicos . En la disposición más común, los grupos acilo están unidos a un fragmento molecular más grande, en cuyo caso los átomos de carbono y oxígeno están unidos por un doble enlace .
Existen cinco tipos principales de derivados de acilo. Los haluros de ácido son los más reactivos frente a los nucleófilos, seguidos de los anhídridos , ésteres y amidas . Los iones carboxilato son esencialmente no reactivos frente a la sustitución nucleofílica, ya que no poseen ningún grupo saliente. La reactividad de estas cinco clases de compuestos cubre un amplio rango; las velocidades de reacción relativas de los cloruros de ácido y las amidas difieren en un factor de 10 13 . [2]
Un factor importante para determinar la reactividad de los derivados de acilo es la capacidad de formar grupos salientes, que está relacionada con la acidez. Las bases débiles son mejores grupos salientes que las bases fuertes; una especie con un ácido conjugado fuerte (por ejemplo, ácido clorhídrico ) será un mejor grupo saliente que una especie con un ácido conjugado débil (por ejemplo, ácido acético ). Por lo tanto, el ion cloruro es un mejor grupo saliente que el ion acetato . La reactividad de los compuestos acilo hacia los nucleófilos disminuye a medida que aumenta la basicidad del grupo saliente, como muestra la tabla. [3]
Otro factor que juega un papel en la determinación de la reactividad de los compuestos acilo es la resonancia . Las amidas exhiben dos formas principales de resonancia. Ambas son contribuyentes importantes a la estructura general, tanto que el enlace amida entre el carbono carbonílico y el nitrógeno de la amida tiene un carácter significativo de doble enlace . La barrera de energía para la rotación alrededor de un enlace amida es de 75–85 kJ/mol (18–20 kcal/mol), mucho mayor que los valores observados para los enlaces simples normales. Por ejemplo, el enlace C–C en el etano tiene una barrera de energía de solo 12 kJ/mol (3 kcal/mol). [2] Una vez que un nucleófilo ataca y se forma un intermedio tetraédrico, se pierde el efecto de resonancia energéticamente favorable. Esto ayuda a explicar por qué las amidas son uno de los derivados acilo menos reactivos. [3]
Los ésteres presentan una menor estabilización de resonancia que las amidas, por lo que la formación de un intermedio tetraédrico y la consiguiente pérdida de resonancia no son tan desfavorables energéticamente. Los anhídridos experimentan una estabilización de resonancia aún más débil, ya que la resonancia se divide entre dos grupos carbonilo, y son más reactivos que los ésteres y las amidas. En los haluros de ácido, hay muy poca resonancia, por lo que la penalización energética por formar un intermedio tetraédrico es pequeña. Esto ayuda a explicar por qué los haluros de ácido son los derivados de acilo más reactivos. [3]
Los compuestos de acilo bien conocidos son los cloruros de acilo , como el cloruro de acetilo (CH 3 COCl) y el cloruro de benzoilo (C 6 H 5 COCl). Estos compuestos, que se tratan como fuentes de cationes acilo, son buenos reactivos para unir grupos acilo a varios sustratos. Las amidas ( RC(O) NR′ 2 ) y los ésteres ( RC(O) OR′) son clases de compuestos de acilo, al igual que las cetonas ( RC(O) R′) y los aldehídos ( RC(O) H), donde R y R′ representan organilo (o hidrógeno en el caso del formilo ).
Los iones acilio son cationes de fórmula RCO + . [4] La longitud del enlace carbono-oxígeno en estos cationes es cercana a 1,1 Å (110-112 pm), que es más corta que las 112,8 pm del monóxido de carbono e indica un carácter de triple enlace . [5] [6] [7]
Los centros de carbono de los iones acilio generalmente tienen una geometría lineal e hibridación atómica sp , y se representan mejor mediante una estructura de resonancia que lleva una carga positiva formal en el oxígeno (en lugar del carbono): [R−C≡O + ] . Son fragmentos característicos observados en los espectros de masas EI de las cetonas .
Los iones acilio son intermediarios reactivos comunes, por ejemplo, en la acilación de Friedel-Crafts y en muchas otras reacciones orgánicas, como la transposición de Hayashi . Las sales que contienen iones acilio se pueden generar mediante la eliminación del haluro de los haluros de acilo :
Los radicales acilo se generan fácilmente a partir de aldehídos mediante la abstracción de átomos de hidrógeno. Sin embargo, sufren una rápida descarbonilación para producir el radical alquilo: [8]
Los aniones acilo son casi siempre inestables, generalmente demasiado inestables para ser explotados sintéticamente. Reaccionan fácilmente con el aldehído neutro para formar un dímero de acilo . Por lo tanto, los químicos sintéticos han desarrollado varios equivalentes sintéticos de aniones acilo , como ditianos , como sustitutos. Sin embargo, como excepción parcial, las dialquilformamidas impedidas (por ejemplo, diisopropilformamida, HCON i Pr 2 ) pueden sufrir desprotonación a baja temperatura (−78 °C) con diisopropilamida de litio como base para formar un anión carbamoilo estable a estas temperaturas. [9]
En bioquímica hay muchos casos de grupos acilo, en todas las categorías principales de moléculas bioquímicas.
Los acil-CoA son derivados de acilo formados a través del metabolismo de los ácidos grasos . El acetil-CoA , el derivado más común, actúa como donante de acilo en muchas transformaciones biosintéticas. Dichos compuestos de acilo son tioésteres .
Los nombres de los grupos acilo de los aminoácidos se forman reemplazando el sufijo -ino por -ilo . Por ejemplo, el grupo acilo de la glicina es glicil y el de la lisina es lisilo .
Los nombres de los grupos acilo de los monofosfatos de ribonucleósido como AMP (ácido 5′-adenílico), GMP (ácido 5′-guanílico), CMP (ácido 5′-citidílico) y UMP (ácido 5′-uridílico) son adenililo, guanililo, citidililo y uridililo respectivamente.
En los fosfolípidos , el grupo acilo del ácido fosfatídico se llama fosfatidil-.
Finalmente, muchos sacáridos están acilados.
Los ligandos de acilo son intermediarios en muchas reacciones de carbonilación , que son importantes en algunas reacciones catalíticas. Los acilos metálicos surgen generalmente a través de la inserción de monóxido de carbono en enlaces metal - alquilo . Los acilos metálicos también surgen de reacciones que involucran cloruros de acilo con complejos metálicos de baja valencia o por la reacción de compuestos de organolitio con carbonilos metálicos. Los acilos metálicos a menudo se describen mediante dos estructuras de resonancia, una de las cuales enfatiza la basicidad del centro de oxígeno. La O -alquilación de acilos metálicos da complejos de carbeno de Fischer . [10]
Los nombres comunes de los grupos acilo se derivan típicamente reemplazando el sufijo -ico del nombre común del ácido carboxílico correspondiente con -ilo (o -oilo ), como se muestra en la siguiente tabla.
En la nomenclatura IUPAC de la química orgánica , los nombres sistemáticos de los grupos acilo se derivan exactamente reemplazando el sufijo -ilo del nombre sistémico del grupo hidrocarbilo correspondiente (o el sufijo de ácido -oico del nombre sistémico del ácido carboxílico correspondiente) con -oilo , como se muestra en la siguiente tabla.
Los acilos se encuentran entre los hidrocarbilos y los ácidos carboxílicos.
Los nombres de los grupos hidrocarbilo que terminan en -ilo no son grupos acilo, sino grupos alquilo derivados de alcanos ( metilo , etilo , propilo , butilo ), grupos alquenilo derivados de alquenos ( propenilo , butenilo) o grupos arilo ( bencilo ).
Los compuestos acilo reaccionan con los nucleófilos mediante un mecanismo de adición: el nucleófilo ataca al carbono carbonílico, formando un intermedio tetraédrico . Esta reacción puede acelerarse mediante condiciones ácidas , que hacen que el carbonilo sea más electrofílico , o condiciones básicas , que proporcionan un nucleófilo más aniónico y, por lo tanto, más reactivo. El intermediario tetraédrico en sí puede ser un alcohol o un alcóxido , dependiendo del pH de la reacción.
El intermedio tetraédrico de un compuesto de acilo contiene un sustituyente unido al carbono central que puede actuar como un grupo saliente . Después de que se forma el intermedio tetraédrico, colapsa, recreando el enlace carbonilo C=O y expulsando el grupo saliente en una reacción de eliminación . Como resultado de este proceso de adición/eliminación de dos pasos, el nucleófilo toma el lugar del grupo saliente en el compuesto carbonílico por medio de un estado intermedio que no contiene un carbonilo. Ambos pasos son reversibles y, como resultado, las reacciones de sustitución nucleofílica de acilo son procesos de equilibrio. [11] [ cita completa requerida ] Debido a que el equilibrio favorecerá al producto que contenga el mejor nucleófilo, el grupo saliente debe ser un nucleófilo comparativamente pobre para que una reacción sea práctica.
En condiciones ácidas, el grupo carbonilo del compuesto acilo 1 se protona, lo que lo activa hacia el ataque nucleofílico. En el segundo paso, el carbonilo protonado 2 es atacado por un nucleófilo (H−Z) para dar el intermedio tetraédrico 3. La transferencia de protones del nucleófilo (Z) al grupo saliente (X) da 4 , que luego colapsa para expulsar el grupo saliente protonado (H−X), dando el compuesto carbonilo protonado 5. La pérdida de un protón da el producto de sustitución, 6. Debido a que el último paso implica la pérdida de un protón, las reacciones de sustitución nucleofílica de acilo se consideran catalíticas en ácido. También tenga en cuenta que en condiciones ácidas, un nucleófilo normalmente existirá en su forma protonada (es decir, H−Z en lugar de Z − ).
En condiciones básicas , un nucleófilo (Nuc) ataca al grupo carbonilo del compuesto acilo 1 para dar el intermedio alcóxido tetraédrico 2. El intermedio colapsa y expulsa el grupo saliente (X) para dar el producto de sustitución 3. Si bien las reacciones de sustitución de acilo nucleofílicas pueden ser catalizadas por bases, la reacción no ocurrirá si el grupo saliente es una base más fuerte que el nucleófilo (es decir, el grupo saliente debe tener un p K a más alto que el nucleófilo). A diferencia de los procesos catalizados por ácidos, tanto el nucleófilo como el grupo saliente existen como aniones en condiciones básicas.
Este mecanismo está respaldado por experimentos de marcaje isotópico . Cuando el propionato de etilo con un grupo etoxi marcado con oxígeno-18 se trata con hidróxido de sodio (NaOH), la etiqueta de oxígeno-18 está completamente ausente del ácido propiónico y se encuentra exclusivamente en el etanol . [12]
En los grupos aciloxi, el grupo acilo está unido al oxígeno: R−C(=O)−O−R′ donde R−C(=O) es el grupo acilo.
Los iones acilio son cationes de fórmula R−C≡O + . Son intermediarios en las acilaciones de Friedel-Crafts .
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