Ciencias de Joseleg: Ácidos carboxílicos y esteres

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Los ácidos carboxílicos son compuestos orgánicos que contienen el grupo funcional $\ce{\color{#006cda}-COOH}$ , formado por un grupo carbonilo ( $\ce{\color{#006cda}C=O}$ ) unido a un grupo hidroxilo ( $\ce{\color{#006cda}-OH}$ ). Este grupo les confiere propiedades ácidas debido a su capacidad para ionizarse en agua, liberando un protón ( $\ce{\color{#006cda}H^+}$ ). Estas moléculas pueden ser alifáticas o aromáticas y son esenciales en procesos biológicos como la respiración celular, así como en la síntesis de polímeros y medicamentos.

Los ésteres son derivados de los ácidos carboxílicos en los que el hidrógeno del grupo hidroxilo ( $\ce{\color{#006cda}-OH}$ ) del ácido es reemplazado por un grupo alquilo ( $\ce{\color{#006cda}-R}$ ) o arilo ( $\ce{\color{#006cda}-Ar}$ ). Su fórmula general es $\ce{\color{#006cda}R-COOR'}$ , donde $\ce{\color{#006cda}R}$ proviene del ácido y $\ce{\color{#006cda}R'}$ del alcohol. Los ésteres tienen aplicaciones diversas, desde su uso en perfumes y sabores artificiales hasta su presencia en grasas y aceites naturales. Además, son menos polares que los ácidos carboxílicos y presentan menores puntos de ebullición.

Propiedades físicas
Los ácidos carboxílicos y sus derivados presentan propiedades físicas estrechamente relacionadas con su estructura molecular y los grupos funcionales presentes.

Los ácidos carboxílicos con cadenas cortas (1-4 carbonos) son altamente solubles en agua debido a la capacidad del grupo carboxilo ( $\ce{\color{#006cda}-COOH}$ ) para formar puentes de hidrógeno con las moléculas de agua. Sin embargo, a medida que la longitud de la cadena aumenta, la solubilidad disminuye porque la porción hidrocarbonada no polar domina las interacciones. Esto los hace anfipáticos, especialmente en cadenas intermedias, donde exhiben tanto propiedades hidrofílicas como hidrofóbicas. Los ácidos carboxílicos más largos suelen ser sólidos cerosos a temperatura ambiente, mientras que los de cadena corta son líquidos.

La saturación o insaturación de la cadena afecta el estado físico. Los ácidos carboxílicos saturados tienen cadenas rectas que permiten un empaquetamiento compacto, lo que resulta en puntos de fusión y ebullición más altos. En contraste, las cadenas insaturadas, con uno o más enlaces dobles, tienen configuraciones que impiden el empaquetamiento eficiente, lo que reduce sus puntos de fusión y hace que tiendan a ser líquidos a temperatura ambiente.

Los ésteres son menos polares que los ácidos carboxílicos, ya que no tienen un grupo hidroxilo para formar enlaces de hidrógeno fuertes. Esto les confiere menor solubilidad en agua, aunque los ésteres de bajo peso molecular aún pueden disolverse moderadamente. Su punto de fusión y ebullición es generalmente más bajo que el de los ácidos carboxílicos correspondientes, ya que carecen de enlaces de hidrógeno intermoleculares.

Nomenclatura de los ácidos carboxílicos
Los ácidos carboxílicos pueden considerarse como formas reducidas o alquiladas del dióxido de carbono ( $\ce{\color{#006cda}CO2}$ ). En ciertas condiciones, pueden experimentar una reacción de descarboxilación, liberando dióxido de carbono como producto. El grupo carboxilo ( $\ce{\color{#006cda}-COOH}$ ) es exclusivamente terminal y constituye el grupo funcional de mayor prioridad en la nomenclatura orgánica.

El nombre sistemático (IUPAC) de un ácido carboxílico comienza con la palabra "ácido", seguida por el nombre de la cadena de carbono más larga que incluye el grupo carboxilo. A continuación, se añade el indicador de saturación de la cadena principal (an, en o in), dependiendo de la presencia de enlaces simples, dobles o triples, y se sustituye la última letra del nombre por la terminación "oico".

La cadena se numera empezando por el carbono del grupo carboxilo, que siempre se designa como el carbono 1. Dado que esto es implícito, no es necesario indicar el número en el nombre. Además, el sistema IUPAC conserva nombres comunes ampliamente utilizados, como ácido fórmico (metanoico) y ácido acético (etanoico), que siguen siendo preferidos en contextos generales.

$\ce{\color{#006cda}Ácido 3-metilbutanoico}$

$\ce{\color{#006cda}Ácido cis-3-metilbut-2-enoico}$ o $\ce{\color{#006cda}Ácido isocrotonico}$

Cuando el grupo carboxilo pierde un átomo de hidrógeno, se ioniza formando su base conjugada, el ion carboxilato. Esta forma ionizada es predominante en ambientes acuosos, como los que se encuentran en el interior de los seres vivos, debido al equilibrio químico con el agua. En cuanto a la nomenclatura, siguiendo las reglas tradicionales para las sales inorgánicas, se elimina la palabra "ácido" y el sufijo "-ico" del nombre original se sustituye por "-ato".

$\ce{\color{#006cda}Ion 3-metilbutanoato}$

A diferencia de los iones inorgánicos, como el ion sulfato, en los cuales la carga iónica se dispersa uniformemente a través de toda la estructura debido a la resonancia y simetría, los iones orgánicos tienden a tener sus cargas más localizadas. Esta característica genera regiones de alta densidad de carga en las moléculas orgánicas, lo que influye significativamente en su interacción con otras moléculas. En sistemas complejos, como las proteínas, estas cargas localizadas contribuyen a la formación de regiones con propiedades específicas, como superficies con texturas adherentes o sitios activos altamente reactivos, esenciales para procesos biológicos como la catálisis enzimática o la unión molecular selectiva.

Como ocurre con todos los aniones, los derivados de ácidos carboxílicos tienen la capacidad de unirse a cationes, como los de metales. Esta interacción es particularmente relevante cuando el ácido carboxílico forma parte de una proteína, ya que permite la formación de metaloproteínas. Estas biomoléculas poseen propiedades especiales, como la capacidad de participar en reacciones catalíticas, transporte de electrones, o estabilización estructural, desempeñando roles esenciales en procesos biológicos como la respiración celular y la detoxificación.

$\ce{\color{#006cda}3-metilbutanoato de sodio}$

$\ce{\color{#006cda}3-metilbutanoato de calcio}$

Observa que el enlace entre el oxígeno y el metal se representa sin una línea, ya que se trata de una unión iónica basada en la atracción electrostática entre cargas positivas y negativas. Por esta razón, en la representación se indican las cargas, que son las responsables de la fuerza atractiva. Las líneas o barras deben utilizarse únicamente para representar enlaces covalentes o covalentes de baja polaridad.

Un éster es un homólogo de las sales mencionadas, pero en lugar de un catión fuertemente positivo, lo que se une al oxígeno es otra cadena de carbono. En este caso, la cadena principal está formada por los carbonos unidos a ambos oxígenos del ion carboxilato. La nomenclatura es binomial, y el grupo alquilo que acompaña al éster lleva la terminación "-ilo" en lugar de "-il", como es comúnmente utilizado en otros casos.

$\ce{\color{#006cda}3-metilbutanoato de metilo}$

A pesar de lo mencionado anteriormente, muchos ácidos carboxílicos lineales se conocen por sus nombres comunes o tradicionales, incluso en publicaciones especializadas. Como ya hemos indicado, el ácido metanoico y el ácido etanoico se conocen como ácido fórmico (por su presencia en las hormigas) y ácido acético (por su relación con el vinagre), respectivamente. Sin embargo, otros ácidos carboxílicos lineales también tienen nombres tradicionales:

Ácido propanoico: ácido propiónico (proveniente de "propion", que significa grasa simple).
Ácido butanoico: ácido butírico (derivado de "butyrum", mantequilla).
Ácido pentanoico: ácido valérico (proveniente de la planta valeriana).
Ácido hexanoico: ácido caproico (derivado de "caper", cabra).
Ácido octanoico: ácido caprílico (de "caper", cabra).
Ácido decanoico: ácido caprico (también de "caper", cabra).
Ácido dodecanoico: ácido láurico (de "laurus", laurel).

Los ácidos carboxílicos de 16, 18 y 20 carbonos son especialmente abundantes en las grasas y aceites, así como en los componentes de las membranas biológicas, conocidos como fosfolípidos. Cuando se usan nombres comunes, a menudo se agregan prefijos con letras griegas, como alfa, beta, gamma, delta, etc., para indicar la posición de los sustituyentes. La posición alfa en un ácido carboxílico es la que está directamente adyacente al grupo carboxilo, es decir, el carbono 2. Por ejemplo, el GABA (ácido gamma-amino butírico), un neurotransmisor inhibitorio en el sistema nervioso central de los humanos, tiene el sustituyente amino en el carbono 4, ya que "gamma" es la tercera letra del alfabeto griego.

Figura 1. Mapa conceptual con las principales reacciones de los ácidos carboxílicos.

Propiedades químicas: acidez y disociación
Los ácidos carboxílicos son ácidos clásicos según la teoría de Brønsted, ya que actúan como donantes de protones ( $\ce{\color{#006cda}H^+}$ ). Además, son ácidos débiles, es decir, un tipo de electrolito débil, ya que su disociación es incompleta. En general, su constante de disociación ácida ( $\alpha$ o factor de ionización) es muy pequeña, lo que significa que la forma molecular neutra predomina sobre las formas ionizadas.