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Acidi carbossilici e nitrili

Questo capitolo presenta una trattazione semplice della chimica degli acidi carbossilici (precedentemente chiamati "acidi grassi") e dei nitrili. Come di consueto, inizieremo con una descrizione della denominazione dei composti. Successivamente, considereremo le sottigliezze della loro struttura e come queste caratteristiche strutturali influenzino le proprietà fisiche, come il punto di ebollizione. Porremo particolare enfasi sulla dissociazione degli acidi carbossilici e sull'effetto dei sostituenti sulla forza acida.

Abbiamo già incontrato diversi metodi per la preparazione degli acidi carbossilici. Li esamineremo e apprenderemo due ulteriori procedure. Le uniche reazioni degli acidi carbossilici che studieremo in dettaglio in questo capitolo sono la riduzione e la decarbossilazione, sebbene altre due reazioni comuni degli acidi carbossilici, la sostituzione alfa e la sostituzione nucleofila acilica, saranno descritte nei capitoli successivi.

Esamineremo poi la formazione dei nitrili e la loro reattività chimica; la nostra analisi della chimica degli acidi carbossilici e dei nitrili si concluderà con uno sguardo agli spettri infrarossi e NMR di questi composti, con particolare attenzione alla caratterizzazione degli acidi carbossilici.

20.0: Introduzione agli acidi carbossilici

Gli acidi carbossilici sono noti da sempre. È probabile che gli uomini preistorici producessero acido acetico quando le loro reazioni di fermentazione fallirono e producevano aceto al posto del vino. I Sumeri (2900-1800 a.C.) usavano l'aceto come condimento, conservante, antibiotico e detergente. L'aceto contiene dal 4 al 5% di acido acetico. L'acido acetico conferisce all'aceto il suo sapore aspro e l'odore pungente e può avere lo stesso effetto sul vino. L'acido acetico, CH3COOH , è un esempio della classe di composti chiamati acidi carbossilici , ciascuno dei quali contiene uno o più gruppi carbossilici, COOH. La formula generale di un acido carbossilico è RCOOH.

Altri acidi

• ACIDO CITRICO: fu scoperto da un alchimista islamico, Jabir Ibn Hayyan (noto anche come Geber), nell'VIII secolo , e l'acido citrico cristallino fu isolato per la prima volta dal succo di limone nel 1784 dal chimico svedese Carl Wilhelm Scheele. Gli studiosi medievali in Europa sapevano che il sapore fresco e aspro degli agrumi era dovuto all'acido citrico.
• ACIDO FORMICO:I naturalisti del XVII secolo sapevano che il dolore provocato dal morso di una formica rossa era dovuto a un acido organico che la formica iniettava nella ferita. L'acido formico (il nome deriva dal latino formica , che significa "formica") è presente nelle formiche e nelle api ed è responsabile del bruciore causato dai loro morsi e punture.
• ACIDO BUTIRRICO:un componente del burro rancido e del formaggio Limburger, ha un odore sgradevole.
• ACIDO ADIPICO: è un esempio di acido dicarbossilico – ha due gruppi funzionali – ed è usato per produrre nylon.

Acidi carbossilici naturali

Gli acidi carbossilici sono ampiamente diffusi in natura, spesso combinati con altri gruppi funzionali. Gli acidi alchilcarbossilici semplici, composti da quattro a dieci atomi di carbonio,sono liquidi o solidi a basso punto di fusione che hanno odori molto sgradevoli. Gli acidi grassi sono componenti importanti delle biomolecole conosciute come lipidi, in particolare grassi e oli. Come mostrato nella tabella seguente, questi acidi carbossilici a catena lunga sono solitamente indicati con i loro nomi comuni, che nella maggior parte dei casi riflettono la loro origine. Una frase mnemonica per gli acidi grassi naturali da C10 a C20 caprico, laurico, miristico, palmitico, stearico e arachidico è: " Curly , Larry & Moe Perform Silly Antics " (si noti che i nomi dei tre compari sono in ordine alfabetico).

Tabella 17.4.1: Acidi grassi saturi comuni

Formula	Nome comune	Punto di fusione
CH 3 (CH 2 ) 10 CO 2 H	acido laurico	45 °C
CH 3 (CH 2 ) 12 CO 2 H	acido miristico	55 °C
CH 3 (CH 2 ) 14 CO 2 H	acido palmitico	63 °C
CH 3 (CH 2 ) 16 CO 2 H	acido stearico	69 °C
CH 3 (CH 2 ) 18 CO 2 H	acido arachidico	76 °C

È interessante notare che le molecole della maggior parte degli acidi grassi naturali hanno un numero pari di atomi di carbonio . Poiché la natura produce questi acidi a catena lunga legando tra loro unità di acetato, non sorprende che gli atomi di carbonio che compongono i prodotti naturali siano multipli di due. Composti analoghi composti da un numero dispari di atomi di carbonio sono perfettamente stabili e sono stati prodotti sinteticamente. Tutti i doppi legami nei composti insaturi elencati nella tabella hanno stereochimica cis (o Z).

Tabella 17.4.2: Acidi grassi insaturi comuni

Formula	Nome comune	Punto di fusione
CH3 ( CH2 ) 5CH = CH ( CH2 ) 7CO2H​​	acido palmitoleico	0 °C
CH3 ( CH2 ) 7CH = CH ( CH2 ) 7CO2H​​	acido oleico	13 °C
CH3 ( CH2 ) 4 CH = CHCH2 CH = CH ( CH2 ) 7CO2H	acido linoleico	-5 ºC
CH3 CH2 CH =CHCH 2 CH=CHCH 2 CH =CH(CH 2 ) 7 CO 2 H	acido linolenico	-11 °C
CH 3 (CH 2 ) 4 (CH=CH CH 2 ) 4 (CH 2 ) 2 CO 2 H	acido arachidonico	-49 ºC

Le seguenti formule sono esempi di altri acidi carbossilici naturali. Le strutture molecolari variano da semplici a complesse, spesso incorporano una varietà di altri gruppi funzionali e molte sono chirali.

Derivati ​​degli acidi carbossilici

Altre combinazioni di gruppi funzionali con il gruppo carbonilico possono essere preparate a partire da acidi carbossilici e sono solitamente trattate come derivati ​​correlati. La chimica alla base della conversione degli acidi carbossilici in derivati ​​degli acidi carbossilici sarà discussa nel prossimo capitolo. Cinque classi comuni di questi derivati ​​degli acidi carbossilici sono elencate nella tabella seguente. Sebbene i nitrili non abbiano un gruppo carbonilico, sono inclusi qui perché gli atomi di carbonio funzionali hanno tutti lo stesso stato di ossidazione. La riga superiore mostra la formula generale per ciascuna classe e la riga inferiore fornisce un esempio specifico per ciascuna. Come nel caso delle ammine, le ammidi sono classificate come 1º, 2º o 3º, a seconda del numero di gruppi alchilici legati all'azoto.

20.1: Denominazione degli acidi carbossilici e dei nitrili

Acidi carbossilici, RCO 2 H

Quando si studiano gli acidi carbossilici, è importante comprendere come vengono nominati secondo le regole IUPAC, ma anche conoscere i loro nomi comuni più diffusi. Secondo la nomenclatura IUPAC, gli acidi carbossilici si identificano partendo dal nome dell’alcano corrispondente alla catena principale, alla quale si sostituisce la desinenza -e con -oico, preceduta dalla parola "acido". Per esempio, un composto con due atomi di carbonio e un gruppo –COOH viene chiamato acido etanoico (derivato da “etano”).

Una caratteristica fondamentale degli acidi carbossilici è che il gruppo carbossilico si trova sempre all’estremità della catena carboniosa. Di conseguenza, il suo carbonio è sempre numerato come carbonio 1, e proprio per questo motivo non è necessario specificarne la posizione nel nome, poiché è implicita.

Oltre alla nomenclatura ufficiale, molti acidi carbossilici sono noti anche con nomi comuni, spesso legati alla fonte naturale da cui furono originariamente isolati. Ad esempio, l’acido formico prende il nome dalle formiche, da cui fu estratto per la prima volta; l’acido acetico deriva dal latino “acetum” (aceto), mentre l’acido butirrico prende il nome dal burro rancido.

In ambito tradizionale, invece di numerare i carboni, si usano spesso lettere greche per indicare la posizione relativa degli atomi rispetto al gruppo carbossilico. In questo sistema, il carbonio immediatamente successivo al gruppo –COOH viene chiamato α (alfa), il seguente β (beta), poi γ (gamma) e così via. Questo tipo di nomenclatura è particolarmente utile per descrivere la struttura o le reazioni in ambito biochimico o farmacologico.

In sintesi, conoscere sia la nomenclatura IUPAC sia quella tradizionale, con le lettere greche, è fondamentale per riconoscere e comunicare correttamente le strutture degli acidi carbossilici, sia nel contesto accademico che nella pratica scientifica.

Formula	Nome comune	Fonte	Nome IUPAC	Punto di fusione	Punto di ebollizione
HCO2H​​	acido formico	formiche (L. formica)	acido metanoico	8,4 °C	101 °C
CH3CO2H​​​​	acido acetico	aceto (L. acetum)	acido etanoico	16,6 °C	118 °C
CH3CH2CO2H	acido propionico	latte (greco: protus prion)	acido propanoico	-20,8 °C	141 °C
CH3(CH2)2CO2H	acido butirrico	burro (L. butyrum)	acido butanoico	-5,5 °C	164 °C
CH3(CH2)3CO2H	acido valerico	radice di valeriana	acido pentanoico	-34,5 °C	186 °C
CH3(CH2)4CO2H	acido caproico	capre (L. cappero)	acido esanoico	-4,0 °C	205 °C
CH3(CH2)5CO2H	acido enantico	viti (greco oenanthe)	acido eptanoico	-7,5 ºC	223 °C
CH3(CH2)6CO2H	acido caprilico	capre (L. cappero)	acido ottanoico	16,3 °C	239 °C
CH3(CH2)7CO2H	acido pelargonico	pelargonium (un'erba)	acido nonanoico	12,0 °C	253 °C
CH3(CH2)8CO2H	acido caprico	capre (L. cappero)	acido decanoico	31,0 °C	219 °C

Denominazione dei gruppi carbossilici aggiunti ad un anello

Quando un gruppo carbossilico (–COOH) è legato a un anello ciclico, il nome del composto si forma aggiungendo il suffisso "-acido carbossilico" al nome dell’anello. In questo caso, il carbonio dell’anello a cui è attaccato il gruppo carbossilico viene considerato come carbonio numero 1, e la numerazione continua lungo l’anello in modo da assegnare i numeri più bassi ai sostituenti, se presenti.

Un caso particolare è quello in cui il gruppo carbossilico è legato direttamente a un anello benzenico. In questo caso, il composto prende il nome di acido benzoico (formula: C₆H₅COOH), ed è considerato il composto aromatico più semplice della famiglia degli acidi carbossilici.

Denominazione dei carbossilati

I sali degli acidi carbossilici vengono nominati indicando prima il nome del catione (come sodio, potassio, calcio, ecc.) e poi il nome dell’anione, cioè della parte derivata dall’acido carbossilico. Per formare il nome dell’anione, si sostituisce la desinenza “-ico” dell’acido con “-ato”.

Questa regola vale sia per la nomenclatura IUPAC sia per quella tradizionale (o comune).

Esempi:

• Acido etanoico → etanoato di sodio
• Acido acetico (nome comune) → acetato di sodio
• Acido butanoico → butanoato di potassio

Denominazione degli acidi carbossilici che contengono altri gruppi funzionali

Gli acidi carbossilici ricevono la massima priorità nella nomenclatura IUPAC. Questo significa che, quando si assegna la numerazione alla catena principale, il gruppo carbossilico deve ricevere la posizione più bassa possibile, e il nome della molecola termina con il suffisso appropriato (ad esempio, -oico).

Nel caso in cui una molecola contenga sia un acido carbossilico sia un gruppo alcolico (–OH), quest’ultimo viene considerato un sostituente e viene indicato con il nome "idrossi" (anziché "ossidrilico"). Da notare che nella pratica la “l” di "ossidrile" viene generalmente omessa, risultando in "idrossi".

Se invece nella molecola sono presenti sia un gruppo carbossilico sia uno o più gruppi carbonilici (come aldeidi o chetoni), questi ultimi vengono indicati con il prefisso "oxo-", poiché il gruppo –COOH ha comunque la priorità.

Nel caso di molecole contenenti sia un gruppo carbossilico sia un gruppo amminico (–NH₂), quest’ultimo viene trattato come un sostituente e indicato con il prefisso "ammino-".

Quando gli acidi carbossilici sono presenti in molecole contenenti anche un alchene (cioè un doppio legame carbonio-carbonio), si segue questo schema di nomenclatura:

• Si indica la posizione del doppio legame;
• Si utilizza il nome della catena principale con la desinenza modificata da -ano a -eno;
• Si aggiunge il suffisso “-enoico” per indicare la presenza sia del doppio legame che del gruppo carbossilico.

Poiché il gruppo carbossilico ha la priorità, la numerazione della catena parte sempre da esso, per assegnargli la posizione più bassa. Inoltre, se necessario, si deve indicare anche la stereochimica del doppio legame, specificando cis/trans oppure E/Z, secondo le regole IUPAC.

Denominazione degli acidi dicarbossilici

Per quanto riguarda gli acidi dicarbossilici, ovvero i composti che contengono due gruppi carbossilici (–COOH), non è necessario indicare i numeri di posizione di questi gruppi. Questo perché si assume che essi siano posti alle due estremità della catena principale, come avviene nella maggior parte dei casi.

Nella nomenclatura IUPAC, il nome della catena principale viene seguito dalla desinenza “-dioico”, preceduta dalla parola "acido", per indicare la presenza di due gruppi –COOH.

Esempio:

• HOOC–CH₂–COOH → acido etandioico (noto anche come acido ossalico)

Denominazione dei nitrili, − C ≡ N

Un nitrile è un composto organico che contiene il gruppo funzionale −C≡N. In letteratura, i termini "nitrile" e "ciano-" sono spesso usati in modo intercambiabile per indicare questo gruppo. In passato, i nitrili erano noti anche come cianuri. Il nitrile organico più semplice è etanenitrile (CH₃CN), il cui nome comune è metilcianuro o acetonitrile.

I nitrili a catena aperta si denominano aggiungendo il suffisso “-nitrile” al nome dell’alcano corrispondente. È importante ricordare che il carbonio del gruppo nitrile fa parte della catena principale, e deve quindi essere incluso nel conteggio degli atomi di carbonio. Per esempio, CH₃CN contiene due atomi di carbonio (uno del gruppo metile e uno del nitrile), quindi il nome corretto è etanenitrile. Poiché il gruppo nitrile si trova all’estremità della catena, gli viene assegnata la posizione 1, ma non è necessario indicarla esplicitamente nel nome.

Quando un nitrile è il gruppo funzionale a priorità più alta legato a un cicloalcano, il nome del cicloalcano viene seguito dal termine “-carbonitrile”. In questo caso, l'atomo dell’anello a cui è legato il nitrile è numerato come carbonio 1, e non è necessario indicare la posizione del gruppo nitrile.

I nitrili possono anche essere nominati in base ai nomi comuni degli acidi carbossilici corrispondenti, sostituendo la desinenza “-ico” o “-oico” con “-onitrile”. Anche in questo caso, il carbonio del gruppo nitrile viene considerato come C1, ma non viene indicato esplicitamente nel nome.

Infine, quando una molecola contiene sia un acido carbossilico sia un gruppo nitrilico, il gruppo nitrile non ha priorità e viene considerato un sostituente. In questo contesto, è indicato con il prefisso "ciano-". È importante notare che, in questi casi, il carbonio del gruppo ciano non viene incluso nella numerazione della catena principale.

20.5: Preparazione degli acidi carbossilici

Gli acidi carbossilici possono essere preparati utilizzando un'ampia varietà di reazioni. Molti derivati ​​degli acidi carbossilici, come esteri, ammidi e anidridi, possono subire idrolisi per formare gli acidi carbossilici originali. I metodi più comuni per la sintesi degli acidi carbossilici possono essere suddivisi in tre gruppi principali.

1. Ossidazioni
2. Carbossilazione dei reagenti di Grignard
3. Idrolisi dei nitrili

Formazione di acidi carbossilici tramite ossidazioni

L'atomo di carbonio di un gruppo carbossilico ha un alto numero di ossidazione . Non sorprende, quindi, che molte delle reazioni chimiche utilizzate per la loro preparazione siano ossidazioni. Tali reazioni sono state discusse nelle sezioni precedenti di questo testo.

Ossidazione di alcoli e aldeidi

L'ossidazione degli alcoli può essere eseguita con una varietà di agenti ossidanti, tra cui il reattivo di Jones (CrO₃ e H₂SO₄), e può portare alla formazione di acidi carbossilici. Tra gli ossidanti comunemente utilizzati c'è anche il permanganato di potassio (KMnO₄). Uno dei principali limiti sintetici delle ossidazioni alcoliche è che gli agenti ossidanti necessari spesso reagiscono con altri gruppi funzionali ossidabili, come aldeidi, alchil-arene e altrialcoli. Poiché gli alcoli sono facilmente disponibili, questa è la reazione ossidativa più comune per la sintesi di acidi carbossilici.

Esercizio 20.5.1

Ossidazione dell’alcol:

Ossidazione del 3-metilbutan-1-olo in acido 3-metilbutanoico

Ossidazione delle aldeidi

In modo simile agli alcoli, anche le aldeidi possono essere convertite in acidi carbossilici utilizzando un'ampia gamma di agenti ossidanti, tra cui permanganato di potassio e il reattivo di Jones.

Ossidazione degli alchil-arene e catene laterali

I carboni primari e secondari direttamente legati a un anello aromatico possono essere convertiti in acidi carbossilici per reazione con forti agenti ossidanti, come il permanganato di potassio e il reattivo di Jones. I carboni terziari legati a un anello aromatico non sono influenzati da queste reazioni. È importante notare che i gruppi alchilici sono orto-para-direttori, mentre, dopo l'ossidazione, l’acido carbossilico formato è un meta-direttore.

Esempio:

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Scissione ossidativa degli alcheni

Gli alcheni possono subire una scissione ossidativa per formare acidi carbossilici reagendo con KMnO₄ in soluzione alcalina calda.

Esempio:

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Carbossilazione dei reagenti di Grignard

In questo metodo, un alogenuro elettrofilo viene trasformato in un reattivo di Grignard fortemente nucleofilo. Il reattivo di Grignard si addiziona al legame C=O dell’anidride carbonica (un elettrofilo) per produrre il sale di un acido carbossilico, chiamato carbossilato di alomagnesio. Questo intermediario viene poi trattato con un acido acquoso forte per formare l’acido carbossilico. La maggior parte degli alogenuri alchilici o arilici può essere utilizzata per questa sintesi. La limitazione principale è che non possono essere presenti gruppi funzionali incompatibili con i reattivi di Grignard, come legami OH, NH, SH o C=O.


Idrolisi dei nitrili

L’idrolisi dei nitrili in acidi carbossilici richiede due passaggi. In primo luogo, un alogenuro alchilico reagisce con un anione cianuro nucleofilo per formare un nitrile come intermediario tramite una reazione S₂. La successiva idrolisi del nitrile avviene riscaldando con una soluzione acquosa acida o basica, utilizzando un meccanismo discusso più avanti in questo capitolo. A causa dei requisiti della reazione S₂, possono essere utilizzati solo alogenuri alchilici primari e secondari. Gli alogenuri alchilici terziari tendono a produrre alcheni attraverso una reazione di eliminazione E₂, mentre gli alogenuri arilici solitamente non reagiscono.


Due fasi di formazione e idrolisi del nitrile

Esempio:


Le aldeidi e i chetoni possono essere convertiti in cianoidrine attraverso l'addizione nucleofila di un anione cianuro al carbonile. Il gruppo -CN della cianoidrina può anche essere idrolizzato per formare un acido alfa-idrossicarbossilico.

Conversione del butan-2-one in acido 2-idrossi-2-metilbutanoico

Esercizio pratico 20.5.1: Scelta di un percorso di sintesi per un acido carbossilico

Finora, questo capitolo ha discusso tre metodi principali per la creazione di un acido carbossilico: l'ossidazione di un alcol primario, la carbossilazione di un reattivo di Grignard e l'idrolisi di un nitrile. Seleziona uno di questi tre metodi per eseguire la seguente trasformazione e spiega brevemente perché gli altri due metodi non avrebbero successo.

• Bromuro di terz-butile → acido 2,2-dimetilpropanoico
• Bromuro di benzile → acido benzoico
• 3-bromo-1-propanolo → acido 4-idrossibutanoico

Soluzione A

Il prodotto contiene un atomo di carbonio in più rispetto al reagente, quindi l'ossidazione di un alcol primario non sarebbe possibile. Inoltre, il reagente contiene un alogenuro terziario, quindi la reazione S₂N₂ non sarebbe efficace. La carbossilazione di un reattivo di Grignard sarebbe il metodo più efficace, poiché consente l'aggiunta di un carbonio, non è influenzata dalla stericità dell'alogenuro terziario e non ci sono gruppi funzionali incompatibili.

Soluzione B

Il prodotto e il reagente hanno lo stesso numero di atomi di carbonio, quindi né la carbossilazione di un reattivo di Grignard né l'idrolisi di un nitrile sarebbero efficaci per questa conversione. Il bromuro di benzile è un alogenuro alchilico primario che può essere facilmente convertito in un alcol primario mediante una reazione S₂ con NaOH. Una volta formato, l'alcol primario può essere convertito in un acido carbossilico tramite ossidazione.

Soluzione C

Il prodotto contiene un atomo di carbonio in più rispetto al reagente, quindi l'ossidazione di un alcol primario non sarebbe un metodo efficace. Inoltre, la carbossilazione di un reattivo di Grignard non sarebbe efficace a causa della presenza di un gruppo funzionale alcolico incompatibile nel reagente. Il reagente contiene un alogeno primario che può essere facilmente convertito in nitrile mediante una reazione S₂ con NaCN. Il nitrile risultante può essere poi convertito in un acido carbossilico tramite idrolisi.

Esercizio 20.5.1

Mostra come le seguenti molecole possono essere utilizzate per sintetizzare l'acido benzoico:

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Risposta

Esercizio 20.5.2

Fornire la struttura del bromuro necessario per ottenere quanto segue utilizzando la carbossilazione di un reattivo di Grignard:

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Risposta

Esercizio 20.5.3

Fornire i possibili reagenti per le seguenti reazioni:

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Ci sono almeno quattro possibili risposte alla domanda A.

Risposta