El vinagre —ya sea el de malta que se agita sobre las patatas fritas o el balsámico que se añade al aliño de la ensalada— suele tener un 5-8% de ácido acético en volumen. Tiene un sabor agudo y astringente y un pH bajo. Su elaboración es bastante sencilla: se deja una botella de sidra de manzana al sol y, en poco tiempo, las bacterias Acetobacter que existen de forma natural empiezan a convertir el etanol presente en ácido acético.
El ácido acético se conoce científicamente como ácido etanoico y es uno de los ácidos carboxílicos más comunes.
Pero, ¿qué es un ácido carboxílico?
- Este artículo es una introducción a los ácidos carboxílicos en química orgánica.
- Para empezar, definiremos el ácido carboxílico y exploraremos tanto el grupo funcional del ácido carboxílico como su estructura general.
- A continuación, veremos ejemplos de ácidos carboxílicos.
- Después, aprenderemos sobre la nomenclatura de los ácidos carboxílicos, antes de pasar a explorar sus propiedades y su acidez.
- Finalmente, abordaremos la producción y las reacciones de los ácidos carboxílicos, incluida la prueba de los ácidos carboxílicos.
¿Qué son los ácidos carboxílicos?
Los ácidos carboxílicos son moléculas orgánicas con el grupo funcional carboxilo, -COOH.
¿Cuál es la estructura de los ácidos carboxílicos?
Veamos ahora, en profundidad, cómo es la estructura de los ácidos carboxílicos.
Grupo funcional del ácido carboxílico
La definición anterior nos dice que todos los ácidos carboxílicos contienen el grupo funcional carboxilo, -COOH. Este grupo está formado por otros dos grupos funcionales:
El grupo hidroxilo, que se encuentra en los alcoholes, -OH.
El grupo carbonilo, que se encuentra en los aldehídos y las cetonas, C=O.
Estructura de los ácidos carboxílicos
La combinación de los grupos funcionales hidroxilo y carbonilo da a los ácidos carboxílicos la fórmula general RCOOH.
Fig. 1: Estructura general de un ácido carboxílico (con el grupo carbonilo en azul y el grupo hidroxilo en rojo).
Observa la estructura general de un ácido carboxílico que mostramos arriba. Sabemos que un átomo de carbono solamente puede formar cuatro enlaces covalentes, porque solo tiene cuatro electrones de la capa externa.
El grupo funcional carboxilo ocupa tres de estos electrones: dos forman un doble enlace C=O con el átomo de oxígeno y uno con el grupo hidroxilo, -OH. Esto significa que al átomo de carbono únicamente le queda un electrón que puede utilizar para formar un enlace.
Entonces, solo puede unirse a otro grupo R, ya sea una cadena larga y compleja o un simple átomo de hidrógeno. Independientemente del grupo R, esta disposición significa que el grupo funcional del ácido carboxílico debe estar siempre al final de una cadena de hidrocarburos.
Ejemplos de ácidos carboxílicos
Los ácidos carboxílicos van desde moléculas sencillas —como el ácido metanoico, que solo tiene un átomo de carbono— hasta moléculas complejas, que tienen decenas de átomos de carbono. A continuación, encontrarás una tabla con los nombres comunes y de la IUPAC de algunos de los ácidos carboxílicos más pequeños.
Tabla de los ácidos carboxílicos
| Nombre común | Nombre IUPAC | Número de átomos de carbono |
| Ácido fórmico | Ácido metanoico | 1 |
| Ácido acético | Ácido etanoico | 2 |
| Ácido propiónico | Ácido propanoico | 3 |
| Ácido butírico | Ácido butanoico | 4 |
| Ácido valérico | Ácido pentanoico | 5 |
| Ácido caproico | Ácido hexanoico | 6 |
Tabla 1. Ácidos carboxílicos: resumen.
Otro ejemplo de ácidos carboxílicos son todos los aminoácidos, desde el más pequeño (la glicina) hasta el más grande (el triptófano).
Los ácidos grasos también son ácidos carboxílicos. Quizá hayas oído hablar de los omega-3 y los omega-6, dos nutrientes esenciales. Ambos son ácidos grasos; por lo tanto, son ácidos carboxílicos.
Fig. 2: Estructura de los aminoácidos.
Si observamos los nombres comunes de muchos ácidos carboxílicos, podemos adivinar de dónde proceden:
- La palabra latina capra significa cabra, por lo que el ácido caproico se encuentra en la grasa de cabra.
- El ácido mirístico, un ácido carboxílico con 14 átomos de carbono, procede de la nuez moscada, que se obtiene del fruto de una especie de planta aromática conocida como Myristica.
Nomenclatura de los ácidos carboxílicos
Los ácidos carboxílicos se nombran utilizando la nomenclatura estándar de la IUPAC (consulta Nomenclatura Orgánica, si es la primera vez que ves cómo se nombran las moléculas orgánicas). El metódico sistema de la IUPAC hace que nombrar los ácidos carboxílicos sea bastante sencillo.
Echemos un rápido vistazo a algunas de sus reglas:
- Los ácidos carboxílicos llevan el sufijo -oico.
- Utilizamos los nombres de raíz estándar para mostrar la longitud de la molécula.
- Mostramos los grupos funcionales y las cadenas laterales adicionales utilizando prefijos y números para indicar su posición en la cadena de carbono, contando el átomo de carbono del grupo funcional -COOH como carbono 1.
Estas tablas te permitirán recordar rápidamente los diferentes nombres, raíces y prefijos utilizados para nombrar las moléculas:
| Longitud de la cadena de carbono | Nombre de la raíz / Sufijo |
| 1 | -met- |
| 2 | -et- |
| 3 | -prop- |
| 4 | -but- |
| Grupo funcional | presente Prefijo |
| -Cl | cloro- |
| -Br | bromo- |
| -I | yodo- |
| -OH | hidroxi- |
| -NH2 | amino- |
Tabla 2. Ácidos carboxílicos: cómo nombrar moléculas.
Veamos un ejemplo.
Nombra este ácido carboxílico.
Fig. 3: Un ácido carboxílico desconocido.
La cadena de carbono de esta molécula tiene tres átomos de longitud, por lo que sabemos que toma el nombre de raíz -prop-. También contiene un átomo de cloro; por lo tanto, tenemos que utilizar el prefijo cloro-.
Recuerda que contamos el átomo de carbono que forma parte del grupo carboxilo como el carbono 1; así que, en este caso, el átomo de cloro está unido al carbono 2. Llamamos a esta molécula ácido 2-cloropropanoico.
Fig. 4: Ácido 2-cloropropanoico.
Propiedades de los ácidos carboxílicos
Fíjate bien en el grupo -COOH. Como sabemos, no solo contiene el grupo funcional carbonilo, C=O, sino también el grupo funcional hidroxilo, -OH.
Si miramos una tabla de electronegatividades, podemos ver que el oxígeno es mucho más electronegativo que el carbono y el hidrógeno.
Tabla 3. Ácidos carboxílicos: electronegatividad de elementos.
¿Qué significa esto?
La electronegatividad es la capacidad de un átomo de atraer hacia sí un par de electrones compartido o de enlace.
En este caso, los dos átomos de oxígeno del grupo -COOH tiran de los electrones que utilizan para unirse a los otros átomos de carbono e hidrógeno, y acercan los electrones hacia ellos.
Esto hace que los dos átomos de oxígeno estén parcialmente cargados negativamente y deja a los átomos de carbono e hidrógeno parcialmente cargados positivamente. Los enlaces son, ahora, polares. Los etiquetamos con el símbolo delta, δ.
En el siguiente diagrama se pueden ver las cargas parciales, así como los pares de electrones solitarios de los átomos de oxígeno.
Fig. 5: Cargas parciales en un ácido carboxílico.
De hecho, el enlace O-H en los ácidos carboxílicos es tan polar (debido a las diferentes electronegatividades del oxígeno y el hidrógeno) que los ácidos carboxílicos pueden formar enlaces de hidrógeno:
- En un enlace OH, el átomo de oxígeno atrae hacia sí el par de electrones compartido con bastante fuerza.
- Esto deja al átomo de hidrógeno con una carga positiva parcial.
- Como el átomo de hidrógeno es tan pequeño, la carga está muy concentrada.
- El átomo de hidrógeno es atraído por uno de los pares de electrones solitarios de un átomo de oxígeno perteneciente a una molécula vecina.
- Se trata de un enlace de puentes de hidrógeno.
Fig. 6: Enlaces de puentes de hidrógeno en los ácidos carboxílicos
Los enlaces de puentes de hidrógeno son relativamente fuertes. Influyen en muchas de las propiedades de los ácidos carboxílicos.
Puntos de fusión y ebullición
Los ácidos carboxílicos tienen puntos de fusión y ebullición más altos que los alcanos y aldehídos similares. Como ya sabemos, esto se debe a que los ácidos carboxílicos forman enlaces de hidrógeno entre las moléculas. En cambio, las fuerzas intermoleculares más fuertes entre los aldehídos son las fuerzas dipolares permanentes; mientras que las fuerzas más fuertes entre los alcanos son las fuerzas de Van der Waals. Los enlaces de hidrógeno son mucho más fuertes que las fuerzas dipolo-dipolo permanentes y las fuerzas de van der Waals, por lo que requieren más energía para superarlos.
Además, los ácidos carboxílicos tienen puntos de fusión más altos que los alcoholes similares, a pesar de que los alcoholes también forman enlaces de hidrógeno. Esto se debe a que dos ácidos carboxílicos pueden formar enlaces de hidrógeno de una manera determinada para producir una molécula llamada dímero. Podemos considerar un dímero como dos moléculas de ácido carboxílico unidas para formar una molécula mayor. Esto significa que experimenta fuerzas de Van der Waals de doble fuerza; al contrario de los alcoholes, que no forman estos dímeros.
Fig. 7: Dos moléculas de ácido etanoico crean un dímero mediante enlaces de puentes de hidrógeno.
Solubilidad
Los ácidos carboxílicos también pueden formar enlaces de hidrógeno con el agua. Esto hace que los ácidos carboxílicos de cadena corta sean solubles en soluciones acuosas. Sin embargo, las moléculas de cadena larga son insolubles, porque sus cadenas de hidrocarburos no polares se interponen en el camino del enlace de hidrógeno y rompen los enlaces.
Imagina que utilizas un imán para recoger limaduras de hierro. Si pones algo entre el imán y las limaduras, como un bloque de madera, no podrás recoger tantas: la fuerza de la atracción ha disminuido.
Acidez y desprotonación de los ácidos carboxílicos
Los ácidos carboxílicos, como su nombre indica, son ácidos.
Un ácido es un donante de protones.
Y, para ser más específicos, los ácidos carboxílicos son ácidos débiles.
Un ácido débil es un ácido que solo se disocia parcialmente en solución.
- En cambio, los ácidos fuertes se disocian totalmente en solución.
Para saber más sobre los ácidos fuertes y débiles, consulta Ácidos y Bases.
En solución, los ácidos carboxílicos forman un equilibrio, en el que algunas de las moléculas se disocian en un ion hidrógeno positivo y un ion carboxilato negativo, y otras permanecen intactas:
\[RCOOH \rightleftharpoons RCOO^-+H^+\]
Como los ácidos carboxílicos son tan débiles, el equilibrio se sitúa bien a la izquierda. Esto significa que solo unas pocas moléculas se disocian. Y como los ácidos carboxílicos son ácidos, tienen un pH inferior a 7. Participan en muchas reacciones ácido-base típicas, que te presentaremos más adelante.
Acidez relativa de los ácidos carboxílicos, los alcoholes y el fenol
Como vimos, los ácidos carboxílicos son ácidos débiles porque su grupo hidroxilo (-OH) cede un protón (que no es más que un ion hidrógeno) en solución. En consecuencia, te preguntarás por qué otras moléculas que tienen el mismo grupo funcional hidroxilo, como los alcoholes (ROH) y los fenoles (C6H5OH), no son ácidos. Para entenderlo, hay que tener en cuenta dos factores:
- La fuerza del enlace O-H.
- La estabilidad del ion negativo formado.
Fuerza del enlace
El enlace O-H de los ácidos carboxílicos es mucho más débil que el de los alcoholes y el fenol. Esto se debe al otro grupo funcional del ácido carboxílico, el grupo carbonilo (C=O). El grupo carbonilo es un grupo que atrae electrones, lo que significa que atrae hacia sí el par de electrones compartido en el enlace O-H; así, debilita el enlace O-H. Un enlace O-H más débil hace que los ácidos carboxílicos pierdan más fácilmente el hidrógeno en forma de iones H+, lo que les confiere una mayor acidez. Sin embargo, los alcoholes y el fenol carecen de un grupo que retire electrones, por lo que sus enlaces O-H son tan fuertes como siempre.
Estabilidad de los iones
Pensemos ahora en el ion que se forma cuando los ácidos carboxílicos, los alcoholes y el fenol actúan como ácidos al perder un protón (un ion hidrógeno, H+). Cuanto más estable sea este ion, menos fácilmente se unirá de nuevo a un ion hidrógeno y mayor será la acidez de la molécula original.
Cuando los ácidos carboxílicos pierden un protón, forman iones carboxilato negativos, RCOO-. La carga negativa se deslocaliza, a través de los dos enlaces carbono-oxígeno. En lugar de tener un enlace simple C-O y un enlace doble C=O, el ion carboxilato tiene dos enlaces idénticos carbono-oxígeno; cada uno de ellos equivalente a un enlace y medio. La deslocalización es muy buena para el ion, ya que estabiliza la molécula y hace que los electrones del oxígeno estén menos disponibles para unirse de nuevo a un ion hidrógeno.
Sin embargo, los alcoholes y los fenoles no forman un ion negativo tan estable. Cuando los alcoholes se ionizan, forman el ion alcóxido, RO-. Este es un ion muy inestable. En primer lugar, el grupo R tiende a ser una cadena de hidrocarburos, que es donante de electrones y, por tanto, aumenta la densidad electrónica del oxígeno. En segundo lugar, la carga negativa no puede deslocalizarse y se concentra en el átomo de oxígeno. En definitiva, se trata de un ion reactivo que no puede esperar a unirse de nuevo a un ion hidrógeno para formar un alcohol.
Cuando los fenoles se ionizan, forman el ion fenóxido, C6H5O-. Al igual que con el ion carboxilato, la carga negativa se deslocaliza; en este caso, se deslocaliza a través del anillo bencénico entero. Una vez más, la deslocalización hace que el ion sea más estable, por lo que el fenol es un ácido más fuerte que los alcoholes. Pero, la deslocalización en los iones de fenóxido es más débil que la deslocalización en los iones de carboxilato, porque se reparte entre los átomos de carbono menos electronegativos. Esto significa que el oxígeno de los iones fenóxido sigue manteniendo la mayor parte de su carga negativa y es más atractivo para los iones H+ que el oxígeno de los iones carboxilato. En definitiva, el fenol es un ácido más fuerte que los alcoholes, pero más débil que los ácidos carboxílicos.
Fig. 8: La estabilidad del ion resultante juega un rol en la acidez de los ácidos carboxílicos, los alcoholes y el fenol.
Acidez relativa de diferentes ácidos carboxílicos
La acidez también varía entre diferentes moléculas carboxílicas. Exploraremos las tendencias de la acidez en los ácidos carboxílicos con diferentes longitudes de cadena y diferentes números de sustituyentes de cloro.
Longitud de la cadena
El aumento de la longitud del grupo hidrocarburo R del ácido carboxílico, mediante la adición de grupos -CH2- adicionales, disminuye la fuerza del ácido. Cuanto más larga sea la cadena de hidrocarburos, más débil será el ácido. Esto se debe a que los grupos alquilos son donadores de electrones; alejan los electrones de sí mismos y aumentan la fuerza del enlace O-H. Esto hace más difícil que el grupo -COOH ceda un ion hidrógeno. También aumenta la densidad de carga del grupo -COO- del ion carboxilato resultante, lo que facilita que el ion se vuelva a unir al H+.
Sustitutos del cloro
El cambio de algunos de los átomos de hidrógeno en el grupo R del ácido carboxílico por grupos que retiran electrones, como los átomos de cloro electronegativos, aumenta la fuerza del ácido. Cuantos más sustituyentes de cloro haya, más fuerte será el ácido. Esto se debe a que los grupos que retiran electrones, como los átomos de cloro, alejan los electrones del grupo -COOH; así, debilitan el enlace O-H y facilitan que el ácido carboxílico pierda un ion hidrógeno. Estos grupos también disminuyen la densidad de carga del grupo -COO- del carboxilato resultante, lo que dificulta que el ion se vuelva a unir al H+.
Fig. 9: Efecto de la longitud de la cadena y los sustituyentes en la acidez relativa de los ácidos carboxílicos.
Formación de ácidos carboxílicos
Al principio de este artículo, mencionamos que si se deja la sidra al sol, acaba convirtiéndose en vinagre. La sidra es un alcohol. En esta reacción, se oxida primero en un aldehído y luego en un ácido carboxílico. La oxidación es una forma de producir ácidos carboxílicos.
Oxidación
En el laboratorio, solemos producir ácidos carboxílicos por oxidación, calentando un alcohol primario a reflujo con un agente oxidante como el dicromato potásico acidificado (K2Cr2O7). El reflujo impide que el aldehído formado en primer lugar se evapore y permite que siga reaccionando hasta convertirse en un ácido carboxílico.
Fig. 10: Montaje de un equipo de reflujo.
Por ejemplo, al hacer reaccionar etanol (CH3CH2OH) con dicromato de potasio acidificado se produce primero etanal (CH3CHO) y luego ácido etanoico (CH3COOH):
\[CH_3CH_2OH+2[O]\rightarrow CH_3COOH+H_2O\]
Utilizamos [O] para representar un agente oxidante.
Asimismo, al oxidar el butanol (CH3CH2CH2OH) se obtiene el ácido butanoico (CH3CH2CH2COOH):
\[CH_3CH_2CH_2CH_2OH+2[O]\rightarrow CH_3CH_2CH_2COOH+H_2O\]
El alcohol utilizado debe ser un alcohol primario. La oxidación de un alcohol secundario produce una cetona, mientras que los alcoholes terciarios no pueden oxidarse en absoluto. Esto se debe a que la oxidación de un alcohol terciario implicaría la ruptura de un fuerte enlace C-C. No es energéticamente favorable hacerlo, por lo que no se produce ninguna reacción.
Consulta Oxidación de alcoholes para ver con más detalle las reacciones de oxidación.
Se puede hacer vinagre con cualquier tipo de alcohol. Por ejemplo, al oxidar la cerveza se obtiene un vinagre de malta rico e intenso, mientras que al oxidar el vino blanco se obtiene un vinagre de vino afrutado.
Para elaborarlo tu mismo:
- Debes diluir primero el alcohol elegido hasta un 10% de alcohol en un recipiente grande.
- Mezcla una fuente de Acetobacter, como un vinagre vivo; es decir, que contenga un cultivo vivo de bacterias.
- Cubre el recipiente con una tela fina de muselina y déjalo en un lugar cálido y oscuro durante un par de meses, probando cada semana más o menos para ver cómo le va.
En poco tiempo, tendrás un vinagre único y sabroso en tus manos.
Otros métodos
La oxidación no es la única forma de producir ácidos carboxílicos. Es probable que te encuentres con otros métodos durante tu viaje por la química orgánica. Entre ellos se encuentran:
Hidrólisis de nitrilos, utilizando un ácido diluido o un álcali diluido seguido de acidificación.
Hidrólisis de ésteres, con un ácido diluido o un álcali diluido seguido de acidificación.
Reacción de adición-eliminación electrofílica de cloruros de acilo con agua.
Reacción de adición-eliminación electrofílica de anhídridos ácidos con agua.
Para saber más sobre estas reacciones, consulta las secciones Nitrilos, Reacciones de ésteres y Acilación, respectivamente. Sin embargo, también ofrecemos información adicional sobre ellas en Reacciones de los ácidos carboxílicos.
Reacciones de los ácidos carboxílicos
Los ácidos carboxílicos reaccionan de múltiples maneras, gracias a su grupo polar -COOH.
Algunos ejemplos son:
- Sustitución nucleofílica, cuando un nucleófilo ataca el átomo de carbono parcialmente cargado positivamente. Hay que recordar que un nucleófilo es un donante de pares de electrones con un par de electrones solitario y carga negativa o parcialmente negativa. Esto puede formar toda una serie de productos conocidos como derivados ácidos, como los cloruros de acilo y los anhídridos ácidos.
- La esterificación, otro tipo de reacción de sustitución nucleófila, en la que el nucleófilo es un alcohol. Así se forma un éster.
- Reacciones de adición, a través del enlace C=O.
- Reacciones de neutralización, en las que la molécula actúa como un ácido y se pierde un ion hidrógeno del grupo -OH. Este proceso forma una sal.
Puedes ver muchas de ellas con más detalle en Reacciones de los ácidos carboxílicos.
Análisis de los ácidos carboxílicos
Para comprobar la presencia de ácidos carboxílicos, nos basamos en su comportamiento como ácido. Los ácidos carboxílicos reaccionan con los carbonatos para formar una sal, agua y gas carbónico, mientras que la mayoría de las demás moléculas orgánicas no reaccionan. El burbujeo de gas a través del tubo de ensayo es un signo revelador de una reacción.
Por ejemplo, al reaccionar el ácido etanoico con el carbonato de sodio se forma etanoato de sodio, agua y dióxido de carbono:
\[2CH_3COOH_{(aq)}+Na_2CO_{3(aq)}\rightarrow 2CH_3COONa_{(aq)}+CO_{2(g)}+H_2O_{(l)}\]
Ácidos carboxílicos - Puntos clave
- Los ácidos carboxílicos tienen la fórmula general RCOOH y contienen los grupos funcionales carbonilo e hidroxilo.
- Los ácidos carboxílicos se nombran con el sufijo -oico.
- Los ácidos carboxílicos son moléculas polares. Como contienen un átomo de hidrógeno unido a un átomo de oxígeno, también experimentan enlaces de hidrógeno.
- Los ácidos carboxílicos tienen puntos de fusión y ebullición más altos que los alcanos, aldehídos y alcoholes similares, debido a la naturaleza de sus enlaces de hidrógeno.
- Los ácidos carboxílicos son ácidos débiles.
- Son más ácidos que otras moléculas que presentan el grupo hidroxilo, como los alcoholes y el fenol. Su acidez depende de los grupos adicionales que retiran electrones, como los átomos de cloro, y de la longitud de su grupo R hidrocarbonado.
- Los ácidos carboxílicos suelen producirse mediante la oxidación de un alcohol primario.
- Los ácidos carboxílicos pueden reaccionar de múltiples maneras; incluso como ácido, en reacciones de adición y en reacciones que implican nucleófilos.
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