1.11: Grasas, Ácidos Grasos, Detergentes

Biosíntesis de Grasas

Hemos visto que los derivados de ácido carboxílico reaccionan con nucleófilos para dar productos de sustitución en los que el grupo lábil es reemplazado por el nucleófilo atacante.

Este mismo patrón describe los primeros pasos en la reacción de ésteres con hidruro de litio y aluminio y reactivos de Grignard, pero en ambos casos la reacción avanza más porque el primer producto formado también reacciona con el reactivo. Por ejemplo, veamos la reducción de un éster con hidruro de litio y aluminio.

Cuando el “ion hidruro” (H: ^-) del hidruro de litio y aluminio reemplaza al grupo OR' del éster, se forma un aldehído. Ya lo hemos visto y el aldehído se reduce con hidruro de litio y aluminio, por lo que no sorprende que el aldehído se reduzca inmediatamente a un alcohol primario. De hecho, el aldehído es más electrófilo que el éster, por lo que tan pronto como se forman algunas moléculas de aldehído, son atacadas por el hidruro con preferencia al éster. La reacción se completa con la posterior adición de ácido acuoso para protonar los átomos ^de O.

El resultado es que los ésteres se reducen mediante hidruro de litio y aluminio a alcoholes primarios en los que el carbono del éster se ha convertido en el carbono del alcohol. El borohidruro de sodio no es lo suficientemente reactivo para llevar a cabo esta reducción. Esta es una manera útil de elaborar alcoholes primarios.

Un proceso muy similar ocurre cuando un éster reacciona con un reactivo de Grignard. Recuerde que el reactivo de Grignard sirve como fuente de nucleófilos de carbono. Podemos usar el mismo patrón que se trabajó para la reducción de hidruro de litio y aluminio reemplazando el “H: _-" por el “C: ^-" del reactivo de Grignard. Aquí hay un ejemplo en el que el reactivo de Grignard es bromuro de metilmagnesio:

Aquí el primer producto es una cetona en la que el grupo OR' del éster ha sido reemplazado por el grupo alquilo del reactivo de Grignard. Esta cetona es atacada inmediatamente por otra molécula del reactivo de Grignard. Después de la neutralización con ácido acuoso el producto es un alcohol en el que los dos grupos idénticos unidos al carbono del alcohol son del reactivo de Grignard. Si el grupo R del éster es un grupo carbonado este será un alcohol terciario.

En ambos casos, hemos combinado un patrón general para derivados de ácido carboxílico, sustitución del nucleófilo en lugar del grupo lábil, con un patrón que se aplica a aldehídos y cetonas, para llegar a la reacción “doble”. La primera parte es sustitución y la segunda parte es suma. No podemos detener la reacción a mitad de camino, porque los aldehídos y cetonas son más reactivos que los ésteres, por lo que los aldehídos y cetonas engullen el reactivo más rápido que los ésteres.

Pasamos algún tiempo en la condensación aldólica cuando estudiábamos aldehídos, y aprendimos que los enlaces alfa C-H de aldehídos y cetonas pueden ser atacados por base para formar enolatos. Lo mismo puede ocurrir con los ésteres, aunque necesitamos ser muy específicos sobre la identidad de la base que usamos —tiene que ser la misma que la porción OR' (derivada del alcohol) del éster. (Eso va a tener un poco más de sentido después).

El primer paso en tal reacción es estrictamente análogo a hacer un enolato a partir de un aldehído. A esto le sigue el ataque del carbono alfa nucleofílico del enolato sobre el carbono carbonilo de una segunda molécula del éster. Nuevamente, esto es estrictamente análogo a la situación en la reacción aldólica, y ha dado como resultado una adición nucleofílica al carbono carbonilo. Como es típico para los derivados de ácido carboxílico, la siguiente etapa es la pérdida del grupo lábil, de manera que el grupo carbonilo al que se ha añadido se muestra como una cetona. (Dado que la cetona recién formada se encuentra en una posición beta relativa al grupo funcional éster, estos compuestos se denominan beta-ceto-ésteres). Esta reacción general se llama la condensación de Claisen después de Ludwig Claisen, un destacado químico orgánico alemán de finales del siglo XIX y principios del XX.

Si bien esta reacción es de considerable utilidad para la síntesis en química orgánica, vamos a centrar nuestra atención en la implicación de este patrón en la síntesis biológica de ácidos grasos.

Primero necesitamos saber algo sobre las estructuras de las grasas. Las grasas son ésteres en los que la porción OR' (alcohol) de la molécula es el compuesto trihidroxi, glicerol (HOCH ₂ CHOHCH ₂ OH). Hay tres porciones de ácido carboxílico en estas moléculas ya que cada molécula de glicerol puede esterificarse con un ácido carboxílico diferente. En consecuencia, se les llama triacilgliceroles o triglicéridos. Estos ácidos carboxílicos típicamente tienen cadenas largas de hidrocarburos de catorce a veinte carbonos (incluyendo el carbono carbonilo). Estas cadenas son típicamente no ramificadas y, lo más llamativo, contienen números pares de átomos de carbono. Los ácidos carboxílicos obtenidos por hidrólisis de grasas se denominan ácidos grasos.

Dado que la mayoría de los carbonos en las grasas están completamente reducidos (número máximo de hidrógenos, sin oxígenos), la oxidación de las grasas produce cantidades sustanciales de energía, aproximadamente el doble de la energía por gramo que se obtiene de los carbohidratos y proteínas más oxidados. Así, las grasas se utilizan para el almacenamiento de energía a largo plazo en organismos.

La observación de que los ácidos grasos tienen un número par de carbonos en ellos proporciona una pista sobre el mecanismo de su síntesis biológica. La idea más obvia es que los ácidos grasos se acumulan dos carbonos a la vez, lo que significaría que cada ácido graso tendría que tener un número par de carbonos. Una molécula común de dos carbonos en la bioquímica es el ácido acético. (En la casi neutralidad ácido/base que prevalece en los sistemas biológicos, el ácido acético está presente como base conjugada, ion acetato).

Esta especulación se verificó alimentando organismos con acetato marcado radiactivamente (¹⁴ C). El marcador radiactivo apareció en las grasas. Más específicamente, si el ¹⁴ C se colocó en el carbono carbonílico del acetato, éste aparecía en las localizaciones impares en el ácido graso. Si se colocaba en el carbono metílico del acetato, aparecía en los carbonos pares en el ácido graso.

Esto se interpreta en el sentido de que el ácido graso se construye dos carbonos a la vez. Cada unidad de dos carbonos se agrega haciendo reaccionar el carbono alfa de una unidad de acetato con el carbono carbonilo de la siguiente, exactamente el patrón que vemos en la condensación de Claisen.

Por supuesto, hay mucho más en el proceso que esto, pero la etapa de formación de la unión clave tiene el mismo patrón que la condensación de Claisen. Es decir, ataque por átomo de carbono nucleofílico en el carbono carbonilo de un éster, lo que va seguido de la pérdida de la porción alcohólica del éster como grupo lábil. En la reacción biológica, los ésteres tienen azufre en ellos en lugar de oxígeno y están unidos a enzimas u otras proteínas, y el carbono nucleófilo está flanqueado no por uno sino por dos grupos carbonilo. Sin embargo, el patrón subyacente es el mismo.

La condensación biológica de Claisen que hemos analizado es seguida por otros pasos bioquímicos que reemplazan el oxígeno carbonílico con dos hidrógenos. El éster de cuatro carbonos que así se produce es atacado en su carbono carbonilo por otra molécula del nucleófilo de carbono y el ciclo continúa.

Es importante darse cuenta de que la química biológica utiliza los mismos mecanismos que utilizamos en el laboratorio. Los mecanismos de reacción orgánica subyacen a toda la bioquímica, particularmente el metabolismo.

Saponificación y Jabones

A continuación, veremos una reacción de las grasas que es de gran importancia económica. Nadie sabe cuándo se hizo el primer jabón, pero fue muy importante en la Edad Media y periodo industrial temprano porque se utilizó para lavar la grasa de lana de la lana en preparación para teñir e hilar. Era demasiado caro en esos tiempos para usarlo para la limpieza general. La disponibilidad general de jabón ha provocado un aumento en los estándares de limpieza y un correspondiente aumento en la salud general.

El jabón se elabora tratando las grasas con una solución fuerte de lejía (NaOH). Los grupos funcionales éster se hidrolizan liberando su porción de alcohol como glicerol y las porciones ácidas como la mezcla de las sales de sodio del ácido graso. El glicerol es soluble en agua y se separa de las sales de ácidos grasos. Estos son casi insolubles en agua, y se lavan y se comprimen en una torta — jabón.

El mecanismo de esta reacción, que se llama saponificación) se puede ilustrar más fácilmente en un éster simple que en una grasa. Sigue el patrón normal para un derivado de ácido carboxílico y el primer paso es análogo a la hidratación catalizada por bases de aldehídos, ataque del ion hidróxido nucleófilo en el átomo de carbono carbonilo. A esto le sigue la salida habitual del grupo de salida (en este caso, el OR' ^- del éster). Dado que el OR' ^-es más básico que el RCOO ^-, el último paso es una reacción de neutralización. (El último paso tendrá más sentido después de la próxima vez.)

Estructura Detergente

Para terminar, necesitamos mirar cómo funcionan los jabones y cómo eso se relaciona con sus estructuras. Los jabones son moléculas “puente”. Sus largas cadenas de hidrocarburos son muy parecidas a los aceites, por lo que se mezclan bien con los aceites. De hecho, podemos decir que las cadenas de jabón se disuelven en aceites. Al mismo tiempo, sus cabezas iónicas son lo suficientemente polares como para disolverse en agua. Si imaginamos un pequeño glóbulo de material oleoso que ha disuelto un montón de moléculas de jabón, podemos ver que las cabezas iónicas polares sobresalen (insolubles en aceite) en la superficie. Estas protuberancias polares en la superficie atraen moléculas de agua, de manera que la glob aceitosa se recubre con moléculas de agua que ahí son sujetadas por los iones. El glob ya está listo para ser lavado en agua. Dado que gran parte de la suciedad de la que esperamos deshacernos se mantiene en su lugar mediante películas aceitosas, al quitar los aceites se elimina la suciedad.

Los requisitos estructurales para un jabón (o más generalmente, para un detergente) son una larga cola de hidrocarburo (12 o más carbonos) y una cabeza polar (a menudo iónica). En los detergentes sintéticos, la cola de hidrocarburo generalmente se forma uniendo varias moléculas de etileno y uniéndolas a un anillo de benceno. La parte polar se deriva uniendo covalentemente el azufre de un ion sulfato al anillo de benceno. Aprenderemos más sobre la química de hacerlas más adelante. Si hay pocas ramas en la cola de hidrocarburo, el detergente sintético será biodegradable, una característica importante.