Ácido carboxílico

Los ácidos carboxílicos son polares . Debido a que son tanto aceptores de enlaces de hidrógeno (el carbonilo −C(=O)− ) como donadores de enlaces de hidrógeno (el hidroxilo −OH ), también participan en enlaces de hidrógeno . Juntos, el grupo hidroxilo y el grupo carbonilo forman el grupo funcional carboxilo. Los ácidos carboxílicos generalmente existen como dímeros en medios no polares debido a su tendencia a "autoasociarse". Los ácidos carboxílicos más pequeños (de 1 a 5 carbonos) son solubles en agua, mientras que los ácidos carboxílicos más grandes tienen solubilidad limitada debido a la creciente naturaleza hidrofóbica de la cadena alquílica. Estos ácidos de cadena más larga tienden a ser solubles en disolventes menos polares como éteres y alcoholes. ^{[ 4 ]} El hidróxido de sodio acuoso y los ácidos carboxílicos, incluso los hidrofóbicos, reaccionan para producir sales de sodio solubles en agua. Por ejemplo, el ácido enántico tiene una baja solubilidad en agua (0,2 g/L), pero su sal de sodio es muy soluble en agua.

Los ácidos carboxílicos suelen tener puntos de ebullición más altos que el agua, debido a su mayor superficie y a su tendencia a formar dímeros estabilizados mediante enlaces de hidrógeno . Para que se produzca la ebullición, deben romperse los enlaces del dímero o vaporizarse toda la estructura dimérica, lo que aumenta significativamente los requisitos de entalpía de vaporización .

Los ácidos carboxílicos son ácidos de Brønsted-Lowry porque son donadores de protones (H ⁺ ). Son el tipo más común de ácido orgánico . ^{[ 5 ]}

_Los ácidos carboxílicos son típicamente ácidos débiles , lo que significa que solo se disocian parcialmente en cationes [ H₃O ] ^⁺ y aniones R−CO⁻₂ en solución acuosa neutra . Por ejemplo, a temperatura ambiente, en una solución 1 molar de ácido acético , solo el 0,001% del ácido se disocia (es decir, 10⁻⁵ moles ^de 1 mol). Los sustituyentes electroatractores como el trifluorometilo ( −CF₃ ) dan ácidos más fuertes (el pKa _del ácido acético es 4,76, mientras que el ácido trifluoroacético, con un _sustituyente trifluorometilo , tiene un _pKa de 0,23). Los sustituyentes electrodonadores dan ácidos más débiles (el pKa del ácido fórmico es 3,75, mientras que el ácido acético, con un sustituyente metilo , tiene un _pKa de 4,76) ^{[ 6 ]} _. 

La desprotonación de los ácidos carboxílicos produce aniones carboxilato; estos se estabilizan por resonancia , ya que la carga negativa se deslocaliza entre los dos átomos de oxígeno, lo que aumenta la estabilidad del anión. Cada uno de los enlaces carbono-oxígeno del anión carboxilato presenta un carácter _de doble enlace parcial. La carga positiva parcial del carbono carbonílico también se ve debilitada por las cargas negativas de −1/2 ^presentes en los dos átomos de oxígeno.

Los ácidos carboxílicos suelen tener olores ácidos fuertes. Los ésteres de ácidos carboxílicos tienden a tener olores afrutados y agradables, y muchos se utilizan en perfumería . ^{[ 9 ]}

Los ácidos carboxílicos se identifican fácilmente como tales mediante espectroscopia infrarroja . Presentan una banda nítida asociada a la vibración del enlace carbonilo C=O ( ν _C=O ) entre 1680 y 1725 ^cm⁻¹  . Una banda ν _O–H característica aparece como un pico ancho en la región de 2500 a 3000 cm⁻¹. ^[ 4 ^{] [ 10 ] Mediante espectrometría} de RMN de ^¹H , el hidrógeno hidroxílico aparece en la región de 10–13 ppm, aunque a menudo está ensanchado o no se observa debido al intercambio con trazas de agua. 

La ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa/oxigenasa (también conocida como RuBisCo), la proteína más abundante, cataliza la carbonatación para producir ácidos carboxílicos. Esta conversión constituye el paso de fijación de carbono en la fotosíntesis . ^{[ 12 ]} Las rutas hacia otros ácidos carboxílicos biológicamente prevalentes (ácido cítrico, ácido oxálico, aminoácidos, etc.) implican la hidrólisis de tioésteres y ésteres de fosfato.

A diferencia de los métodos utilizados a escala de laboratorio, las rutas industriales para la obtención de ácidos carboxílicos suelen requerir equipos especializados para altas presiones y altas temperaturas.

• Carbonilación de alcoholes, como lo ilustra el proceso Cativa para la producción de ácido acético. El ácido fórmico se prepara mediante una ruta de carbonilación diferente, que también parte del metanol.
• Oxidación de aldehídos con aire utilizando catalizadores de cobalto y manganeso. Los aldehídos necesarios se pueden obtener a partir de alquenos mediante hidroformilación .
• Oxidación de hidrocarburos con aire. Para alcanos simples, este método es económico pero no lo suficientemente selectivo como para ser útil. Los compuestos alílicos y bencílicos experimentan oxidaciones más selectivas. Los grupos alquilo en un anillo de benceno se oxidan al ácido carboxílico, independientemente de la longitud de su cadena. El ácido benzoico a partir de tolueno , el ácido tereftálico a partir de para - xileno y el ácido ftálico a partir de orto - xileno son ejemplos de conversiones a gran escala. El ácido acrílico se genera a partir de propeno . ^{[ 13 ]}
• Hidrocarboxilación de alquenos. Este método es eficaz para alquenos que generan carbocationes secundarios y terciarios , por ejemplo, isobutileno a ácido piválico . En la reacción de Koch , la adición de agua y monóxido de carbono a alquenos o alquinos es catalizada por ácidos fuertes. Las hidrocarboxilaciones implican la adición simultánea de agua y CO₂ . Estas reacciones a veces se denominan " química de Reppe ".

HC≡CH + CO + H ₂ O → CH ₂ =CH−CO ₂ H

• Hidrólisis de ésteres. Los triglicéridos , obtenidos a partir de aceites vegetales o animales, son precursores de ácidos carboxílicos de cadena larga y están relacionados con la fabricación de jabón .
• Fermentación de etanol. Este método se utiliza en la producción de vinagre .
• La carbonatación , como la reacción de Kolbe-Schmitt, es una vía para obtener ácido salicílico , precursor de la aspirina .

Los métodos preparativos para reacciones a pequeña escala, ya sea para investigación o para la producción de productos químicos finos, suelen emplear reactivos consumibles costosos.

• Oxidación de alcoholes primarios o aldehídos con oxidantes fuertes como dicromato de potasio , reactivo de Jones , permanganato de potasio o clorito de sodio . Este método es más adecuado para condiciones de laboratorio que el uso industrial de aire, que es más ecológico porque produce menos subproductos inorgánicos como óxidos de cromo o manganeso. ^{[ 14 ]}
• Ruptura oxidativa de olefinas mediante ozonólisis , permanganato de potasio o dicromato de potasio .
• Hidrólisis de nitrilos , ésteres o amidas , generalmente mediante catálisis ácida o básica.
• Carbonatación de un reactivo de Grignard ^{[ 15 ] [ 16 ]} y reactivos de organolitio :

RLi + CO ₂ → RCO − 2 Li ⁺

RCO − 2 Li ⁺ + HCl → RCO ₂ H + LiCl

• Halogenación seguida de hidrólisis de metilcetonas en la reacción de haloformo.
• Ruptura catalizada por bases de cetonas no enolizables, especialmente arilcetonas : ^{[ 17 ]}

R−C(=O)− Ar + H ₂ O → R−CO ₂ H + ArH

Muchas reacciones producen ácidos carboxílicos, pero se utilizan solo en casos específicos o son principalmente de interés académico.

• Desproporción de un aldehído en la reacción de Cannizzaro
• Reordenamiento de dicetonas en el reordenamiento del ácido bencílico
• Entre las reacciones que implican la generación de ácidos benzoicos se encuentran la reacción de von Richter a partir de nitrobencenos y la reacción de Kolbe-Schmitt a partir de fenoles .

Los ácidos carboxílicos reaccionan con bases para formar sales de carboxilato, en las que el hidrógeno del grupo hidroxilo (–OH) se reemplaza por un catión metálico . Por ejemplo, el ácido acético presente en el vinagre reacciona con bicarbonato de sodio para formar acetato de sodio , dióxido de carbono y agua.

CH ₃ COOH + NaHCO ₃ → CH ₃ COO ^- Na ⁺ + CO ₂ + H ₂ O

Las reacciones más comunes convierten los ácidos carboxílicos en ésteres , amidas , sales de carboxilato , cloruros de ácido y alcoholes . Su conversión a ésteres se utiliza ampliamente, por ejemplo, en la producción de poliésteres . De igual modo, los ácidos carboxílicos se convierten en amidas , pero esta conversión no suele producirse por reacción directa del ácido carboxílico con la amina. En cambio, los ésteres son precursores típicos de las amidas. La conversión de aminoácidos en péptidos es un proceso bioquímico importante que requiere ATP .

La conversión de un ácido carboxílico en una amida es posible, pero no sencilla. En lugar de actuar como nucleófilo, una amina reacciona como base en presencia de un ácido carboxílico para dar la sal de carboxilato de amonio . Calentar la sal por encima de 100  °C elimina el agua y conduce a la formación de la amida. Este método de síntesis de amidas es importante a nivel industrial y también tiene aplicaciones en laboratorio. ^{[ 18 ]} En presencia de un catalizador ácido fuerte, los ácidos carboxílicos pueden condensarse para formar anhídridos de ácido. Sin embargo, la condensación produce agua, que puede hidrolizar el anhídrido de nuevo a los ácidos carboxílicos de partida. Por lo tanto, la formación del anhídrido por condensación es un proceso de equilibrio.

En condiciones catalizadas por ácido, los ácidos carboxílicos reaccionan con alcoholes para formar ésteres mediante la reacción de esterificación de Fischer , que también es un proceso de equilibrio. Alternativamente, se puede usar diazometano para convertir un ácido en un éster. Si bien las reacciones de esterificación con diazometano suelen dar rendimientos cuantitativos, el diazometano solo es útil para la formación de ésteres metílicos. ^{[ 18 ]}

Al igual que los ésteres , la mayoría de los ácidos carboxílicos pueden reducirse a alcoholes mediante hidrogenación o utilizando agentes de transferencia de hidruro como el hidruro de litio y aluminio . Los agentes de transferencia de alquilo fuertes, como los compuestos de organolitio (pero no los reactivos de Grignard) , reducen los ácidos carboxílicos a cetonas, transfiriendo el grupo alquilo.

El reactivo de Vilsmaier ( cloruro de N , N -dimetil(clorometileno)amonio; [ ClHC=N ⁺ (CH₃ ₎ ₂ _] Cl⁻ ⁾ es un agente altamente quimioselectivo para la reducción de ácidos carboxílicos. Activa selectivamente el ácido carboxílico para dar la sal de carboximetilenamonio, que puede reducirse con un reductor suave como el hidruro de tris( t -butoxi)aluminio de litio para obtener un aldehído en un solo paso. Se sabe que este procedimiento tolera funcionalidades carbonílicas reactivas como la cetona, así como grupos éster, olefina, nitrilo y haluro moderadamente reactivos. ^{[ 19 ]}

El grupo hidroxilo en los ácidos carboxílicos puede ser reemplazado por un átomo de cloro usando cloruro de tionilo para dar cloruros de acilo . En la naturaleza, los ácidos carboxílicos se convierten en tioésteres . El cloruro de tionilo puede usarse para convertir ácidos carboxílicos en sus cloruros de acilo correspondientes. Primero, el ácido carboxílico 1 ataca al cloruro de tionilo, y el ion cloruro se desprende. El ion oxonio resultante 2 está activado hacia el ataque nucleofílico y tiene un buen grupo saliente, lo que lo distingue de un ácido carboxílico normal. En el siguiente paso, 2 es atacado por el ion cloruro para dar el intermedio tetraédrico 3 , un clorosulfito. El intermedio tetraédrico colapsa con la pérdida de dióxido de azufre e ion cloruro, dando el cloruro de acilo protonado 4. El ion cloruro puede eliminar el protón del grupo carbonilo, dando el cloruro de acilo 5 con una pérdida de HCl .

El cloruro de fósforo(III) (PCl₃ ₎ y el cloruro de fósforo(V) (PCl₅ ₎ también convierten los ácidos carboxílicos en cloruros de ácido mediante un mecanismo similar. Un equivalente de PCl₃ _puede reaccionar con tres equivalentes de ácido, produciendo un equivalente de H₃PO₃ _, o ácido fosforoso _, además del cloruro de ácido deseado. El PCl₅ _reacciona con los ácidos carboxílicos en una proporción 1:1 y produce oxicloruro de fósforo(V) (POCl₃ ₎ y cloruro de hidrógeno (HCl) como subproductos .

Los ácidos carboxílicos reaccionan con reactivos de Grignard y organolitios para formar cetonas. El primer equivalente del nucleófilo actúa como base y desprotona el ácido. Un segundo equivalente ataca al grupo carbonilo para crear un dianión alcóxido geminal , que se protona durante el procesamiento para dar el hidrato de una cetona. Debido a que la mayoría de los hidratos de cetona son inestables en relación con sus cetonas correspondientes, el equilibrio entre ambos se desplaza fuertemente a favor de la cetona. Por ejemplo, la constante de equilibrio para la formación de hidrato de acetona a partir de acetona es de solo 0,002. El grupo carboxilo es el más ácido en los compuestos orgánicos. ^{[ 20 ]}

• Como ocurre con todos los compuestos carbonílicos, los protones del carbono α son lábiles debido a la tautomerización ceto-enólica . Por lo tanto, el carbono α se halogena fácilmente en la halogenación de Hell-Volhard-Zelinsky .
• La reacción de Schmidt convierte los ácidos carboxílicos en aminas .
• Los ácidos carboxílicos se descarboxilan en la reacción de Hunsdiecker .
• La reacción de Dakin-West convierte un aminoácido en la aminocetona correspondiente.
• En la degradación de Barbier-Wieland , un ácido carboxílico unido a una cadena alifática con un simple puente de metileno en posición alfa puede ver su cadena acortada en un átomo de carbono. El procedimiento inverso es la síntesis de Arndt-Eistert , donde un ácido se convierte en un haluro de acilo, que luego reacciona con diazometano para generar un grupo metileno adicional en la cadena alifática.
• Muchos ácidos sufren descarboxilación oxidativa . Las enzimas que catalizan estas reacciones se conocen como carboxilasas ( EC  6.4.1) y descarboxilasas (EC  4.1.1).
• Los ácidos carboxílicos se reducen a aldehídos a través del éster y el DIBAL , a través del cloruro de ácido en la reducción de Rosenmund y a través del tioéster en la reducción de Fukuyama .
• En la descarboxilación cetónica, los ácidos carboxílicos se convierten en cetonas.
• Los reactivos de organolitio (>2 equivalentes) reaccionan con ácidos carboxílicos para dar un 1,1-diolato de dilitio, un intermedio tetraédrico estable que se descompone para dar una cetona al ser tratado con ácido.
• La electrólisis de Kolbe es una reacción de dimerización electrolítica y descarboxilativa. Elimina los grupos carboxilo de dos moléculas de ácido y une los fragmentos restantes.