Acilación

Definición de acilación

En las reacciones de acilación, introducimos el grupo acilo, -RCO-, en otra molécula. El grupo acilo procede de una molécula conocida como agente acilante, y los agentes acilantes más comunes son los cloruros de acilo y los anhídridos ácidos. Tanto los cloruros de acilo como los anhídridos ácidos son ejemplos de derivados ácidos.

Si tomas un ácido carboxílico y cambias el grupo hidroxilo (-OH) por un átomo de cloro, obtienes un cloruro de acilo. Tienen la estructura general RCOCl. Su grupo Z es un átomo de cloro.

Por otra parte, si tomas dos ácidos carboxílicos y los unes utilizando un átomo de oxígeno de uno de sus grupos hidroxilo (liberando agua en el proceso), obtienes un anhídrido ácido. Tienen la estructura general RCOOCOR'.

Puedes pensar que los anhídridos ácidos tienen dos grupos funcionales acilo, pero a efectos de estas reacciones, es mucho más fácil considerar el grupo -OCOR' como su grupo Z.

La estructura general de los derivados ácidos.StudySmarter Originals

En este artículo, nos centraremos en cómo reaccionan los derivados ácidos en dos tipos diferentes de reacciones de acilación:

• Reacciones nucleofílicas de adición-eliminación con agua, alcoholes, amoníaco y aminas primarias.
• Acilación deFriedel-Crafts del benceno, que es una reacción de sustitución electrofílica.

Acilación nucleófila por adición-eliminación

Para empezar, centrémonos en la acilación nucleófila por adición-eliminación. En estas reacciones intervienen derivados ácidos y un nucleófilo específico: agua, un alcohol primario, amoníaco o una amina primaria.

Los derivados ácidos son moléculas polares. Contienen un átomo de oxígeno parcialmente cargado negativamente y un átomo de carbono parcialmente cargado positivamente:

La polaridad de los derivados ácidos. Originales de StudySmarter

Esto significa que los derivados ácidos pueden ser atacados por nucleófilos.

Algunos nucleófilos comunes son el agua, los alcoholes, el amoníaco y las aminas primarias. Como nucleófilos, se sienten atraídos por zonas con deficiencia de electrones. En este caso, se sienten atraídos por el átomo de carbono parcialmente cargado positivamente del derivado ácido, y reaccionan en una reacción nucleófila de acilación por adición-eliminación. Ésta tiene un mecanismo de dos pasos:

• En el primer paso, el nucleófilo se añade al derivado ácido para formar un intermediario.
• En el segundo paso, se elimina el grupo Z de la molécula intermedia.

En total, uno de los átomos de hidrógeno del nucleófilo se intercambia por los grupos acilo del derivado ácido.

Veamos ahora ejemplos de reacciones nucleófilas de adición-eliminación con cada uno de estos nucleófilos. Veremos cómo reaccionan tanto con cloruros de acilo como con anhídridos ácidos y conoceremos el mecanismo y los productos de cada reacción.

Acilación del agua

La primera serie de reacciones que veremos implica al agua como nucleófilo.

Acilación del agua con cloruros de acilo

Para empezar, veamos la reacción entre un cloruro de acilo y el agua. Ésta es probablemente la más sencilla de las reacciones de acilación por adición-eliminación nucleófila y te muestra el mecanismo general de la reacción. Produce un ácido carboxílico (RCOOH) y ácido clorhídrico (HCl).

Mecanismo de la acilación nucleofílica por adición-eliminación del agua mediante un cloruro de acilo. Originales de StudySmarter

Ésta es la ecuación general

\(RCOCl+H_2O\rightarrow RCOOH+HCl\)

Acilación del agua con anhídridos ácidos

Los anhídridos ácidos se producen mediante una reacción de eliminación entre dos ácidos carboxílicos. Reaccionar un anhídrido ácido con agua en una reacción nucleófila de adición-eliminación es simplemente lo contrario: reforma ambas moléculas de ácido carboxílico.

Ésta es la ecuación general

\((RCO)_2O+H_2O\\derecha flecha 2RCOOH\)

Por ejemplo, la reacción del anhídrido etanoico con agua produce dos moléculas de ácido etanoico.

La reacción de acilación entre el anhídrido etanoico y el agua. Originales de StudySmarter

Una vez más, ésta es la ecuación

\((CH_3CO)_2O+H_2O\rightarrow 2CH_3COOH\)

Acilación de alcoholes primarios

La reacción de acilación entre derivados ácidos y un alcohol primario es muy similar a su reacción con el agua. Cuando dibujes tu mecanismo, simplemente sustituye uno de los átomos de hidrógeno de la molécula de agua por un grupo alquilo. Esta reacción también se produce con el fenol.

Acilación de alcoholes primarios con cloruros de acilo

La reacción de un alcohol primario con un cloruro de acilo produce un éster (RCOOR') y ácido clorhídrico (HCl). Ésta es la ecuación

\(RCOCl+R'OH\rightarrow RCOOR'+HCl\)

Tomemos como ejemplo el cloruro de etanoilo y el metanol. La reacción produce ácido clorhídrico y etanoato de metilo (_CH3COOCH3).

Mecanismo de la acilación nucleófila por adición-eliminación del metanol mediante cloruro de etanoilo. Originales de StudySmarter

Acilación de alcoholes primarios con anhídridos ácidos

La reacción de los anhídridos ácidos con un alcohol primario produce un éster y un ácido carboxílico:

\((RCO)_2O+R'OH\derecho RCOOR'+RCOOH\)

Por ejemplo, cuando hacemos reaccionar anhídrido etanoico con metanol, obtenemos también etanoato de metilo. Sin embargo, el segundo producto es un ácido carboxílico basado en el anhídrido ácido. Aquí obtenemos ácido etanoico (_CH3COOH):

\((CH_3CO)_2O+CH_3OH\rightarrow CH_3COOCH_3+CH_3COOH\)

La reacción entre el metanol y el anhídrido etanoico. Originales de StudySmarter

Acilación del amoníaco

La reacción de los derivados del ácido con amoníaco produce una amida y una sal de amonio. Se utiliza el mismo mecanismo que en las dos reacciones anteriores, pero hay un paso adicional en el que interviene una molécula adicional de amoníaco.

Acilación del amoníaco con cloruros de acilo

La reacción del amoníaco con un cloruro de acilo produce una amida y ácido clorhídrico. Sin embargo, el ácido clorhídrico reacciona después con una molécula adicional de amoníaco para producir cloruro de amonio(_NH4Cl):

\(RCOCl+2NH_3\rightarrow RCONH_2+NH_4Cl\)

Observa la reacción entre el cloruro de etanoilo y el amoníaco. La reacción inicial produce etanamida (_CH3CONH2) y ácido clorhídrico; el ácido clorhídrico reacciona además con otra molécula de amoníaco para producir cloruro de amonio.

Mecanismo de la acilación nucleófila por adición-eliminación del amoníaco utilizando un cloruro de acilo. Originales de StudySmarter

La reacción global se produce entre el cloruro de etanoilo y dos moléculas de amoníaco, produciendo etanamida y cloruro de amonio.

El otro producto de esta reacción es lo que llamamos una amida. Una amida es una molécula orgánica que contiene el grupo amina (_NH2) junto al grupo carbonilo (C=O).

Acilación del amoníaco con anhídridos ácidos

Si hacemos reaccionar un anhídrido ácido con un exceso de amoníaco, producimos de nuevo una amida. La reacción inicial también produce un ácido carboxílico. Sin embargo, una segunda molécula de amoníaco reacciona con el ácido carboxílico para producir una sal de amonio.

Ésta es la ecuación

\((RCO)_2O+2NH_3\rightarrow RCONH_2+RCOONH_4\)

Por ejemplo, la reacción entre el anhídrido etanoico y el amoníaco produce etanamida (_CH3CONH2) y etanoato de amonio (_CH3COONH4):

\((CH_3CO)_2O+2NH_3\rightarrow CH_3CONH_2+CH_3COONH_4\)

La reacción entre el anhídrido etanoico y el amoníaco. Originales de StudySmarter

Acilación de aminas primarias

Te hemos dado mucha información nueva, pero sólo tenemos que ver un tipo más de reacción de acilación nucleófila de adición-eliminación: la reacción de derivados de ácidos con aminas primarias. Esto es muy parecido a sus reacciones con el amoníaco: cuando estés dibujando el mecanismo, simplemente sustituye uno de los átomos de hidrógeno del amoníaco por un grupo R.

La reacción produce una amida N-sustituida y una sal de amonio diferente.

Acilación de aminas primarias con cloruros de acilo

Si haces reaccionar un cloruro de acilo con una amina primaria, produces una amida N-sustituida y una sal de amonio:

\(RCOCl+2NH_2R'\rightarrow RCONHR'+R'NH_3Cl\)

Reaccionando cloruro de propanoilo(_CH3CH2COCl) con metilamina(_NH2CH3) se obtiene N-metilpropanamida(_{CH3CH2CONHCH3}) y cloruro de metilamonio (_CH3NH3Cl):

\(CH_3CH_2COCl+2NH_2CH_3\rightarrow CH_3CH_2CONHCH_3+CH_3NH_3Cl\)

Hay muchos grupos R y cadenas de carbono diferentes implicados en esta reacción, por lo que los hemos resaltado en el siguiente diagrama para ayudarte a entender un poco mejor el proceso.

La reacción entre el cloruro de propanoilo y la metilamina. Los grupos R están resaltados, para que puedas comprender mejor la reacción. Originales de StudySmarter

Acilación de aminas primarias con anhídridos ácidos

Si haces reaccionar un anhídrido ácido con una amina primaria, produces una amida N-sustituida y una sal de amonio diferente:

\((RCO)_2O+2NH_2R'\rightarrow RCONHR'+R'NH_3OCOR\)

Reaccionando el anhídrido propanoico ((_CH3CH2CO)2O) con metilamina se produce también N-metilpropanamida. La reacción inicial también produce un ácido carboxílico basado en el ácido derivado. Como empezamos con anhídrido propanoico, producimos ácido propanoico. A continuación, éste reacciona con otra molécula de metilamina para producir una sal de amonio diferente. Aquí producimos propanoato de metilamonio (_{CH3NH3OCOCH2CH3}):

\((CH_3CH_2CO)_2O+2NH_2CH_3\rightarrow CH_3CH_2CONHCH_3+CH_3NH_3OCOCH_2CH_3\)

Reacción entre el anhídrido propanoico y la metilamina. Los grupos R están resaltados. Originales de StudySmarter

Comparación de las reacciones de acilación nucleofílica por adición-eliminación

Uf, ¡lo has conseguido!

La siguiente tabla te ayudará a consolidar tus nuevos conocimientos sobre las reacciones de acilación por adición-eliminación nucleófila. Elige un derivado ácido y un nucleófilo, y lee la tabla para encontrar tus productos.

Factores que afectan a la acilación

Algunas reacciones nucleófilas de adición-eliminación de acilación ocurren mucho más rápido que otras. Esto se debe a muchos factores diferentes

• La carga parcial del átomo de carbono.
• El grupo Z del derivado ácido.
• La fuerza del nucleófilo implicado.

Carga parcial

Como hemos explorado anteriormente, el átomo de carbono del derivado ácido que está unido al átomo de oxígeno y al grupo Z está parcialmente cargado negativamente. La fuerza de esta carga parcial varía en función de lo electronegativo que sea el grupo Z. Un grupo Z más electronegativo atraerá con más fuerza hacia sí el par de electrones compartido, aumentando la carga positiva parcial del átomo de carbono.

Imagina un tira y afloja entre tú y tu amigo. Un trozo de tela atado en el centro de la cuerda representa el par de electrones compartidos que intervienen en el enlace covalente entre vosotros dos. Si eres mucho más fuerte que tu amigo, podrás tirar de la cuerda y de la tela hacia ti. Has atraído los electrones hacia ti. Podemos decir que eres más electronegativo que tu amigo. Esto deja a tu amigo electrón-deficiente y, por tanto, parcialmente cargado positivamente. Un átomo de carbono con mayor carga será atacado por nucleófilos mucho más fácilmente, ya que los nucleófilos están cargados negativa o parcialmente de forma negativa.

Capacidad de separación del grupo Z

Algunos grupos Z son mejores grupos separ adores que otros. Esto aumenta su reactividad. No vamos a entrar aquí en las razones, pero tiene que ver con cosas como la electronegatividad, el tamaño y la resonancia. Sin embargo, debes saber que los iones cloruro son un grupo saliente mucho mejor que los iones carboxilato, por lo que los cloruros de acilo son más reactivos que los anhídridos de ácido. Por ejemplo, todas las reacciones nucleófilas de adición-eliminación en las que intervienen cloruros de acilo tienen lugar a temperatura ambiente y son extremadamente exotérmicas, mientras que las de anhídridos ácidos deben calentarse suavemente.

Fuerza del nucleófilo

Los nucleófilos más fuertes atacarán el átomo de carbono parcialmente cargado del derivado ácido con más facilidad que los nucleófilos más débiles. Una vez más, esto se debe a factores en los que no entraremos ahora, pero que incluyen la carga y la basicidad.

Hemos explorado las reacciones entre derivados ácidos y cuatro nucleófilos diferentes. Todos estos nucleófilos varían en fuerza. A continuación se indican sus fuerzas relativas:

amina primaria > amoníaco > alcohol primario > agua

Por tanto, las reacciones de acilación en las que interviene una amina primaria son mucho más rápidas que las que implican agua.

Acilación de Friedel-Crafts del benceno

¿Recuerdas que dijimos que hay dos tipos de reacciones de acilación? La segunda se conoce como acilación de Friedel-Crafts. Se utiliza para añadir el grupo acilo a moléculas aromáticas como el benceno.

Al igual que en las reacciones de acilación de adición-eliminación nucleofílica, en la acilación de Friedel-Crafts intervienen derivados ácidos. Pero esta reacción difiere porque utiliza un mecanismo de sustitución electrofílica. También utiliza un catalizador, el cloruro de aluminio(III) (_AlCl3).

La reacción global tiene varios pasos:

• El derivado ácido reacciona con el catalizador para formar un electrófilo.
• El electrófilo es atraído por el anillo de electrones deslocalizados de la molécula aromática.
• El electrófilo se une a la molécula aromática, lo que provoca la ruptura de uno de los enlaces hidrógeno-molécula aromática.
• El ion hidrógeno liberado se utiliza para regenerar el catalizador.
• En general, sustituimos el electrófilo por un átomo de hidrógeno.

Los productos dependen del derivado ácido utilizado. Siempre producimos una cetona aromática con la estructura _C6H5COR; denominamos a estas moléculas con el prefijo fenil-. También producimos la molécula HZ, donde Z es el grupo Z del derivado ácido. Esto significa que si nuestro derivado ácido es un cloruro de acilo, también producimos ácido clorhídrico (HCl). Sin embargo, si nuestro derivado ácido es un anhídrido ácido, también producimos un ácido carboxílico (RCOOH).

Acilación de Friedel-Crafts del benceno.StudySmarter Originals

Por ejemplo, si haces reaccionar benceno con cloruro de etanoilo (_CH3COCl) en presencia de un catalizador de cloruro de aluminio(III), produces feniletanona (_C6H5COCH3) y ácido clorhídrico. Si haces reaccionar benceno con anhídrido etanoico ((_CH3CO)2O), también produces feniletanona, pero en lugar de ácido clorhídrico produces ácido etanoico (_CH3COOH).

\(C_6H_6+CH_3COCl\rightarrow C_6H_5COCH_3+HCl\)

\(C_6H_6+(CH_3CO)_2O\rightarrow C_6H_5COCH_3+CH_3COOH\)

Usos de la acilación

Veamos ahora algunos usos de la acilación.

En primer lugar, verás que al hacer reaccionar cloruros de acilo o anhídridos de ácido con un alcohol se produce un éster. También podemos hacer ésteres haciendo reaccionar un ácido carboxílico con un alcohol en una reacción de esterificación. Ésta es reversible, mientras que la acilación llega hasta el final. Por lo tanto, a menudo se prefiere la acilación a la esterificación, ya que proporciona un mayor rendimiento. Sin embargo, la elección de los derivados ácidos es importante. Solemos utilizar un anhídrido ácido en lugar de un cloruro de acilo para hacer ésteres por las siguientes razones:

• Es más barato.
• Es una reacción más lenta y controlada.
• No produce ácido clorhídrico, que es un gas corrosivo.

Los ésteres son partes importantes de muchos perfumes y cosméticos, gracias a sus olores afrutados.

Del mismo modo, la acilación del amoníaco o de las aminas primarias produce amidas. Éstas son escalones útiles en la preparación de muchos productos farmacéuticos.

Otro ejemplo de reacción de acilación importante es la producción de aspirina. La aspirina se fabrica haciendo reaccionar un compuesto conocido comúnmente como ácido 2-hidroxibenzoico, ácido 2-hidroxibencenocarboxílico o simplemente ácido salicílico, con anhídrido etanoico. El -hidroxi- en el nombre ácido 2-hidroxibenzoico indica que esta molécula contiene un grupo hidroxilo (-OH). El ácido 2-hidroxibenzoico es, por tanto, un alcohol primario. Su reacción de acilación con anhídrido etanoico produce aspirina -un éster- y ácido etanoico.

La estructura esquelética de la aspirina. commons.wikimedia.org