FUNZIONE CARBOSSILICA
Struttura di Lewis
:
gruppo carbonilico
O:
R - COOH
R—C
:
:O — H
gruppo ossidrilico
suffisso: -oico
R – CO2H
H-COOH
CH3-COOH
C6H5-COOH
Acido metanoico
Acido etanoico
Acido benzoico
Acido formico
Acido acetico
I gruppi carbossilici sono presenti (e caratterizzano le
proprietà chimiche) di molte ed importanti bio-molecole
Es.: acido palmitico (acido grasso)
Es.: alanina (amminoacido)
Metodo di sintesi: carbonilazione
con reattivo di Grignard
Composto organometallico capace di
liberare carbanioni (basi e nucleofili
fortissimi)
Attacco nucleofilo
D-
D+
H3C — Mg — Br
H3C :–
carbanione
+Mg
— Br
Le proprietà chimiche del gruppo carbossilico possono
essere dedotte dal profilo del potenziale elettrostatico
accumulo di carica negativa
O relativamente basico
accumulo di carica positiva
H relativamente acido
Comportamento acido-base del gruppo carbossilico
C
OH
+ OH
R C
OH
O
R
C
OH-
O
R
C
OH
O-
-
R
C
O
R
H+
O
+
OH
Le caratteristiche del gruppo R influenzano il comportamento
acido-base del gruppo carbossilico
H
H C C
H
Cl
O
Cl
OH
acido etanoico
(pKa = 4,74)
C C
Cl
F
O
F
OH
acido tricloroetanoico
(pKa = 0,64)
O
C C
F
OH
acido trifluoroetanoico
(pKa = 0,23)
L’elevata elettronegatività del fluoro comporta polarizzazione degli orbitali molecolari
del gruppo carbossilico e delocalizzazione della carica nell’anione carbossilato.
Tali effetti sono minori nell’acido tricloroacetico e non si hanno nell’acido acetico.
L’acido trifluoroacetico è quindi l’acido più forte e l’acido acetico è il più debole.
Le proprietà chimiche del gruppo carbossilico possono
essere dedotte dal profilo del potenziale elettrostatico
accumulo di carica negativa
O relativamente basico
Carbonio non
particolarmente elettrofilo
accumulo di carica positiva
H relativamente acido
Acido carbossilico
Reazione sfavorita
aldeide
Rezione favorita
Nu:
STRUTTURE IN RISONANZA DELLA FUNZIONE CARBOSSILICA
d-
O:
—C
d+
O—H
-
:O :
—C
+
-
:O :
: O—H
—C
O:
O—H
—C
O—H
+
—C
O
- H+
O
Principali reazioni di sostituzione nucleofila acilica del gruppo carbossilico
Cloruri acilici
Anidridi acide
Esteri
Ammidi
Per reazione di un acido carbossilico con un
alcol si ottiene un
ESTERE
O
O
H3C C
H2O
H3C C
OH
H O CH3
OCH3
Reazione di esterificazione
O
H3C
C
H+
H3C
catalizzatore:
acido minerale
acido carbossilico
(H2SO4)
OH
H
H3C
C
O H
O H
O H
H3C
C
OH
OH
OH
C
H
OH
H
OH
O
H
Nella prima tappa del processo,
l’acido
viene protonato.
H
C
C
O
O
3
H3C C O CH3
H3C C
L’acido protonato
è
stabilizzato
per
risonanza
CH3
OH
OH CH3
OH
alcol
H
OH
H 2O
H+
L’acido
protonato viene attaccato
dall’alcole
(nucleofilo
H3C entrante).
C O CH3
H3C C O
CH3
H
3C C O CH3
La trasposizione
di un protone
il nucleofilo uscente
O
O “prepara”
H
OH
Nell’ultima tappa si elimina una molecola di acqua
(nucleofilo uscente) ed il protone catalitico, con
formazione dell’estere. Il meccanismo della
reazione è SN2
O
H3C
C
CH3
estere
O
testa idrofilica o polare
coda idrofobica o apolare
Azione detergente del sapone
Estremità idrofobica
micella
Reazione di saponificazione
Nucleofilo
entrante
2
O
H3C C
O
3
1
O CH3
OH
K+ o Na+
H3C C O H
4
(ambiente basico)
O
CH3
estere
Nucleofilo
uscente
O
CH3OH
O K+ o Na+ alcol
carbossilato
(sapone)
H3C C
O CH3
Il nucleofilo
uscito
funge ora
da base
strappando
il protone
I composti ciclici che si formano per esterificazione
interna dei g- e dei d-ossiacidi si chiamano lattoni
g
d
OH
a
b
H2O
O
C
d-idrossiacido
O
OH
O
d-lattone
H
O
g
C
b
O
OH
a
g-idrossiacido
O
O
g-lattone
H2O
O
O
R C
OH
HS
R C
CH3
Per reazione di un acido
carbossilico con un tiolo
si forma un tioestere.
La reazione decorre con lo
stesso meccanismo della
reazione di esterificazione
di un acido carbossilico con
un alcole.
H2O
S
H N CH2
CH2
S
CH3
C
O
CH3
O C
CH2 CH2
H N C O
H C OH
H3C
C CH3
Un tioestere di
grande importanza
in biochimica è
l’acetilcoenzima A
NH2
CH2
O
O
P
O
N
O
O
P
N
O
O
O
CH2
H
OPO3H2
N
HH
OH
N
acetammide
O
H3C C
O
risonanza
H3C C
N H
N H
H
H
O
H3C C
O H
tautomeria
H3C C
N H
N
H
H
Nucleofilo
entrante
Idrolisi acida di un ammide
O
OH
+
H
H3C C
H N
H3C C
R'
R'
H
OH2
H3C
C
H
OH
H
N H
R'
Nucleofilo
uscente
N
R'
H3C C O
R'NH2
H3C C O
N
O
O
O
H
H
H
Nucleofilo
entrante
Idrolisi basica di un ammide
O
H3C C
H N
R'
O
O
OH
H3C C O H
H
H3C C O
H
N
N H
R'
R'
O
H3C C O
H
N H
R'
Nucleofilo
uscente
Sintesi dei cloruri acilici
+ HCl
S
Cl
O
O
O
Cl
S
O-H Cl
S
O
HCl
Reazioni dei cloruri acilici
+ HCl
N.B.
i cloruri acilici sono molto più reattivi degli acidi
carbossilici
Z = O-R
Cl
NH-R
X
Cl
La risonanza non può aver luogo
perché il cloro è un atomo
appartenente ad un periodo
diverso da quello del carbonio e
dell’ossigeno (gli elettroni di
valenza non sono isoenergetici).
Come conseguenza il carbonio
presenta un maggior d+ ed è
quindi più elettrofilo.
Maggiore densità di
carica positiva
C
Cloruro acilico
C
C
anidride
minore densità di
carica positiva
C
C
estere
ammide
Nu
Nu
-
O H
Nu
Nu
Cl
Nella sostituzione nucleofila acilica lo ione cloruro è un miglior gruppo
uscente dello ione idrossile perché possiede un maggior volume anionico
(migliore “diluizione” della carica negativa)
Ordine di reattività dei derivati acilici rispetto alla sostituzione nucleofila acilica
Reazione di decarbossilazione (eliminazione)
In genere gli acidi carbossilici difficilmente
danno reazioni di decarbossilazione a meno
che siano b-cheto-acidi.
R
b a
b-cheto-acido
Reazioni al carbonio in alfa al carbonile negli esteri
Carattere relativamente acido dell’idrogeno in alfa
Esteri enolati
Nei “di-chetoni” il carbonio metilenico è ancora più acido a causa
di una extra stabilizzazione per risonanza della carica negativa
Poiché una base forte di solito è anche un forte nucleofilo sono
possibili anzi prevalenti reazioni (in parallelo)
di sostituzione nucleofila acilica
idrolisi
transesterificazione
Sintesi acetoacetica - chetogenesi
O
2HC
C
2HC
S
H
C
CoA
S
O
Acetil CoA
B:
O
-
3HC
B-H+
C
S
-S
CoA
CoA
CoA
Condensazione di Claisen
O
3HC
C
O
2HC
Aceto-Acetil CoA
HS
CoA
C
O
S
CoA
3HC
Idrolisi del bchetotioestere
C
2HC
Aceto-Acetico
O
C
OH
Decarbossilazione spontanea
O
C
O
O
2HC
3HC
C
O-H
CH3
C
O
Acetone
O
C
-
2HC
O
3HC
O
C
C
O-H
3HC
+
CONDENSAZIONE DI CLAISEN
In soluzione etanolica di etossido di sodio,due molecole di acetato
di etile reagiscono formando una molecola di acetoacetato di etile
Na
C2H5O-
H
+
+ H aC C
H
O
C2H5OH
C C
C C
H
OC2H5
O
H
O
H
OC2H5
OC2H5
H
L’etossido di sodio strappa un protone in posizione a rispetto al gruppo
funzionale estereo. L’anione che si forma è stabilizzato per risonanza.
Acetoacetato di etile !
(condensazione di Claisen)
H
O
OC2H5
H
H O H
O
H C C C C
C C
H C C
H
O
H
C2H5O
OC2H5
H
H
OC2H5
acetoacetato di etile
L’anione (nucleofilo entrante) attacca il carbonio del gruppo
funzionale di una seconda molecola di acetato di etile. In questa
fase viene eliminato uno ione etossido (nucleofilo uscente).