En química orgánica , un ácido carboxílico es un ácido orgánico que contiene un grupo carboxilo ( -C(=O)-OH ) [1] unido a un grupo R. La fórmula general de un ácido carboxílico a menudo se escribe como R-COOH o R-CO 2 H , a veces como R-C(O)OH donde R se refiere a un grupo organilo (p. ej., alquilo , alquenilo , arilo ) o hidrógeno . u otros grupos. Los ácidos carboxílicos se encuentran ampliamente. Ejemplos importantes incluyen los aminoácidos y los ácidos grasos . La desprotonación de un ácido carboxílico da un anión carboxilato .
Los ácidos carboxílicos se identifican comúnmente por sus nombres triviales . A menudo tienen el sufijo ácido -ico .También existen nombres recomendados por la IUPAC ; en este sistema, los ácidos carboxílicos tienen un sufijo de ácido -oico . [2] Por ejemplo, el ácido butírico ( CH 3 CH 2 CH 2 CO 2 H ) es ácido butanoico según las pautas de la IUPAC. Para la nomenclatura de moléculas complejas que contienen un ácido carboxílico, el carboxilo puede considerarse en la posición uno de la cadena principal incluso si hay otros sustituyentes , como el ácido 3-cloropropanoico . Alternativamente, puede denominarse sustituyente "carboxi" o "ácido carboxílico" en otra estructura original, como 2-carboxifurano .
El anión carboxilato ( R−COO − o R−CO−2) de un ácido carboxílico generalmente se nombra con el sufijo -ato , de acuerdo con el patrón general de ácido -ico y -ato para un ácido conjugado y su base conjugada, respectivamente. Por ejemplo, la base conjugada del ácido acético es el acetato .
El ácido carbónico , que se encuentra en los sistemas tampón de bicarbonato en la naturaleza, generalmente no se clasifica como uno de los ácidos carboxílicos, a pesar de que tiene un resto que parece un grupo COOH.
Los ácidos carboxílicos son polares . Debido a que son aceptores de enlaces de hidrógeno (el carbonilo −C(=O)− ) y donadores de enlaces de hidrógeno (el hidroxilo −OH ), también participan en los enlaces de hidrógeno . Juntos, el grupo hidroxilo y carbonilo forman el grupo funcional carboxilo. Los ácidos carboxílicos suelen existir como dímeros en medios no polares debido a su tendencia a "autoasociarse". Los ácidos carboxílicos más pequeños (de 1 a 5 carbonos) son solubles en agua, mientras que los ácidos carboxílicos más grandes tienen una solubilidad limitada debido a la creciente naturaleza hidrófoba de la cadena alquílica. Estos ácidos de cadena más larga tienden a ser solubles en disolventes menos polares como éteres y alcoholes. [3] El hidróxido de sodio acuoso y los ácidos carboxílicos, incluso los hidrófobos, reaccionan para producir sales de sodio solubles en agua. Por ejemplo, el ácido enántico tiene baja solubilidad en agua (0,2 g/L), pero su sal de sodio es muy soluble en agua.
Los ácidos carboxílicos tienden a tener puntos de ebullición más altos que el agua, debido a sus mayores áreas superficiales y su tendencia a formar dímeros estabilizados a través de enlaces de hidrógeno . Para que se produzca la ebullición, se deben romper los enlaces dímeros o se debe vaporizar todo el conjunto de dímeros, lo que aumenta significativamente la entalpía de los requisitos de vaporización.
Los ácidos carboxílicos son ácidos de Brønsted-Lowry porque son donantes de protones (H + ). Son el tipo más común de ácido orgánico .
Los ácidos carboxílicos son típicamente ácidos débiles , lo que significa que sólo se disocian parcialmente en cationes [H 3 O] + y R-CO. −2 aniones en solución acuosa neutra . Por ejemplo, a temperatura ambiente, en una solución 1 molar de ácido acético , sólo se disocia el 0,001% del ácido (es decir, 10 −5 moles de 1 mol). Los sustituyentes aceptores de electrones, como el grupo -CF 3 , dan ácidos más fuertes (el p K a del ácido acético es 4,76 mientras que el ácido trifluoroacético, con un sustituyente trifluorometilo , tiene un p K a de 0,23). Los sustituyentes donadores de electrones dan ácidos más débiles (el p K a del ácido fórmico es 3,75 mientras que el ácido acético, con un sustituyente metilo , tiene un p K a de 4,76).
La desprotonación de ácidos carboxílicos da aniones carboxilato; estos están estabilizados por resonancia , porque la carga negativa se deslocaliza sobre los dos átomos de oxígeno, aumentando la estabilidad del anión. Cada uno de los enlaces carbono-oxígeno del anión carboxilato tiene un carácter de doble enlace parcial. La carga positiva parcial del carbono carbonílico también se ve debilitada por las - 1/2 cargas negativas de los 2 átomos de oxígeno .
Los ácidos carboxílicos suelen tener fuertes olores ácidos. Los ésteres de ácidos carboxílicos tienden a tener olores agradables y afrutados y muchos se utilizan en perfumes .
Los ácidos carboxílicos se identifican fácilmente como tales mediante espectroscopia infrarroja . Exhiben una banda afilada asociada con la vibración del enlace carbonilo C=O ( ν C=O ) entre 1680 y 1725 cm −1 . Una banda característica ν O–H aparece como un pico ancho en la región de 2500 a 3000 cm −1 . [3] [6] Mediante espectrometría de 1 H NMR , el hidrógeno hidroxilo aparece en la región de 10 a 13 ppm, aunque a menudo se amplía o no se observa debido al intercambio con trazas de agua.
Muchos ácidos carboxílicos se producen industrialmente a gran escala. También se encuentran frecuentemente en la naturaleza. Los ésteres de ácidos grasos son los componentes principales de los lípidos y las poliamidas de ácidos aminocarboxílicos son los componentes principales de las proteínas .
Los ácidos carboxílicos se utilizan en la producción de polímeros, productos farmacéuticos, disolventes y aditivos alimentarios. Los ácidos carboxílicos de importancia industrial incluyen el ácido acético (componente del vinagre, precursor de disolventes y recubrimientos), los ácidos acrílico y metacrílico (precursores de polímeros y adhesivos), el ácido adípico (polímeros), el ácido cítrico (un saborizante y conservante en alimentos y bebidas), ácido etilendiaminotetraacético (agente quelante), ácidos grasos (recubrimientos), ácido maleico (polímeros), ácido propiónico (conservante de alimentos), ácido tereftálico (polímeros). Las sales de carboxilato importantes son los jabones.
En general, las rutas industriales para obtener ácidos carboxílicos difieren de las utilizadas a menor escala porque requieren equipo especializado.
Los métodos de preparación para reacciones a pequeña escala para investigación o para la producción de productos químicos finos a menudo emplean reactivos consumibles costosos.
Muchas reacciones producen ácidos carboxílicos pero se utilizan sólo en casos específicos o son principalmente de interés académico.
Las reacciones más practicadas convierten los ácidos carboxílicos en ésteres , amidas , sales de carboxilato , cloruros de ácido y alcoholes . Los ácidos carboxílicos reaccionan con bases para formar sales de carboxilato, en las que el hidrógeno del grupo hidroxilo (–OH) se reemplaza por un catión metálico . Por ejemplo, el ácido acético que se encuentra en el vinagre reacciona con el bicarbonato de sodio (bicarbonato de sodio) para formar acetato de sodio , dióxido de carbono y agua:
Los ácidos carboxílicos también reaccionan con los alcoholes para dar ésteres . Este proceso se utiliza ampliamente, por ejemplo, en la producción de poliésteres . Asimismo, los ácidos carboxílicos se convierten en amidas , pero esta conversión normalmente no ocurre por reacción directa del ácido carboxílico y la amina. En cambio, los ésteres son precursores típicos de las amidas. La conversión de aminoácidos en péptidos es un proceso bioquímico importante que requiere ATP .
El grupo hidroxilo de los ácidos carboxílicos se puede reemplazar con un átomo de cloro usando cloruro de tionilo para dar cloruros de acilo . En la naturaleza, los ácidos carboxílicos se convierten en tioésteres .
Al igual que los ésteres , la mayoría de los ácidos carboxílicos se pueden reducir a alcoholes mediante hidrogenación o utilizando agentes de transferencia de hidruro como el hidruro de litio y aluminio . Los agentes de transferencia de alquilo fuertes, como los compuestos de organolitio pero no los reactivos de Grignard , reducirán los ácidos carboxílicos a cetonas junto con la transferencia del grupo alquilo.
El reactivo de Vilsmaier ( cloruro de N , N -dimetil(clorometilen)amonio [ClHC\dN+(CH3)2]Cl−) es un agente altamente quimioselectivo para la reducción de ácidos carboxílicos. Activa selectivamente el ácido carboxílico para dar la sal de carboximetilenamonio, que puede reducirse con un reductor suave como hidruro de litio tris( t -butoxi)aluminio para producir un aldehído en un procedimiento de un solo recipiente. Se sabe que este procedimiento tolera funcionalidades carbonilo reactivas tales como cetona, así como restos de éster, olefina, nitrilo y haluro moderadamente reactivos. [9]
El radical carboxilo , •COOH, sólo existe brevemente. [10] La constante de disociación ácida del •COOH se ha medido mediante espectroscopía de resonancia paramagnética electrónica . [11] El grupo carboxilo tiende a dimerizarse para formar ácido oxálico .
