Ácidos Carboxílicos y sus Derivados

 

Ácidos Carboxílicos y sus Derivados

1. Nomenclatura y propiedades generales

Los ácidos carboxílicos son compuestos orgánicos que contienen el grupo funcional carboxilo (-COOH), el cual consiste en un grupo carbonilo (C=O) unido a un grupo hidroxilo (–OH) sobre el mismo carbono. En la nomenclatura sistemática de la IUPAC, se nombran reemplazando la terminación –ano del alcano correspondiente por –oico. Por ejemplo, el ácido con un solo átomo de carbono es el ácido metanoico (HCOOH), y el de dos carbonos es el ácido etanoico (CH₃COOH).

Algunos ácidos también tienen nombres comunes ampliamente utilizados en contextos industriales y biológicos, como el ácido fórmico (metanoico), ácido acético (etanoico), y ácido butírico (butanoico).

Los derivados de ácidos carboxílicos se obtienen al sustituir el grupo –OH del carboxilo por otro grupo. Los principales derivados son: ésteres, amidas, anhídridos de ácido, cloruros de acilo y nitrilos. Cada uno tiene una nomenclatura específica que depende del grupo funcional presente.

Los ácidos carboxílicos presentan puntos de ebullición elevados debido a la formación de puentes de hidrógeno intermoleculares. Son solubles en agua si contienen cadenas cortas, aunque su solubilidad disminuye conforme crece la cadena hidrocarbonada. Los derivados tienen propiedades físicas diversas: los ésteres suelen ser volátiles y aromáticos; las amidas son sólidas y con alta polaridad; los cloruros de acilo y anhidridos son reactivos y menos estables en medios acuosos.

 

2. Síntesis: formación de ácidos carboxílicos y derivados

2.1. Oxidación de alcoholes primarios

Una de las rutas más empleadas para obtener ácidos carboxílicos es la oxidación de alcoholes primarios. En presencia de un oxidante fuerte como permanganato de potasio (KMnO₄) o dicromato de potasio (K₂Cr₂O₇) en medio ácido, el grupo –CH₂OH se oxida primero a un aldehído, y luego a un ácido carboxílico:

Este proceso es típico en la síntesis de ácido acético a partir de etanol. En el laboratorio, se controla el oxidante para evitar detenerse en el aldehído.

 

2.2. Oxidación de aldehídos

Los aldehídos también pueden transformarse fácilmente en ácidos carboxílicos mediante oxidación suave. Por ejemplo:

El agente oxidante puede ser oxígeno atmosférico en presencia de catalizadores metálicos, o reactivos como Ag₂O (reactivo de Tollens) o KMnO₄.

 

2.3. Hidrólisis de ésteres

Los ésteres, al someterse a hidrólisis en medio ácido o básico, generan ácidos carboxílicos y alcoholes. En medio ácido:

Esta reacción es reversible y corresponde a la inversa de la esterificación. En medio básico (saponificación), la hidrólisis es irreversible:

La saponificación es fundamental en la producción de jabones a partir de grasas.

 

2.4. Hidrólisis de cloruros de acilo

Los cloruros de acilo, como el cloruro de etanoilo (CH₃COCl), son muy reactivos ante nucleófilos como el agua. Su hidrólisis produce el ácido carboxílico correspondiente y gas HCl:

Este tipo de reacción es exotérmica y requiere ventilación adecuada en el laboratorio debido a la liberación de HCl.

 

2.5. Hidrólisis de nitrilos

Los nitrilos (R–C≡N), al calentarse con agua y ácido, se convierten en amidas intermedias que terminan hidrolizándose a ácidos carboxílicos:

Este procedimiento es útil para alargar la cadena carbonada en síntesis orgánica.

 

2.6. Hidrólisis de anhídridos

Los anhídridos de ácido, formados por deshidratación entre dos ácidos carboxílicos, reaccionan con agua formando dos moléculas del ácido original. Por ejemplo:

Los anhídridos también reaccionan con alcoholes o aminas, formando ésteres o amidas, respectivamente.

 

3. Reacciones de los ácidos carboxílicos y sus derivados

3.1. Esterificación de Fischer

Un ácido carboxílico reacciona con un alcohol, en presencia de un ácido catalizador (como H₂SO₄), para formar un éster y agua. Esta es una reacción reversible:

Los ésteres son compuestos aromáticos responsables de los olores frutales, y tienen aplicaciones en perfumería y alimentos.

 

3.2. Neutralización con bases

Los ácidos carboxílicos reaccionan con bases inorgánicas (NaOH, KOH) para formar sales carboxilato y agua:

Estas sales tienen usos medicinales (acetato de sodio como buffer) y cosméticos.

 

3.3. Formación de amidas

Cuando un ácido reacciona con amoníaco o una amina primaria, se forma una amida y agua. Este proceso es clave en la síntesis de péptidos y compuestos nitrogenados:

3.4. Hidrólisis de amidas

Las amidas pueden hidrolizarse en medio ácido o básico. En medio ácido:

En medio básico, se produce el anión carboxilato y amoníaco libre.

 

4. Comparación entre derivados

Derivado	Reactivo común	Producto principal	Observaciones clave
Éster	H₂O / H⁺ o NaOH	Ácido + Alcohol / Sal	Olor agradable, reversibilidad en ácido
Cloruro de acilo	H₂O	Ácido + HCl	Muy reactivo, corrosive
Anhídrido	H₂O	2 Ácidos	Útil en síntesis farmacéutica
Nitrilo	H₂O / H⁺	Ácido + NH₄⁺	Reacción en dos etapas
Amida	H₂O / H⁺ o OH⁻	Ácido + NH₄⁺ o NH₃	Menor reactividad, necesita calor

 

5. Importancia biológica y general de los ácidos carboxílicos y sus derivados

Los ácidos carboxílicos y sus derivados están ampliamente distribuidos en la naturaleza y cumplen funciones esenciales en los sistemas vivos, la industria, y la síntesis orgánica avanzada. Su relevancia radica tanto en sus propiedades químicas versátiles, como en su participación estructural y funcional en biomoléculas y procesos metabólicos fundamentales.

 

5.1. Ácidos carboxílicos en la bioquímica

a) Ácidos del ciclo de Krebs

El ácido cítrico, el ácido succínico, el ácido málico y el ácido oxalacético son intermediarios del ciclo de los ácidos tricarboxílicos (o ciclo de Krebs), que ocurre en la mitocondria de las células eucariotas. Este ciclo es vital para la obtención de energía química en forma de ATP mediante la oxidación de carbohidratos, grasas y proteínas.

Ejemplo: El ácido cítrico (C₆H₈O₇), con tres grupos carboxilo, se forma por la condensación del acetil-CoA y el oxalacetato.

b) Ácidos grasos

Los ácidos grasos son ácidos carboxílicos de cadena larga, esenciales para la síntesis de triglicéridos, fosfolípidos y membranas celulares. Su longitud y grado de insaturación determinan propiedades físicas como el punto de fusión.

Ejemplo: El ácido oleico (C₁₇H₃₃COOH) es un ácido graso monoinsaturado presente en aceites vegetales.

c) Aminoácidos

Todos los aminoácidos contienen un grupo carboxilo (–COOH) y un grupo amino (–NH₂). Estos compuestos son los monómeros estructurales de las proteínas, que desempeñan funciones catalíticas, estructurales y regulatorias.

La unión de aminoácidos se da por reacción entre el grupo carboxilo de uno y el amino de otro, formando un enlace peptídico (una amida).

 

5.2. Derivados en sistemas biológicos y aplicaciones industriales

a) Ésteres en aromas y fragancias

Los ésteres son responsables del olor de muchas frutas y flores, y se usan ampliamente como saborizantes y aromatizantes artificiales. Además, algunos ésteres como el acetato de etilo tienen aplicaciones como disolventes orgánicos en pinturas y barnices.

Ejemplo: El butanoato de etilo (CH₃CH₂CH₂COOCH₂CH₃) imita el olor de la piña.

b) Amidas y enlaces peptídicos

Las amidas forman la base estructural de las proteínas. El enlace peptídico entre dos aminoácidos es una amida secundaria. Además, muchas moléculas bioactivas y medicamentos contienen enlaces amídicos debido a su estabilidad y polaridad.

Ejemplo: La penicilina, un antibiótico, contiene un grupo amida cíclico (lactama).

c) Anhídridos y cloruros de acilo en síntesis orgánica

Los anhídridos de ácido y cloruros de acilo se utilizan como reactivos en la síntesis de fármacos, polímeros, ésteres, y colorantes. Su alta reactividad permite introducir el grupo acilo en diferentes moléculas.

Ejemplo: La aspirina (ácido acetilsalicílico) se sintetiza a partir de anhídrido acético y ácido salicílico.

 

5.3. Aplicaciones industriales y ambientales

• Los ácidos carboxílicos como el ácido fórmico y el ácido acético se usan en la industria textil, alimentaria, farmacéutica y agrícola.
• El ácido oxálico se emplea como agente limpiador y blanqueador en la industria del cuero y la madera.
• Derivados como los ésteres de ftalato son plastificantes en polímeros (aunque algunos están siendo regulados por su toxicidad).
• Algunos ácidos carboxílicos y sus derivados se emplean como intermediarios en la síntesis de polímeros biodegradables, contribuyendo a estrategias de sostenibilidad ambiental.