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ácido malónico

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El ácido malónico es un ácido dicarboxílico con la estructura CH₂ ( COOH) ₂ . La forma ionizada del ácido malónico, así como sus ésteres y sales , se conocen como malonatos . Por ejemplo, el malonato de dietilo es el éster dietílico del ácido malónico . El nombre proviene de la palabra griega μᾶλον ( malon ), que significa «manzana».

Historia

El ácido malónico [ 3 ] es una sustancia natural presente en muchas frutas y verduras. [ 4 ] Se sugiere que los cítricos producidos en agricultura ecológica contienen niveles más altos de ácido malónico que los producidos en agricultura convencional. [ 5 ]

El ácido malónico fue preparado por primera vez en 1858 por el químico francés Victor Dessaignes mediante la oxidación del ácido málico . [ 3 ] [ 6 ]

Hermann Kolbe y Hugo Müller descubrieron de forma independiente cómo sintetizar ácido malónico a partir de ácido propiónico y decidieron publicar sus resultados consecutivamente en la revista de la Sociedad Química en 1864. [ 7 ] Esto dio lugar a una disputa de prioridad con Hans Hübner y Maxwell Simpson, quienes habían publicado de forma independiente resultados preliminares sobre reacciones relacionadas. [ 7 ]

Estructura y preparación

La estructura se ha determinado mediante cristalografía de rayos X [ 8 ] y se dispone de datos extensos sobre sus propiedades, incluyendo termoquímica en fase condensada , del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología [ 9 ] . Una preparación clásica del ácido malónico parte del ácido cloroacético [ 10 ].

Preparación de ácido malónico a partir de ácido cloroacético .

El carbonato de sodio genera la sal sódica , que luego reacciona con cianuro de sodio para proporcionar la sal sódica del ácido cianoacético mediante una sustitución nucleofílica . El grupo nitrilo puede hidrolizarse con hidróxido de sodio para formar malonato de sodio, y la acidificación produce ácido malónico. Sin embargo, industrialmente, el ácido malónico se produce por hidrólisis de malonato de dimetilo o malonato de dietilo . [ 11 ] También se ha producido mediante fermentación de glucosa . [ 12 ]

Reacciones

El ácido malónico reacciona como un ácido carboxílico típico formando derivados de amida , éster y cloruro . [ 13 ] El anhídrido malónico puede usarse como intermedio para derivados de monoéster o amida, mientras que el cloruro de malonilo es más útil para obtener diésteres o diamidas. En una reacción bien conocida, el ácido malónico se condensa con urea para formar ácido barbitúrico . El ácido malónico también puede condensarse con acetona para formar ácido de Meldrum , un intermedio versátil en transformaciones posteriores. Los ésteres del ácido malónico también se usan como un sintón − CH 2 COOH en la síntesis de ésteres malónicos .

Reacciones oscilantes

El ácido malónico es un componente clave tanto en la reacción de Briggs-Rauscher como en la reacción de Belousov-Zhabotinsky , dos ejemplos clásicos de una reacción química oscilante . [ 14 ]

Condensación de Knoevenagel

El ácido malónico se utiliza para preparar ácidos carboxílicos α,β-insaturados mediante condensación y descarboxilación. Los ácidos cinámicos se preparan de esta manera:

CH 2 (CO 2 H) 2 + ArCHO → ArCH=CHCO 2 H + H 2 O + CO 2

En este proceso, denominado condensación de Knoevenagel , el ácido malónico se condensa con el grupo carbonilo de un aldehído o cetona , seguido de una descarboxilación .

Z=COOH (ácido malónico) o Z=COOR' (éster de malonato)

Cuando el ácido malónico se condensa en piridina caliente, la condensación va acompañada de descarboxilación , la llamada modificación de Doebner . [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]

La modificación de Doebner de la condensación de Knoevenagel.

Preparación de subóxido de carbono

El ácido malónico no forma fácilmente un anhídrido ; en su lugar , la deshidratación produce subóxido de carbono :

CH 2 (CO 2 H) 2 → O=C=C=C=O + 2 H 2 O

La transformación se logra calentando una mezcla seca de pentóxido de fósforo ( P₄O₁₀ ) y ácido malónico. [ 18 ] Reacciona de manera similar al anhídrido malónico , formando malonatos. [ 19 ]

Aplicaciones

El ácido malónico es un precursor de poliésteres especiales . Puede convertirse en 1,3-propanodiol para su uso en poliésteres y polímeros (aunque su utilidad no está clara). También puede ser un componente de resinas alquídicas , que se utilizan en diversas aplicaciones de recubrimientos para proteger contra los daños causados ​​por la luz ultravioleta, la oxidación y la corrosión. Una aplicación del ácido malónico es en la industria de recubrimientos como agente reticulante para recubrimientos en polvo de curado a baja temperatura, que están adquiriendo cada vez más valor para sustratos sensibles al calor y para acelerar el proceso de recubrimiento. [ 20 ] El mercado global de recubrimientos para automóviles se estimó en 18.590 millones de dólares en 2014, con una tasa de crecimiento anual combinada proyectada del 5,1 % hasta 2022. [ 21 ]

Se utiliza en diversos procesos de fabricación como producto químico especializado de alto valor, incluyendo la industria electrónica , la industria de sabores y fragancias, [ 4 ] disolventes especiales, reticulación de polímeros y la industria farmacéutica. En 2004, la producción mundial anual de ácido malónico y diésteres relacionados superó las 20 000 toneladas métricas. [ 22 ] El crecimiento potencial de estos mercados podría derivarse de los avances en biotecnología industrial, que busca sustituir los productos químicos derivados del petróleo en aplicaciones industriales.

En 2004, el Departamento de Energía de EE. UU. incluyó el ácido malónico entre los 30 principales productos químicos que se pueden producir a partir de biomasa. [ 23 ]

En aplicaciones alimentarias y farmacéuticas, el ácido malónico puede utilizarse para controlar la acidez, ya sea como excipiente en formulaciones farmacéuticas o como aditivo conservante natural para alimentos. [ 4 ]

El ácido malónico se utiliza como un componente químico básico para producir numerosos compuestos valiosos, [ 24 ] incluidos los compuestos de sabor y fragancia gamma-nonalactona, ácido cinámico y el compuesto farmacéutico valproato .

El ácido malónico (hasta un 37,5 % p/p) se ha utilizado para reticular almidones de maíz y patata para producir un termoplástico biodegradable; el proceso se realiza en agua utilizando catalizadores no tóxicos. [ 25 ] [ 26 ] Los polímeros a base de almidón comprendieron el 38 % del mercado mundial de polímeros biodegradables en 2014, siendo los envases de alimentos, los envases de espuma y las bolsas de compost los segmentos de uso final más importantes. [ 27 ]

La empresa Eastman Kodak y otras utilizan ácido malónico y derivados como adhesivo quirúrgico. [ 28 ]

Patología

Si los niveles elevados de ácido malónico se acompañan de niveles elevados de ácido metilmalónico , esto puede indicar la enfermedad metabólica de aciduria malónica y metilmalónica combinada (CMAMMA). Al calcular la relación entre el ácido malónico y el ácido metilmalónico en el plasma sanguíneo, la CMAMMA se puede distinguir de la acidemia metilmalónica clásica . [ 29 ]

Bioquímica

El ácido malónico es el ejemplo clásico de un inhibidor competitivo de la enzima succinato deshidrogenasa (complejo II), en la cadena de transporte de electrones respiratoria . [ 30 ] Se une al sitio activo de la enzima sin reaccionar, compitiendo con el sustrato habitual, el succinato, pero careciendo del grupo −CH₂CH₂− necesario para la deshidrogenación. Esta observación se utilizó para deducir la estructura del sitio activo en la succinato deshidrogenasa. La inhibición de esta enzima disminuye la respiración celular. [ 31 ] [ 32 ] Dado que el ácido malónico es un componente natural de muchos alimentos, está presente en mamíferos, incluidos los humanos. [ 33 ]

En mamíferos, el miembro 3 de la familia de la acil-CoA sintetasa (ACSF3) desintoxica el ácido malónico convirtiéndolo en malonil-CoA . [ 34 ] Junto con el malonil-CoA derivado del acetil-CoA por la acetil-CoA carboxilasa 1 mitocondrial (mtACC1), esto contribuye al reservorio mitocondrial de malonil-CoA, que es necesario para la malonilación de lisina y la síntesis mitocondrial de ácidos grasos (mtFAS). [ 35 ] [ 36 ] En el citosol , el malonil-CoA también se genera a partir del acetil-CoA por la acetil-CoA carboxilasa . Tanto en la síntesis de ácidos grasos citosólica como mitocondrial , el malonil-CoA transfiere su grupo malonato (C2) a una proteína transportadora de acilo (ACP) para agregarlo a una cadena de ácido graso. [ 37 ]

Sales y ésteres

Estructura química del dianión malonato .

El ácido malónico es diprótico ; es decir, puede donar dos protones por molécula. Su primer pKa es 2,8 y el segundo es 5,7. [ 2 ] Por lo tanto , el ion malonato puede ser HOOCCH₂COO⁻ o CH₂ (COO) ₂⁻² . Los compuestos de malonato o propanodioato incluyen sales y ésteres del ácido malónico, como

Referencias

  1. ↑ Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (2014). Nomenclatura de la Química Orgánica: Recomendaciones de la IUPAC y Nombres Preferidos 2013. The Royal Society of Chemistry . p.  746. doi : 10.1039/9781849733069 . ISBN 978-0-85404-182-4.
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