1.12: Ácidos Carboxílicos

Oxidación de alcoholes primarios

Hay dos tipos de reacciones que pueden producir ácidos carboxílicos. Analizaremos primero aquellos que dependen de la oxidación de grupos desde un nivel de oxidación más bajo (menos oxígenos, más hidrógenos). Entonces veremos que hay reacciones que hacen un enlace carbono-carbono en el camino hacia la elaboración de un ácido carboxílico.

Como podría sospechar, los ácidos carboxílicos se pueden producir por grupos oxidantes que están menos oxidados. El más importante de estos es el grupo de alcohol primario. Una reacción típica es:

Reconocemos al agente oxidante, dicromato de potasio, como el mismo reactivo que se utilizó en la oxidación de aldehídos a ácidos carboxílicos. El cromo se encuentra en el nivel de oxidación seis en dicromatos y se reduce al nivel de oxidación tres en este proceso. Los detalles de la reducción del cromato son complejos, y no nos preocuparemos por ellos. La oxidación de aldehídos también produce ácidos carboxílicos, pero dado que los aldehídos se hacen menos fácilmente que los ácidos carboxílicos, este proceso no se usa mucho.

Oxidación de cadenas laterales en anillos aromáticos

Otro proceso oxidativo parece al principio no involucrar a un grupo funcional. Los grupos alquilo (generalmente grupos metilo) unidos directamente a un anillo aromático también se oxidan a ácidos carboxílicos. Dado que el grupo metilo contiene solo enlaces sigma C-H, no parece un lugar probable para la reacción. Sin embargo, está influenciado por el anillo aromático neigboreante, por lo que se produce la reacción. Esto es algo así como la reactividad especial de los enlaces alfa C-H de una cetona o aldehído. Aquí hay un ejemplo:

Recuerde, esta reacción requiere la presencia de un anillo aromático junto al grupo alquilo que se va a oxidar. Cualquier carbono más allá del primero se pierde en este proceso, que es una de las pocas reacciones que rompe un enlace carbono-carbono.

Hacer un enlace carbono-carbono

Hay dos secuencias de reacción que hacen enlaces carbono-carbono en el camino hacia los ácidos carboxílicos. El primero es otro uso del reactivo Grignard. Recuerda que los reactivos de Grignard reaccionan con compuestos carbonílicos para elaborar alcoholes. Si bien no solemos pensarlo de esa manera, el dióxido de carbono es un compuesto carbonilo (O=C=O). Si se usa un reactivo de Grignard para entregar un átomo de carbono nucleófilo al carbono carbonilo del dióxido de carbono, obtenemos un ácido carboxílico (después de inactivarlo con ácido acuoso).

El ataque del reactivo de Grignard sobre el dióxido de carbono es directamente análogo al mismo paso en reacciones de otros compuestos carbonílicos:

Aquí está la secuencia completa presentada en el formato más compacto que usamos para las adiciones de Grignard anteriormente:

Observe que el producto tiene un carbono más que el bromoalcano con el que comenzamos, y que este carbono está en un grupo ácido carboxílico.

También hay otra manera de hacer un nuevo enlace de carbono y terminar con un ácido carboxílico. Si tenemos un haluro de alquilo primario (primario significa que el carbono que está unido al halógeno está unido a solo otro átomo de carbono, son otros dos enlaces son al hidrógeno), podemos reaccionarlo con cianuro de sodio. El ion cianuro reemplazará al halógeno, y esto crea un nuevo enlace carbono-carbono. El producto se llama nitrilo. Su triple enlace carbono-nitrógeno puede hidrolizarse con ácido acuoso para producir un ácido carboxílico. La secuencia es la siguiente (normalmente, el nitrilo se aísla y luego se hidroliza en una reacción separada):

No vamos a ver ahora los detalles de los mecanismos de ninguna de estas reacciones. Podrías especular provechosamente sobre la hidrólisis del nitrilo. Se podría comenzar pensando que el triple enlace C-N es como un grupo carbonilo. Después de todo, sí incluye un enlace pi entre carbono y un átomo electronegativo, al igual que el enlace pi en un grupo carbonilo.

Fortalezas a ácidos y bases

El problema restante con los ácidos carboxílicos es entender por qué son ácidos. Podemos experimentar su acidez probando el vinagre, que es una solución diluida de ácido acético en agua. El modelo de ácidos de Lowry-Bronsted es útil para esto. Refresquemos nuestros recuerdos sobre este modelo y sobre la interpretación del término pK _a.

Cuando pensamos en ácidos usando el modelo de Lowry-Bronsted, pensamos en una molécula que puede donar un protón (H ⁺). Una base es una molécula que puede aceptar un protón (usando el par de electrones que son la característica definitoria de una base de Lewis). Los ácidos más fuertes donan protones fácilmente a bases más fuertes. Los productos de esta transacción son ácidos más débiles y bases más débiles. Aquí está el patrón.

Observe particularmente que un ácido fuerte es fuerte porque dona fácilmente un protón. Eso significa que su base conjugada (la base que permanece después de que el protón se ha ido) es débil. Después de todo, si la base fuera fuerte, agarraría el protón hacia atrás y el ácido no podría regalarlo. Cuando describimos un ácido como fuerte, al decir que tiene _un pK a pequeño, también estamos diciendo que su base conjugada es débil. El HCl es un ácido fuerte (pK _a -7). Cuando decimos eso, también estamos diciendo que Cl ^- es una base débil. _{La base conjugada de un ácido cuyo pK a es pequeño o negativo es una base débil. Esto significa que podemos usar un pK una tabla como el Cuadro 2.1 en p 43 de Brown para realizar un seguimiento tanto de la acidez (los ácidos fuertes tienen pK a pequeños o negativos) como de basicidad (las bases débiles provienen de ácidos fuertes con pK a pequeños o negativos).}

Acidez de ácido carboxílico - basicidad de iones carboxilato

Esto también significa que podemos reafirmar la pregunta “¿Por qué los ácidos carboxílicos son ácidos?” decir “¿Por qué las bases conjugadas de los ácidos carboxílicos son bases tan débiles?” Para poner esto en contexto, observe que los ácidos carboxílicos tienen pK _a de aproximadamente 5, mientras que el agua y los alcoholes tienen pK _a de aproximadamente 16. ¿Qué hace que la base conjugada (la llamaremos ion carboxilato) de un ácido carboxílico sea tan débil en comparación con un ion hidróxido (OH ^-) o alcóxido (RO ^-)?

Como es habitual, trataremos de encontrar nuestras explicaciones en estructura. Hay una diferencia obvia entre un ion carboxilato y un ion alcóxido. El ion carboxilato tiene dos oxígenos electronegativos a solo uno para el ion alcóxido. Estos átomos electronegativos sostendrían los pares de electrones con mayor fuerza, lo que significa que los pares de electrones estarían menos disponibles para hacer un enlace a un protón. Menos pares de electrones disponibles significan una base más débil.

Eso explica parte de la debilidad de los iones carboxilato como bases, pero también hay una característica más sutil. Observe que podemos mover electrones entre situaciones de unión pi y pares no compartidos sin cambiar la estructura del ion carboxilato. Reconocemos esto como resonancia y reconocemos que disminuirá la energía de un ion carboxilato en comparación con la de un ion alcóxido en el que dicha resonancia no es posible. Una energía más baja significa más estable, más fácil de formar y menos reactiva, todo lo cual se suma a una base más débil. En consecuencia, el ácido carboxílico conjugado es más fuerte que uno cuya base conjugada no tiene la posibilidad de resonancia.

El resultado algo paradójico de esto es que los ácidos carboxílicos son ácidos más fuertes que los alcoholes porque los iones carboxilato, sus bases conjugadas, son bases más débiles que los alcóxidos. Esto se debe en gran parte a la estabilización por resonancia de los iones carboxilato, lo que no puede ocurrir en los alcóxidos.

Esta comprensión de la estructura de los iones carboxilato también nos ayuda a entender cómo es que cuando un reactivo de Grignard reacciona con dióxido de carbono, solo reacciona uno de los dos grupos carbonilo. El producto de esta reacción es un ion carboxilato. Se estabiliza por resonancia por lo que la estructura “real” está aproximadamente a medio camino entre las dos estructuras de resonancia. Eso significa que cada enlace C-O está a medio camino entre un enlace sencillo y uno doble, un enlace y medio. Tal enlace sería mucho menos reactivo que el doble enlace de un grupo carbonilo, por lo que no es sorprendente que el reactivo de Grignard reaccione con dióxido de carbono con preferencia al ion carboxilato.