Àcid carboxílic
Els àcids carboxílics constitueixen un grup de composts que es caracteritza pel fet que posseeixen un grup funcional anomenat grup carboxil o grup carboxi (–COOH); es produeix quan coincideixen sobre el mateix carboni un grup hidroxil (-OH) i carbonil (C=O). Es pot representar com COOH o CO₂H.
Característiques i propietats
[modifica]Els derivats dels àcids carboxílics tenen com a fórmula general R-COOH. Té propietats àcides; els dos àtoms d'oxigen són electronegatius i tendeixen a atraure als electrons de l'àtom d'hidrogen del grup hidroxil amb el que es debilita l'enllaç i és més fàcil que se cedeixi el corresponent protó, H+, quedant el neutró de l'àcid, R-COO-. A més, en aquest anió, la càrrega negativa es distribueix (es deslocalitza) simètricament entre els dos àtoms d'oxigen, de forma que els enllaços carboni-oxigen adquireixen un caràcter d'enllaç parcialment doble.
Generalment els àcids carboxílics són àcids dèbils, amb només un 1% de les seves molècules dissociades per a donar els corresponents ions, a temperatura ambient i en dissolució aquosa. Però si són més àcids que altres, en els que no es produeix aquesta deslocalitzacio electrònica, com per exemple els alcohols. L'ió resultant, R-COO-, s'anomena amb el sufix "-at". Per exemple, l'anió procedent de l'àcid acètic s'anomena ió acetat. Al grup COO- se l'anomena carboxilat.
Propietats físiques
[modifica]Els àcids de massa molar baixa (fins a deu àtoms de carboni) són líquids incolors, d'olor molt desagradable. L'olor del vinagre es deu a l'àcid acètic; el de la mantega rància a l'àcid butíric. L'àcid caproic es troba en el cabell i secrecions del bestiar caprí. Els àcids C5 a C10 posseeixen olors a “cabra”. La resta sòlids cerosos e inodors a temperatura ambient. Els seus punts de fusió i ebullició creixen en augmentar la massa molar.
Els àcids inferiors són solubles en aigua; la seva solubilitat decreix a partir de l'àcid butíric amb l'augment del caràcter hidrocarbonat de la molècula. Tots els àcids són solubles en solvents orgànics.
Síntesi
[modifica]Rutes industrials
[modifica]Les rutes industrials als àcids carboxílics difereixen generalment de les utilitzades a petita escala perquè requereixen equipament especialitzat.
- Oxidació d'aldehids amb aire, utilitzant catalitzadors de cobalt i magnesi. Els aldehids necessaris són obtinguts fàcilment a partir d'alquens per hidroformilació.
- Oxidació d'hidrocarburs utilitzant aire. Per als alcans més simples, el mètode no és selectiu. Els compostos al·lílics i benzílics pateixen oxidacions més selectives. Els grups alquil en un anell benzenic s'oxiden a l'àcid carboxílic, sense importar la longitud de la cadena. La formació d'àcid benzoic a partir del tolué, d'àcid tereftàtalic a partir del p-xilé, i d'àcid ftàlic a partir de o-xilè, són algunes conversions il·lustratives a gran escala. L'àcid acrílic és generat a partir del propè.[1]
- Deshidrogenació d'alcohols, catalitzada per bases.
- La carbonilació és el mètode més versàtil quan va acompanyat a l'addició d'aigua. Aquest mètode és efectiu per alquens que generen carbocations secundaris i terciaris, per exemple, d'isobutilè a àcid pivàlic. En la reacció de Koch, l'addició d'aigua i monòxid de carboni a alquens està catalitzat per àcids forts. L'àcid acètic i l'àcid fòrmic són produïts per la carbonilació del metanol, portada a terme amb iode i alcòxid, els quals actuen com a promotors, i freqüentment amb altes pressions de monòxid de carboni, generalment involucrant diversos passos hidrolitics addicionals, en els procés Monsanto i procés Cativa. Les hidrocarboxilacions involucren l'addició simultània d'aigua y CO. Aquestes reaccions són anomenades algunes vegades com “Química de Reppe”:
- HCCH + CO + H₂O → CH₂=CHCO₂H
- Alguns àcids carboxílics de cadena llarga són obtinguts per la hidròlisi dels triglicèrids obtinguts d'olis i grasses de plantes i animals. Aquests mètodes estan relacionats a l'elaboració de sabó.
Mètodes de laboratori
[modifica]Els mètodes de preparació per a reaccions a petita escala amb fins d'investigació, instrucció, o producció de petites quantitats de químics, solen utilitzar reactius cars.
- L'oxidació d'alcohols primaris amb agents oxidants forts com el dicromat de potassi, el reactiu de Jones, el permanganat de potassi o el clorit de sodi. El mètode és adequat a les condicions de laboratori, comparat amb l'ús industrial de l'aire, però aquest últim és més ecològic, ja que condueix a menys subproductos inorgànics, com òxids de crom o magnesi.
- Ruptura oxidativa d'olefines, per ozonòlisi, permanganat de potassi o dicromat de potassi.
- Els àcids carboxílics també poden obtenir-se per la hidròlisi dels nitrils, èsters, o amides, generalment amb catàlisi àcida o bàsica.
- Carbonilació d'un reactiu d'organoliti o Grignard:
- RLi + CO₂ RCO₂Li
- RCO₂Li + HCl RCO₂H + LiCl
- Halogenació de metilcetones, seguida per hidròlisi en la reacció de l'haloform.
- La reacció de Kolbe-Schmitt, que proveeix una ruta de síntesi a l'àcid salicílic, precursor de l'aspirina.
Reaccions menys comuns
[modifica]Moltes reaccions condueixen a àcids carboxílics, però són utilitzades només en casos molt específics, o principalment són d'interès acadèmic:
- Desproporció d'un aldehid en la reacció de Cannizzaro.
- Recomposició de dicetones, en la recomposició de l'àcid benzílic, involucrant la generació d'àcids benzoics en la reacció de von Richter, a partir de nitrobenzens, i en la reacció de Kolbe-Schmitt, a partir de fenols.
Reaccions
[modifica]Els àcids carboxílics reaccionen amb bases per a formar sals. En aquestes sals l'hidrogen del grup OH es substitueix amb l'ió d'un metall, per exemple Na+. D'aquesta manera, l'àcid acètic reacciona amb hidrogencarbonat de sodi per a donar acetat de sodi, diòxid de carboni i aigua.
- CH₃COOH + NaHCO₃ → CH₃COONa + CO₂ + H₂O
Els grups carboxils reaccionen amb els grups amino per a formar amides. En el cas d'aminoàcids que reaccionen amb altres aminoàcids per donar proteïnes, a l'enllaç de tipus amida que es forma i s'anomena enllaç peptídic. Igualment, els àcids carboxílics poden reaccionar amb alcohols per a formar èsters, o bé amb halogenurs per a formar halogenurs d'àcid, o entre si per a formar anhídrids. Els èsters, anhídrids, halogenurs d'àcid i amides s'anomenen derivats d'àcid.
Nomenclatura
[modifica]Els noms dels àcids carboxílics es designen segons la font natural de la qual inicialment es van aïllar. Es van classificar així:
Estructura | Nom IUPAC | Nom comú | Font natural |
---|---|---|---|
HCOOH | Àcid metanoic | Àcid fòrmic | Destil·lació destructiva de formigues (formica en llatí) |
CH₃COOH | Àcid etanoic | Àcid acètic | Fermentació del vi |
CH₃CH₂COOH | Àcid propanoic | Àcid propiònic | Fermentació de làctics (pion en grec) |
CH₃CH₂CH₂COOH | Àcid butanoic | Àcid butíric | Mantega (butyrum, en llatí) |
CH₃(CH₂)₃COOH | Àcid pentanoic | Àcid valèric | Arrel de la Valeriana officinalis |
CH₃(CH₂)₄COOH | Àcid hexanoic | Àcid caproic | Greix de cabra |
En el sistema IUPAC els noms dels àcids carboxílics es formen afegir “oic”, i anteposant la paraula àcid.
L'esquelet dels àcids alcanoics s'enumera assignant el Nº 1 al carboni carboxílic i continuant per la cadena més llarga que inclogui el grup COOH.
Exemples d'àcids carboxílics
[modifica]- HCOOH àcid fòrmic (es troba en insectes, es refereix a les formigues)
- CH₃COOH àcid acètic o etanoic (es troba al vinagre)
- HOOC-COOH àcid etanodioic, també anomenat àcid oxàlic,
- CH₃CH₂COOH àcid propanoic
- C₆H₅COOH àcid benzoic (el benzoat de sodi, la sal de sodi de l'àcid benzoic s'utilitza com a conservant)
- Àcid làctic
- Tots els aminoàcids contenen un grup carboxil i un grup amino. Quan reacciona el grup carboxil d'un aminoàcid amb el grup amino d'un altre es forma un enllaç amida anomenat enllaç peptídic. Les proteïnes són polímers d'aminoàcids i tenen en un extrem un grup carboxil terminal.
- Tots els àcids grassos són àcids carboxílics. Per exemple, l'àcid palmític, àcid pelargònic, esteàric, oleic, linoleic, etcètera. Aquests àcids amb la glicerina formen èsters anomenats triglicèrids.
- Les sals d'àcids carboxílics de cadena llarga s'utilitzen com a tensoactius. Per exemple, l'estearat de sodi (octadecanoat de sodi), de fórmula CH₃(CH₂)16COO-Na+
- Cianoacrilat
Referències
[modifica]- ↑ Wilhelm Riemenschneider “Carboxylic Acids, Aliphatic” in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2002, Wiley-VCH, Weinheim. doi: 10.1002/14356007.a05_235