Il gruppo funzionale carbossilico, che caratterizza gli acidi carbossilici, è particolare in quanto esso è composto da due gruppi funzionali già descritti in questo testo. Come si può osservare dalla formula sulla destra, il gruppo carbossilico è costituito da un gruppo ossidrilico legato ad un gruppo carbonilico. E' spesso scritto in forma condensata come –CO2H o –COOH. Altre combinazioni di gruppi funzionali sono state descritte in precedenza, dove sono stati studiati cambiamenti significativi nel comportamento chimico dovuti alle interazioni tra i gruppi (ad es., fenolo e anilina). Nel caso del carbossile, i cambiamenti delle proprietà chimiche e fisiche, dovute alle interazioni dei gruppi idrossilico e carbonilico, sono così profondi che la combinazione di questi due gruppi è trattata solitamente come se fosse un gruppo funzionale distinto e diverso.
Come per le aldeidi, il gruppo carbossilico deve essere posizionato all'estremità di una catena carboniosa. Nel sistema di nomenclatura IUPAC il carbonio carbossilico è designato da numero 1, e gli altri sostituenti vanno localizzati e denominati in conseguenza. Il suffisso IUAC caratteristico del gruppo carbossilico è "-oico", ed occorre prestare attenzione a non confondere questa nomenclatura sistematica con i nomi comuni. Queste due nomenclature sono illustrate nella tabella seguente, insieme a punti di fusione ed ebollizione.
Formula
Nome comune
Origine
Nome IUPAC
P. di fusione
P. di ebollizione
Gli acidi carbossilici sostituiti sono denominati sia con nomi IUPAC, sia con nomi comuni. Se hai qualche incertezza sulle regole di nomenclatura IUPAC, dovresti rivederle ora. Alcuni nomi comuni, come per l'amminoacido treonina, per esempio, non hanno alcuna origine sistematica e devono semplicemente essere ricordati a memoria. In altri casi, i nomi comuni fanno uso della notazione con le lettere greche per gli atomi di carbonio vicini al gruppo funzionale. Alcuni esempi di entrambe le nomenclature sono forniti appresso.
Gli acidi semplici bicarbossilici, che hanno formula generale HO2C–(CH2)n–CO2H (dove n = da 0 a 5), sono noti con i loro nomi comuni: acido ossalico (n = 0), malonico (n = 1), succinico (n = 2), glutarico (n = 3), adipico (n = 4) e pimelico (n = 5).
Gli acidi carbossilici sono diffusi in natura, spesso combinati con altri gruppi funzionali. Gli acidi carbossilici alchilici semplici, composti da quattro a dieci atomi di carbonio, sono liquidi o solidi con basso punto di fusione con odori molto sgradevoli. Gli acidi grassi sono importanti componenti delle biomolecole e sono conosciuti con il nome di lipidi, specialmente sotto forma di grassi ed oli. Come mostrato nella tabella che segue, questi acidi carbossilici a lunga catena sono generalmente denominati con i loro nomi comuni che in molti casi ne riflette l'origine. E' interessante sottolineare che le molecole della maggior parte degli acidi grassi naturali hanno un numero pari di atomi di carbonio. Sono state sintetizzate sostanze analoghe composte da un numero dispari di atomi di carbonio, e sono perfettamente stabili. Poiché la natura fabbrica questi acidi con catena lunga unendo assieme unità di acetato, non sorprende che il numero totale di atomi di carbonio che compongono questi prodotti naturali siano multipli di due. I doppi legami dei composti insaturi elencati sulla destra sono tutti cis (o Z).
P. fusione
Le seguenti formule sono esempi di altri acidi carbossilici che si rinvengono in natura. Le strutture molecolari spaziano da semplici a complesse, e spesso incorporano una varietà di altri gruppi funzionali dei quali molti sono chirali.
Altre combinazioni di gruppi funzionali con il gruppo carbonile possono essere preparati dagli acidi carbossilici e vengono studiati, usualmente, come derivati correlati con questi. Nella tavola seguente, sono elencate cinque comuni classi di derivati degli acidi carbossilici. Sebbene i nitrili non abbiano un gruppo carbonile, essi sono inclusi qui perché gli atomi di carbonio funzionali hanno tutti lo stesso stato di ossidazione. La prima riga (con fondo giallo) mostra la formula generale per ogni classe, mentre la riga successiva (con fondo celeste), ne mostra un esempio specifico per ognuna. Come nel caso delle ammine, le ammidi sono classificate in primarie, secondarie e terziarie, a seconda del numero dei gruppi alchilici legati all'azoto.
I gruppi funzionali di questo genere si trovano in molti tipi di prodotti naturali. Alcuni esempi sono mostrati sotto, con il gruppo funzionale colorato in rosso. La maggior parte delle funzioni sono ammidi o esteri, con la cantaridina quale raro esempio di un'anidride naturale. Gli esteri ciclici sono chiamati lattoni, mentre le ammidi cicliche sono chiamate lattami. La penicillina G ha due funzioni ammidiche, una delle quali è un β-lattame. La lettera greca localizza l'azoto relativo al gruppo carbonile dell'ammide.
La tavola all'inizio di questa pagina mostrava i punti di fusione e di ebollizione di un gruppo di omologhi degli acidi carbossilici aventi da uno a dieci atomi di carbonio. I punti di ebollizione aumentano con regolarità all'aumentare della dimensione, ma non altrettanto per i punti di fusione. Gli acidi non ramificati costituiti da un numero pari di atomi di carbonio, hanno punti di fusione più elevati degli omologhi con numero dispari aventi un atomo di carbonio in più o in meno. Questo fenomeno rispecchia le differenze delle forze attrattive intermolecolari dello stato cristallino. Nella tavola degli acidi grassi, osserviamo che la presenza di un doppio legame cis abbassa significativamente il punto di fusione di un composto. Quindi, fonde a temperatura più bassa di oltre 60º del punto di fusione dell'acido palmitico, ed una simile decrescita avviene per i composti con C18 e C20. Ancora una volta, sono responsabili l'impacchettamento dei cristalli e le forze intermolecolari.
I fattori che influenzano i punti di ebollizione relativi e la solubilità in acqua di vari tipi di composti, sono stati discussi precedentemente. In generale, le forze attrattive di dipolo tra le molecole agiscono in modo da aumentare il punto di ebollizione di un dato composto, con i legami idrogeno che rappresentano un esempio estremo. Il legame idrogeno è anche il fattore principale che interviene nella solubilità dei composti covalenti. Per rinnovare la comprensione di questi principi, cliccare qui. La seguente tavola elenca qualche esempio di queste proprietà, per alcuni composti polari di dimensioni simili (per confronto, nella tavole compare l'idrocarburo non polare esano).
P. molecolare
P. ebollizione
Solubilità in acqua
I primi cinque composti hanno tutti gruppi funzionali dell'ossigeno, ed il punto di fusione relativamente alti dei primi due, è chiaramente dovuto al legame idrogeno. Gli acidi carbossilici hanno punti di fusione eccezionalmente alti, dovuto in larga parte ad associazioni dimeriche che coinvolgono due legami idrogeno. Una formula di struttura del dimero dell'acido acetico è mostrata qui. Quando il puntatore passa sul disegno, ne apparirà la nube elettronica. Gli alti punti di fusione delle ammidi e dei nitrili sono causati in larga parte da forti attrazioni di dipolo, in aggiunta, in alcuni casi, ai legami idrogeno.
Nella tavola seguente, sono elencati i valori del pKa di alcuni tipici acidi carbossilici. Quando confrontiamo questi valori con quelli di alcoli paragonabili, come l'etanolo (pKa = 16) e il 2-metil-2-propanolo (pKa = 19), è chiaro che gli acidi carbossilici sono acidi più forti di oltre dieci potenze di dieci! Inoltre, i sostituenti elettronegativi vicini al gruppo carbossilico agiscono per aumentarne l'acidità.
Composto
pKa
Perché la presenza di un gruppo carbonilico adiacente ad un gruppo ossidrilico dovrebbe avere un tale profondo effetto sull'acidità del protone ossidrilico? Per rispondere a questa domanda, dobbiamo ritornare alla natura degli equilibri acido-base e alla definizione di pKa, illustrati dalle seguenti equazioni generiche. Queste relazioni sono state descritte in un precedente capitolo di questo testo.
Sappiamo che un equilibrio favorisce la posizione termodinamicamente più stabile, e che l'ampiezza della costante di eqilibrio riflette la differenza di energia tra i componenti dei due lati dell'equazione. In un equilibrio acido-base, l'equilibrio favorisce sempre l'acido e la base più deboli (questi sono i componenti più stabili). L'acqua è lo standard utilizzato per le misure del pKa; di conseguenza, qualsiasi cosa che stabilizzi la base coniugata (A:(–)) di un acido, necessariamente renderà quest'acido più forte (H–A) e sposterà l'equilibrio a destra. Sia il gruppo carbossilico che l'anione carbossilato sono stabilizzati dalla risonanza, ma la stabilizzazione dell'anione è più alta della funzione neutra, come mostrato nel diagramma seguente. Nell'anione carbossilato, le due strutture di risonanza hanno ugual peso nell'ibrido, ed i legami C-O hanno lunghezza uguale (tra un doppio ed un singolo legame). Questa stabilizzazione conduce ad un marcato incremento dell'acidità, come illustrato dal diagramma di energia visualizzabile cliccando sul pulsante "Cambia diagramma".
Acidi omologhi del vinile Anche i composti in cui un gruppo ossidrile enolico è coniugato con un gruppo carbonile, mostrano un aumento dell'acidità. Per osservare esempi di tali composti cliccare qui
L'effetto di risonanza qui descritto è indubbiamente ciò che contribuisce maggiormente all'eccezionale acidità degli acidi carbossilici. Tuttavia, anche gli effetti induttivi giocano un proprio ruolo. Per esempio, gli alcoli hanno un pKadi 16 o più, ma la loro acidità viene accresciuta dall'attrazione elettronica dei sostituenti del gruppo alchilico. Il diagramma seguente illustra questo fattore per diversi semplici composti inorganici ed organici (riga 1), e mostra come l'attrazione elettronica induttiva può incrementare l'acidità, anche degli acidi carbossilici (righe 2 e 3). L'idrogeno acido è colorato in rosso in tutti gli esempi.
L'acqua è meno acida del perossido d'idrogeno poiché quest'ultimo è meno elettronegativo dell'ossigeno, ed il legame covalente che unisce questi atomi è polarizzato nel modo indicato dall'illustrazione. Gli alcoli sono leggermente meno acidi dell'acqua, in quanto il carbonio è poco elettronegativo, mentre l'idrato di cloralio, Cl3CCH(OH)2 ed il 2,2,2,-trifluoroetanolo sono significativamente più acidi dell'acqua, a causa dell'attrazione elettronica induttiva degli alogeni elettronegativi (e del secondo ossigeno nell'idrato di cloralio). Nel caso degli acidi carbossilici, se diminuisce il carattere elettrofilo del carbonio del carbonile, diminuisce anche l'acidità dell'acido carbossilico. In modo simile, resta valido anche l'inverso. L'acido acetico è dieci volte più debole dell'acido formico (i primi due composti della seconda riga), confermando il carattere di donatore di elettroni di un gruppo alchilico relativo all'idrogeno, come sottolineato precedentemente in una discussione riguardante la stabilità carbocationica. I sostituenti elettronegativi aumentano l'acidità per attrazione elettronica induttiva. Come atteso, più è alta l'elettronegatività del sostituente, più è grande l'incremento di acidità (F > Cl > Br > I), e più è vicino il sostituente al gruppo carbonilico, più grande ne è l'effetto (isomeri della terza riga). I sostituenti influenzano anche l'acidità dei derivati dell'acido benzoico, ma gli effetti della risonanza entrano in competizione con gli effetti induttivi. Il gruppo metossido è donatore di elettroni ed il gruppo azotato attrae elettroni (gli ultimi tre composti nella tavola dei valori di pKa).
Per ulteriori informazioni riguardanti gli effetti dei sostituenti sull'acidità degli acidi carbossilici cliccare qui
L'atomo di carbonio di un gruppo carbossilico possiede un alto stato di ossidazione. Non è quindi sorprendente che molte delle reazioni utilizzate per la preparazione degli acidi carbossilici siano di ossidazione. Tali reazioni sono state discusse precedentemente in altri paragrafi di questo testo ed il seguente diagramma riassume molte di esse. Per rivedere la precedente discussione per qualunque di queste classi di reazioni, cliccare semplicemente sul numero (da 1 a 4) o sulla intestazione che descrive un determinato gruppo.
Due altri metodi utili per la preparazione degli acidi carbossilici utilizzano l'idrolisi di nitrili e la carbossilazione di intermedi metallorganici. Come mostrato nel diagramma seguente, entrambi i metodi iniziano con un composto organico di un alogeno e terminano con un gruppo carbossilico che rimpiazza l'alogeno. Entrambi i metodi richiedono due stadi di reazione, ma sono complementari in quanto il nitrile intermedio, nel primo procedimento, è generato da una reazione SN2, in cui l'anione cianuro è un precursore nucleofilo del gruppo carbossilico. L'idrolisi può essere catalizzata sia da acidi che da basi, ma quest'ultima fornisce un sale carbossilato come prodotto iniziale. Nel secondo procedimento, l'alogenuro elettrofilo è dapprima trasformato in un derivato metallico fortemente nucleofilo che si addiziona al biossido di carbonio (un elettrofilo). Il prodotto iniziale è un sale dell'acido carbossilico che deve essere liberato dal catione con trattamento con una soluzione acquosa di un acido forte.
Un acido carbossilico preesistente può essere allungato di un gruppo metilenico, con un procedimento di omologia chiamato reazione di Arndt-Eistert. Per saperne di più su questa utile metodologia, cliccare qui.
A causa della loro esaltata acidità, gli acidi carbossilici reagiscono con basi per formare sali ionici, come mostrato nelle equazioni seguenti. Nel caso degli idrossidi dei metalli alcalini e delle ammine semplici (o dell'ammoniaca), i sali risultanti hanno pronunciato carattere ionico e sono generalmente solubili in acqua. I metalli pesanti come l''argento, il mercurio ed il piombo formano sali aventi carattere più covalente (esempio 3) con solubilità in acqua ridotta, specialmente per gli acidi composti da quattro o più atomi di carbonio.
Gli acidi carbossilici ed i loro sali costituiti da catene alchiliche più lunghe di sei atomi di carbonio mostrano un comportamento inusuale in acqua, dovuto alla presenza di regioni idrofile (CO2) ed idrofobe (alchile) nella stessa molecola. Tali molecole sono chiamate anfofili o amfipatici (dal greco: amphi = entrambi). A seconda della natura della porzione idrofila, questi composti, in soluzione acquosa, possono formare uno strato sulla superficie dell'acqua o aggregati simili a sfere detti micelle.
Questa classe di reazioni potrebbe essere chiamata sostituzione elettrofila sull'ossigeno, ed è definita come segue (E rappresenta un elettrofilo). Alcuni esempi di tali sostituzioni sono forniti dalle equazioni dalla 1 alla 4.
Anche gli alchini servono da elettrofili nelle reazioni di sostituzione di questo tipo, come illustrato dalla sintesi del vinil acetato dall'acetilene. Le addizioni dei gruppi carbossilici intramolecolari con gli alcheni danno luogo ad esteri ciclici conosciuti con il nome di lattoni. I lattoni a cinque membri (gamma) e a sei membri (delta) sono quelli che si formano di consueto. Le specie elettrofile quali gli acidi o gli alogeni sono necessari per avviare le lattonizzazioni. Persino lo iodio, che è un debole elettrofilo, avvia la iodiolattonizzazione di acidi insaturi di tipo γ,δ- e δ,ε-. Esempi di queste reazioni possono essere osservati cliccando sul pulsante "Altri esempi".
Le reazioni in cui il gruppo ossidrile di un acido carbossilico è rimpiazzato da un altro gruppo nucleofilo sono importanti per la preparazione dei derivati funzionali degli acidi carbossilici. Gli alcoli forniscono un'utile chimica di riferimento, rispetto alla quale si può studiare questa classe di trasformazioni. E' dimostrato che, in generale, l'ossidrile rappresenta un gruppo di partenza scadente, e, virtualmente, tutte le reazioni degli alcoli in cui esso è inutilizzabile, implicano un'iniziale conversione di -OH in un gruppo di partenza migliore. E' provato che ciò è altrettanto vero anche per gli acidi carbossilici. Nelle seguenti equazioni sono presentate quattro esempi di queste reazioni di sostituzione del gruppo ossidrilico. In ogni esempio, il nuovo legame al gruppo carbonilico è colorato in magenta e l'atomo nucleofilo, che ha sostituito l'ossigeno dell'ossidrile, è colorato in verde. La parte ossidrilica vine spesso perduta sotto forma di acqua, ma nella reazione 1, l'idrogeno è perduto sotto forma di HCl e l'ossigeno si ritrova in SO2. Questa reazione è parallela alla trasformazione simile degli alcloli in cloruri di alchile, sebbene il meccanismo sia differente. Altri reagenti, capaci di produrre una simile conversione ad alogenuri acilici, sono PCl5 e SOBr2. Le formazioni delle ammidi e delle anidridi mostrate nelle equazioni 2 e 3 richiedono un forte riscaldamento, mentre i procedimenti più miti che realizzano queste trasformazioni, saranno descritti nel prossimo capitolo.
La reazione 4 è chiamata esterificazione, poiché viene utilizzata comunemente per convertire acidi carbossilici nei loro esteri derivati. Gli esteri possono essere preparati in molti modi differenti; per la precisione, le equazioni 1 e 4 del diagramma precedente, illustrano la formazione di trt-butile e di esteri metilici, rispettivamente. La formazione di acetato di etile, catalizzata da acidi, dall'acido acetico ed etanolo, qui mostrata, è reversibile, con una costante di equilibrio prossima a 2. La reazione può essere forzata al completamento con la rimozione dell'acqua che si va formando. Questo tipo di esterificazione è spesso denominata esterificazione di Fischer. Come atteso, la reazione inversa, l'idrolisi dell'estere catalizzata da acidi, può essere realizzata aggiungendo un eccesso di acqua. Un esame approfondito di questa reazione (la 4), conduce a chiedersi perché essa viene classificata come sostituzione dell'ossidrile, anziché come una sostituzione dell'idrogeno. Le seguenti equazioni, in cui l'atomo di ossigeno ossidrilico dell'acido carbossilico è colorato in rosso e quello dell'alcool in blu, illustrano questa distinzione (notare che i composti di partenza sono al centro).
Allo scopo di classificare questa reazione correttamente e stabilirne un meccanismo plausibile, l'atomo di ossigeno dell'alcool è stato marcato con 18O (colorato in blu nella nostra equazione). Dal momento che questo ossigeno è stato rinvenuto nell'estere prodotto e non nell'alcool, è il gruppo ossidrilico che deve essere stato rimpiazzato nella sostituzione. Un meccanismo per questa generica reazione di esterificazione è visualizzabile cliccando sul pulsante "Meccanismo di esterificazione"; inoltre, una volta comparso il diagramma del meccanismo, possono essere osservate le coordinate di reazione cliccando sulla punta della freccia verde "diagramma di energia". I meccanismi di addizione-eliminazione di questo genere procedono attraverso intermedi tetraedrici (come lo sono A e B, nel diagramma di energia) e sono comuni nelle reazioni di sostituzione acilica. La catalisi acida è necessaria per incrementare il carattere elettrofilo dell'atomo di carbonio del carbossile, grazie alla quale esso si legherà più velocemente all'ossigeno nucleofilo dell'alcool. La catalisi basica non è utile perché la base converte l'acido nella sua base coniugata costituita dall'anione carbossilato, un specie in cui il carattere elettrofilo del carbonio risulta ridotto. Dal momento che un intermedio tetraedrico occupa più spazio di un gruppo carbonile planare, dovremmo attenderci che la velocità di questa reazione sia ritardata dall'utilizzo di reagenti voluminosi. Per verificare questa previsione, l'esterificazione dell'acido acetico è stata confrontata con quella dell'acido 2,2-dimetilpropanoico, (CH3)3CO2H. Qui, il gruppo metilico, relativamente piccolo, dell'acido acetico è rimpiazzato da un più grande gruppo tert-butilico, e l'acido più grosso così ottenuto ha reagito cinquanta volte più lentamente dell'acido acetico. Con l'aumento del volume dell'alcool reagente, si ottiene una simile riduzione della velocità di reazione.
L'atomo di carbonio di un gruppo carbossilico è in uno stato di ossidazione relativamente alto. La riduzione ad alcool primario, ha luogo rapidamente a seguito di trattamento con il potente reagente costituito da un idruro metallico, come mostrato dalla seguente equazione. Un terzo dell'idruro viene perso sotto forma di idrogeno gassoso, con il prodotto iniziale che consiste di sali metallici che devono essere idrolizzati per ottenere l'alcool. Queste riduzioni avvengono per addizione dell'idruro al carbonio carbonilico, nello stesso modo studiato in precedenza per le aldeidi ed i chetoni. Il sale dell'idrato carbonilico che ne risulta, si decompone in un'aldeide che subisce ulteriore riduzione.
Il diborano, B2H6, riduce il gruppo carbossilico in un modo simile. Il boroidruro di sodio, NaBH4, non riduce gli acidi carbossilici; tuttavia, si libera idrogeno gassoso formando sali dell'acido. Non è possibile ottenere direttamente le aldeidi per riduzione parziale degli acidi carbossilici, ma tali conversioni sono state realizzate in due stadi attraverso certi derivati carbossilici. Questo procedimento sarà descritto più avanti.
Poiché esso si trova già in uno stato di ossidazione elevato, una ulteriore ossidazione rimuove il carbonio del carbossile sotto forma di biossido di carbonio. A seconda delle condizioni di reazione, lo stato di ossidazione della restante struttura organica può essere più elevato, più basso o invariato. Le seguenti reazioni sono tutti esempi di decarbossilazione (perdita di CO2). Nella prima, il bromo prende il posto del gruppo carbossilico, da cui vengono ossidati entrambi l'atomo di carbonio carbossilico e la rimanente parte organica. Anche i sali dell'argento sono stati utilizzati per avviare questa trasformazione conosciuta con il nome di reazione di Hunsdiecker. La seconda reazione rappresenta un'interessante doppia decarbossilazione, in cui gli atomi del residuo organico mantengono i loro stati di ossidazione originale. Anche il piombo tetracetato ossiderà gli acidi monocarboossilici in un modo simile a quello della reazione 1. Infine, il terzo esempio la generica decarbossilazione degli acidi β-chetonici, che lascia il residuo organico in uno stato ridotto (notare che il carbonio di CO2 vede aumentato il suo stato di ossidazione).
Cliccando sul diagramma, si potranno osservare tre altri esempi delle reazioni di Hunsdiecker ed un meccanismo proposto per queste trasformazioni. Notare che il meta-dialogenobenzene, che si forma nella reazione 4 potrebbe non essere realizzabile con reazioni dirette di alogenazione, dal momento che il cloro ed il bromo sono sostituenti che si dirigono sulle posizioni orto e para. Inoltre, si possono preparare vari derivati dello ioduro direttamente dai corrispondenti acidi carbossilici. Un sale carbossilico di un metallo pesante si trasforma in un ipoalogenuro acilico per azione di un alogeno. Il debole legame ossigeno-alogeno di questo intermedio si rompe omoliticamente quando viene riscaldato o esposto alla luce, con il risultante radicale carbossilico che si decarbossila ad alchile o a radicale arilico. Da qui nasce una reazione catena che ripete questi eventi. Poiché gli ipoalogenuri acilici sono fonte di alogeni elettrofili, questa reazione prende un corso diverso quando sono presenti doppi legami e derivati reattivi del benzene. Al riguardo, ricordare l'addizione dei reagenti ipoalogenati ai doppi legami e la facile reazione di bromurazione dell'anisolo.
Per avere un sommario delle reazioni basilari degli acidi crbossilici, cliccare qui.
I seguenti problemi rivisitano molti aspetti della chimica degli acidi carbossilici. Le prime due domande riguardano la nomenclatura, compreso quella di alcuni derivati carbossilici. La terza e la quarta domanda si concentrano sull'acidità relativa di composti selezionati. la quinta chiede di disegnare il prodotto di una reazione partendo da 48 possibili combinazioni di acidi carbossilici e reagenti.