1.9: Derivados de ácido carboxílico - Interconversión

Estructuras de Derivados de Acidos

La última vez completamos nuestro estudio de las reacciones de aldehídos y cetonas, compuestos en los que un grupo carbonilo está unido ya sea a carbonos o hidrógenos. El patrón de reacción típico para estos compuestos fue la adición, con un nucleófilo añadiendo al carbono carbonilo y un electrófilo añadiendo al oxígeno carbonilo. Hoy veremos los derivados de ácidos carboxílicos. Este grupo de compuestos también contiene un grupo carbonilo, pero ahora hay un átomo electronegativo (oxígeno, nitrógeno o un halógeno) unido al carbono carbonilo. Esta diferencia en la estructura conduce a un cambio importante en la reactividad. Aquí encontramos que las reacciones de este grupo de compuestos suelen implicar la sustitución del átomo electronegativo por un nucleófilo. Sin embargo, antes de mirar esa reacción en detalle, veamos de qué tipo de compuestos estamos hablando.

Observe que cada uno de estos grupos funcionales tiene un oxígeno, un nitrógeno o un halógeno unido al carbono carbonilo.

Sustitución por Adición-Eliminación

Las reacciones típicas de estos compuestos son sustituciones —reemplazando uno de estos heteroátomos por otro átomo. Aquí hay un ejemplo:

El cloro del cloruro de acilo ha sido sustituido por el ^- OCH ₂ CH ₃, más específicamente por el átomo de oxígeno de ese grupo. Este tipo de reacción, en la que un átomo o grupo es reemplazado por otro átomo o grupo, se denomina reacción de sustitución.

Podemos comenzar a conectar este tipo de reacción con lo que hemos visto antes pensando en el mecanismo. ^{Notamos que el extremo O del grupo (llamado alcóxido) que está haciendo la sustitución es muy parecido al oxígeno en un OH -.} Ya que hemos visto al OH ^- actuar como nucleófilo cuando atacó el carbono electrófilo de un grupo carbonilo, comencemos por ver qué pasa si usamos el mismo enfoque aquí.

El primer paso es familiar por la química de aldehídos y cetonas. El oxígeno nucleofílico utiliza sus electrones para formar un nuevo enlace al carbono carbonílico electrófilo mientras que los electrones del enlace pi se mueven hacia el oxígeno carbonilo. Hemos hecho el enlace oxígeno-carbono necesario. En la siguiente etapa, se reforma el enlace pi y se rompe el enlace carbono-cloro. Este es un nuevo tipo de paso, y sucede cuando la ruptura de este enlace se facilita al ser atraído el par de electrones hacia un átomo electronegativo como el oxígeno, nitrógeno o un halógeno. A este paso se le llama eliminación. El proceso de sustitución global ocurre por un mecanismo de adición-eliminación que comienza con una adición nucleofílica al grupo carbonilo y termina con la salida de un átomo con el par de electrones de enlace. A este átomo o grupo se le llama “grupo de salida”.

Aquí hay una declaración general del mecanismo:

Al observar algunos ejemplos específicos, tenga en cuenta este patrón. Habrá algunas elaboraciones al respecto, pero siempre encontraremos un paso adicional en el que ataca el nucleófilo y un paso de eliminación en el que se vaya el grupo de salida.

Ésteres - Preparación y Mecanismos

La conversión de cloruros de acilo en ésteres se lleva a cabo más comúnmente usando un alcohol en lugar de un alcóxido (RO ^-).

El mecanismo de esta reacción comienza de la misma manera que lo hizo el anterior; el primer paso es el ataque del nucleófilo al carbono carbonilo. En este caso, el nucleófilo es un par de electrones no compartidos en un átomo de oxígeno neutro. El intermedio formado en este paso desplaza rápidamente un protón (H ⁺) a la O ^-. Tales transferencias de protones entre átomos de oxígeno o átomos de nitrógeno son rápidas. (Estos intermedios se denominan “intermedios tetraédricos” ya que el carbono carbonílico se ha cambiado a una geometría tetraédrica y una hibridación sp ³).

El intermedio tetraédrico pierde HCl en un solo paso, uno en el que el H ⁺ se transfiere a una segunda molécula de alcohol y el Cl sale como Cl ^-. Es importante notar que el oxígeno del alcohol neutro sirve como nucleófilo. El enlace O-H no se rompe hasta después de que se forma el enlace C-O. Nunca hay ningún alcóxido en esta reacción. De hecho, un ion alcóxido no pudo sobrevivir en la solución fuertemente ácida (HCl). Este patrón, el nucleófilo neutro ataca primero, luego se elimina el protón, es muy común para los nucleófilos neutros y se debe seguir.

Este es un método práctico y útil para hacer ésteres, pero hace que el ácido fuerte HCl, que a menudo es problemático. Una variación más práctica es agregar una base débil como piridina para reaccionar con el HCl y neutralizarlo. Esto nos da un procedimiento para elaborar ésteres a partir de cloruros de acilo que utiliza la siguiente declaración de reacción:

Un procedimiento similar se usa para hacer amidas a partir de cloruros de acilo y aminas (la amina debe tener al menos un hidrógeno unido al nitrógeno).

Los cloruros de acilo son los derivados de ácido carboxílico más reactivos. El átomo de cloro electronegativo atrae electrones hacia él en el enlace C-Cl, lo que hace que el carbono carbonilo sea más electrófilo. Esto facilita el ataque nucleofílico. También, el Cl ^- es un excelente grupo de salida, por lo que ese paso también es rápido. Debido a su reactividad, los cloruros de acilo se convierten fácilmente en ésteres y amidas y, por lo tanto, son valiosos intermedios sintéticos. Se elaboran a partir de ácidos carboxílicos por esta reacción (Atkins & Carey, Sec 12:10):

En el mecanismo que acabamos de observar, los pasos clave (ataque de un nucleófilo y salida de un grupo de salida) fueron acompañados de pasos en los que protones se trasladaban de un lugar a otro. Tales transferencias de protones son muy comunes en reacciones catalizadas por ácido. Aquí está el mecanismo para la formación catalizada por ácido de un éster a partir de un ácido carboxílico y un alcohol:

Observe que el ataque nucleofílico está precedido por la protonación del oxígeno carbonílico. Hemos visto este paso antes en las adiciones catalizadas por ácido de nucleófilos a grupos carbonilo. Su propósito es aumentar la reactividad del carbono carbonilo como electrófilo, para que pueda ser fácilmente atacado por el oxígeno del alcohol. Después del ataque nucleofílico, hay una transferencia de protones. Su propósito es convertir uno de los grupos OH (cualquiera de los dos lo hará) en un buen grupo de salida, el agua.

Piense en la adición de alcoholes a los aldehídos para producir hemiacetales. Los dos mecanismos arrancan de manera idéntica. Compárelos en detalle, y resuelva las razones de los diferentes resultados.

Observe que cada paso en este mecanismo se presenta como un equilibrio. Eso significa que toda la reacción representa un equilibrio en el que coexisten cantidades significativas de ácido carboxílico y alcohol con éster y agua.

Esto nos permite empujar la reacción de una manera u otra controlando las concentraciones, particularmente de agua. Si eliminamos agua de la mezcla de reacción, se forma más éster porque el ácido carboxílico y el alcohol reaccionan para reemplazar el agua que hemos eliminado. La formación resultante de éster se llama esterificación de Fischer.

Si añadimos agua a la mezcla de reacción, se restablece el equilibrio mediante la producción de más ácido carboxílico y alcohol. Esto se llama hidrólisis de éster catalizada por ácido.

Amidas - Preparaciones

Los ésteres también pueden reaccionar con aminas o amoníaco para formar amidas. Esta reacción no implica catálisis ácida, por lo que el primer paso es el ataque nucleofílico al carbono carbonílico. La transferencia de protones sigue y la pérdida de la porción de alcohol del éster.

Esto nos da dos formas de hacer amidas, esta a partir de ésteres y la anterior a partir de cloruros de acilo. Aquí hay una tercera y muy directa manera de hacer amidas, calentando ácidos carboxílicos y aminas juntos.