Acidi carbossilici
Modello molecolare di un acido carbossilico R=gruppo alchilico Nero=carbonio Rosso=ossigeno Bianco=idrogeno
Gli acidi carbossilici (o acidi organici) sono composti organici che contengono il gruppo carbossilico o carbossile (-COOH), ovvero un gruppo ossidrilico (-OH) legato a un gruppo carbonilico (C=O). Gli acidi carbossilici possono essere alifatici o aromatici, a seconda che il gruppo carbossilico si leghi a un radicale alifatico o a un anello benzenico.[1]
Indice
1 Caratteristiche
1.1 Solubilità e punto di ebollizione
1.2 Acidità
2 Nomenclatura
3 Produzione degli acidi carbossilici
3.1 Produzione per ossidazione di alcol e aldeidi
3.2 Produzione per addizione di anidride carbonica ad un reattivo di Grignard
3.3 Idrolisi dei nitrili
4 Proprietà chimico-fisiche
5 Reazioni tipiche
5.1 Decarbossilazione degli acidi e alogenazione
5.2 Riduzione
6 Derivati degli acidi carbossilici
6.1 Cloruri acilici
6.2 Anidridi
6.3 Esteri
6.4 Ammidi
7 Alcuni acidi carbossilici
8 Note
9 Bibliografia
10 Altri progetti
11 Collegamenti esterni
Caratteristiche |
Solubilità e punto di ebollizione |
Dimero carbossilico
Gli acidi carbossilici sono polari e possono formare legami idrogeno sia ricevendo con il gruppo carbonilico (-C=O) sia donando con il gruppo ossidrile (-OH). Formano facilmente legami idrogeno sia con sé stessi sia con altre molecole.
I più leggeri tra gli acidi carbossilici, fino a 3 atomi di carbonio, sono composti solubili in acqua con odori pungenti; i successivi sono liquidi oleosi con un alto punto di ebollizione. Al crescere del peso molecolare, gli acidi carbossilici diventano solidi cerosi bassofondenti.
In virtù dei legami idrogeno hanno normalmente un elevato punto di ebollizione, più alto del rispettivo alcole.
Acidità |
Sono composti che manifestano un comportamento acido debole, per via della stabilizzazione per risonanza dell'anione che viene a formarsi (uno ione carbossilato) per dissociazione dello ione H+ del gruppo idrossile. La costante di dissociazione acida degli acidi carbossilici è generalmente inferiore a 10−4, sono quindi più acidi dei fenoli.
La presenza di sostituenti elettronegativi (Cl, F) aumenta l'acidità.
| Acidi carbossilici[2] | pKa |
|---|---|
Acido formico (HCOOH) | 3.75 |
Acido acetico (CH3COOH) | 4.76 |
Acido cloroacetico (CH2ClCO2H) | 2.86 |
Acido dicloroacetico (CHCl2CO2H) | 1.29 |
Acido tricloroacetico (CCl3CO2H) | 0.65 |
Acido trifluoroacetico (CF3CO2H) | 0.23 |
Acido ossalico (HO2CCO2H) | 1.27 |
Acido benzoico (C6H5CO2H) | 4.2 |
La presenza nella molecola di gruppi capaci di stabilizzare l'anione disperdendone o attenuandone la carica negativa (sia per risonanza sia per effetto induttivo) tende ad aumentare la forza dell'acido; gruppi che invece de-stabilizzano l'anione intensificandone la carica negativa hanno l'effetto opposto di diminuire l'acidità della molecola.
Nomenclatura |
La nomenclatura IUPAC degli acidi carbossilici alifatici si basa sul conteggio degli atomi di carbonio della catena con il prefisso che fa riferimento all'alcano corrispondente e il suffisso -oico nel caso di acidi monocarbossilici e - dioico nel caso di acidi dicarbosslici. Secondo la IUPAC l'acido acetico, con due atomi di carbonio, si chiama acido etanoico.
Oltre alla nomenclatura IUPAC, molti acidi carbossilici possiedono anche un nome comune, spesso legato alla fonte biologica o naturale da cui sono stati isolati le prime volte.
Alcuni acidi carbossilici alifatici sono:
| Atomi di carbonio | Nome comune | Nome IUPAC | Formula molecolare | Dove si trova |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Acido formico | Acido metanoico | HCOOH | Pungiglioni degli insetti |
| 2 | Acido acetico | Acido etanoico | CH3COOH | Aceto |
| 3 | Acido propionico | Acido propanoico | CH3CH2COOH | Latte |
| 4 | Acido butirrico | Acido butanoico | CH3(CH2)2COOH | Burro rancido |
| 5 | Acido valerico | Acido pentanoico | CH3(CH2)3COOH | Valeriana officinalis |
| 6 | Acido caproico | Acido esanoico | CH3(CH2)4COOH | Grasso della capra |
| 2 | Acido ossalico | Acido etandioico | HOOC-COOH | piante del genere Oxalis |
| 4 | Acido succinico | Acido butandioico | HOOC-(CH2)2-COOH | Ambra, succinum in latino |
Gli acidi carbossilici alifatici aventi catena lineare (satura o insatura) con un numero di almeno 4 atomi di carbonio vengono genericamente detti anche acidi grassi, dato che alcuni possono essere ricavati per idrolisi dei grassi animali e vegetali.
Gli acidi carbossilici sono molto diffusi e sono classificabili in una ampia gamma di diversi composti organici:
| classi di acidi carbossilici | classe | esempi |
|---|---|---|
| acidi monocarbossilici | acido acetico, acido formico | |
| acidi monocarbossilici insaturi | acido acrilico | |
| Acidi dicarbossilici | acidi che contengono 2 gruppi carbossilici | acido adipico, acido aldarico, acido ossalico, acido ftalico, acido azelaico, acido sebacico |
| Acidi tricarbossilici | acidi che contengono 3 gruppi carbossilici | acido citrico, acido isocitrico |
| Acidi grassi | alifatici monocarbossilici saturi o insaturi con catena di almeno 4 atomi di carbonio, rappresentano una gran parte dei lipidi di origine vegetale o animale | acido butirrico, acido oleico, acido palmitico, acido stearico |
| Amminoacidi | i componenti costitutivi delle proteine | acido glutammico, acido aspartico |
| Chetoacidi | acidi presenti in significativi processi biologici contenenti un gruppo carbonilico, chetoni | acido acetoacetico, acido piruvico, acido levulinico |
| Acidi carbossilici aromatici | acidi dove è presente un gruppo benzene o fenile | acido benzoico, acido salicilico, acido cinnamico, acido caffeico |
| Idrossiacidi | acidi con almeno un ossidrile nel gruppo alifatico o in quello benzenico | acido glicolico, acido lattico, acido salicilico, acido gentisinico |
Produzione degli acidi carbossilici |
Gli acidi carbossilici si preparano principalmente per ossidazione di alcoli primari e aldeidi (con reattivi ossidanti più o meno energici a seconda del substrato), oppure per idrolisi di esteri, ammidi, anidridi, alogenuri acilici e nitrili.
Produzione per ossidazione di alcol e aldeidi |
RCH2OH (alcol 1) + CrO3(aq) → RCOH (aldeide) + KMnO4 → RCO2H (acido carbossilico)
Come ossidante è preferibile utilizzare l'acido nitrico HNO3 in quanto è meno costoso di CrO3 e KMnO4.
Produzione per addizione di anidride carbonica ad un reattivo di Grignard |
Un altro metodo di preparazione è quello che fa uso dei reattivi di Grignard e anidride carbonica:
RMgX + CO2 → R-COO'[MgX]+(carbossilato di magnesio)
R-COO'[MgX]+ + HCl(aq) → RCOOH + Mg++
La carbonatazione di un reattivo di Grignard rappresenta una via molto conveniente per ottenere acidi carbossilici a partire da un alogenuro alchilico (R-X) o arilico (Ar-X); inoltre l'anidride carbonica è facilmente reperibile (il che è un aspetto non trascurabile dal punto di vista economico).
Idrolisi dei nitrili |
HA OH-
R-CH2-X + NaCN --------> R-CH2-COOH + NH4+ / R-CH2 -X + NaCN --------------> R-CH2-COOH + NH3
H2O H2O
Questa tecnica costituisce un metodo per convertire un alogenuro alchilico in acido carbossilico con un atomo di carbonio in più rispetto all'alogenuro di partenza ("x" viene sostituito con COOH).
Essendo una SN2 se l'alogenuro è chirale avviene l'inversione al carbonio che subisce la SN2.
Proprietà chimico-fisiche |
Gli acidi carbossilici sono molecole polari e presentano una solubilità simile (o superiore) a quella dei relativi alcoli: i primi termini della serie sono solubili in acqua; sono abbastanza solubili anche in alcoli, eteri e benzene.
Sono molecole caratterizzate dalla formazione di legami a idrogeno, e per questo motivo presentano punti di ebollizione elevati.
Reazioni tipiche |
Gli acidi carbossilici subiscono principalmente reazioni di sostituzione del gruppo idrossile con altri gruppi, formando alogenuri, esteri, anidridi e ammidi. Alcuni loro sali possono essere de-carbossilati per riscaldamento, con conseguente perdita di biossido di carbonio.
Dalla disidratazione di un acido carbossilico si ottiene la corrispondente anidride organica, simile agli ossidi acidi inorganici solo nel comportamento, dato che come questi ultimi liberano l'acido in presenza di acqua. Infatti, secondo la IUPAC il termine anidride deve essere riservato agli acidi organici.
La reazione tipica che porta alla formazione di un'anidride è:
RCOOH + RCOOH → RCOOCOR + H2O
Gli acidi carbossilici, danno forma a reazioni di addizione di H+ e CN- cioè un'azione radicalica nucleofila perché il carbonio è positivizzato. I nucleofili più importanti sono i gruppi ROH-.
Successivamente si ha una reazione di sostituzione dove avviene una delocalizzazione degli elettroni e la formazione di una molecola d'acqua, dando forma a un estere se il reagente è un alcol o un'ammide se il reagente è un'ammina.
Decarbossilazione degli acidi e alogenazione |
In condizioni particolari gli acidi carbossilici possono perdere una molecola di CO2.
La reazione di Hunsdiecker, per esempio, si basa su un processo di decarbossilazione seguito da un'alogenazione:
CH3CH2CH2COOH + Pb4+ + Br2 → CH3CH2CH2Br + CO2↑(solvente CCl4)
Un'altra reazione, particolarmente interessante per le implicazioni biochimiche, è la decarbossilazione a carico dei β-chetoacidi, se riscaldati sopra i 100 °C:
CH3COCH2COOH + Q → CH3COCH3 + CO2↑
Riduzione |
La reazione di riduzione degli acidi carbossilici con più resa è data da BH3 in tetraidrofurano con ambiente acido.
CH3COOH + BH3 → CH3CH2OH(catalizzatore: tetraidrofurano in ambiente acido)
Derivati degli acidi carbossilici |
Cloruri acilici |
La trasformazione diretta del carbossile in cloruro acilico è una reazione che si realizza con i seguenti agenti cloruranti: SOCl2, PCl3, PCl5.
Attraverso analoghi alogenuri è possibile ottenere anche i bromuri e ioduri di acile.
CH3COOH + SOCl2 → CH3COCl + SO2↑ + HCl↑(solvente CHCl3)
Anidridi |
La preparazione diretta delle anidridi dagli acidi non è agevole anche se praticabile in presenza di un disidratante a elevata temperatura.
2CH3COOH + P2O5 + Q → CH3COOCOCH3 + H2O
Più facile è la realizzazione con un alogeno acilico e un sale dell'acido carbossilico:
CH3COO- Na+ + CH3COCl → CH3COOCOCH3 + Na+Cl-
Esteri |
Molteplici sono i metodi di preparazione degli esteri. I tre metodi più comuni svolgono il meccanismo tetraedrico.
- Gli esteri si ottengono dalla reazione fra i cloruri o bromuri acilici e gli alcoli o i fenoli (in presenza di una base).
CH3COCl + CH3CH2OH → CH3COOCH2CH3 + HCl(catalizzatore: piridina)
- Altro metodo di preparazione comporta la reazione di un'anidride un alcol o un fenolo.
CH3OH + CH3COOCOCH3 → CH3OCOCH3 + CH3COOH
- Più interessante è la preparazione degli esteri da acidi carbossilici e alcol catalizzati da una piccola dose di acido (H2SO4, H3PO4, HCl). La reazione è conosciuta come esterificazione di Fischer (Nobel per la chimica nel 1902) e risale al 1895.
CH3COOH + CH3CH2OH → CH3COOC2H5 + H2O
Ammidi |
Le ammidi si preparano dagli alogenuri acilici e dalle anidridi, principalmente, secondo le reazioni di sostituzione nucleofila acilica. Ad esempio:
- Dagli alogenuri acilici:
CH3COCl + NH3 → CH3CONH2 + HCl
- Dalle anidridi:
CH3COOCOCH3 + CH3NH2 → CH3NHCOCH3 + CH3COOH
Alcuni acidi carbossilici |
- Acido acetico
- Acido 2,4-diclorofenossiacetico
- Acido iodoacetico
- Acido arachico
- Acido ftalico
- Acido maleico
- EDTA
Note |
^ (EN) IUPAC Gold Book, "carboxylic acids"
^ William M. Haynes, CRC Handbook of Chemistry and Physics, nº 92, CRC Press, 2011, pp. 5–94 e 5–98, ISBN 1439855110.
Bibliografia |
- T. W. Graham Solomons, Chimica organica, 2ª ed., Bologna, Zanichelli, 2001, pp. 57-58, ISBN 88-08-09414-6.
Altri progetti |
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Collegamenti esterni |
- Esperienze in laboratorio - Gli acidi carbossilici, su itchiavari.org.
Esercizi sulla Nomenclatura degli Acidi Carbossilici, su mnemochimica.it.
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