Acidi Carbossilici, Esteri, Amidi e Tioesteri

Gli ACIDI CARBOSSILICI sono particolari composti il cui gruppo funzionale è il gruppo carbossile COOH, che possiede un gruppo carbonilico ed un gruppo ossidrilico legati allo stesso carbonio. Il restante legame del carbonio carbossilico può essere formato con un gruppo aromatico o alifatico.
Il nome di questi composti deriva dall’alcano corrispondente (con un uguale numero di atomi di carbonio), cambiando la desinenza del nome dell’alcano da -o- in -oico-, il tutto preceduto dalla parola “acido”. Il primo termine della serie è rappresentato dall’acido metanoico, poi successivamente la catena si può allungare. Il loro nome comune deriva dalla fonte naturale che li contiene in quantità rilevanti o da cui sono stati prelevati per la prima volta.

La numerazione di questi composti parte sempre dal carbonio terminale che ha il gruppo carbossilico, il quale è sempre presente ad un terminale della catena carboniosa. Questi composti si possono numerare nella nomenclatura comune con le lettere greche, partendo dal carbonio α, quello vicino al carbonio del gruppo carbossilico. Nel caso sia presente un gruppo carbonilico nell’acido carbossilico, usiamo il prefisso -oxo- per identificarlo all’interno della catena carboniosa. I nomi degli acidi aromatici si ricavano aggiungendo il suffisso -oico- ad un’opportuna radice derivata dal nome dell’idrocarburo aromatico, al solito premettendo la parola acido.

Per quanto riguarda le proprietà fisiche di questi composti, essi sono dotati di alti punti di ebollizione (tenendo conto del loro peso molecolare), per l’alta possibilità di formare legami idrogeno (tra due molecole di acido carbossilico si possono formare due legami idrogeno), inoltre i primi termini della serie sono solubili in acqua, fino a tre atomi di carbonio, poi a crescere viene persa la solubilità di questi composti in acqua.

Chimicamente possiamo definire questi composti come acidi, ovvero come sostanze in grado di cedere ioni H+, i quali vengono dissociati molto meglio rispetto agli alcoli e ai fenoli. Gli acidi carbossilici sono più acidi di alcoli e fenoli perchè il gruppo carbossilico ha un gruppo carbonilico fortemente polare che richiama elettroni dal carbonio carbossilico, di conseguenza il legame O-H è più polarizzato di quanto non fosse negli alcoli e nei fenoli, in quanto la carica positiva piuttosto forte presente sul carbonio carbossilico consente all’ossigeno di diventare ancora più elettronegativo. Si parla in questo caso di fenomeno induttivo. Inoltre l’acido carbossilico, quando viene dissociato il suo ione H+, si trasforma in ione carbossilato, che è stabilizzato per risonanza, con un orbitale molecolare allungato che si estende sopra e sotto il piano del gruppo carbossilico.

Queste due forme di risonanza sono identiche, si ha dunque un “risuono” prefetto tra le due forme, che non dominano l’una sull’altra, mentre la stabilizzazione dello ione fenato, di minor forza rispetto a questa stabilizzazione, non ammetteva forme limite tutte sullo stesso livello, ma quella con la carica negativa sull’ossigeno predominava su tutte le altre. In questo caso le due forme dello ione carbossilato non prevalgono l’una sull’altra, possiamo dire che ogni atomo di ossigeno porta soltanto metà carica negativa. La lunghezza dei legami ne è la prova, infatti il legame CO è lungo 1,24 A, ovvero la lunghezza di un doppio legame CO. Non sono tuttavia questi composti degli acidi forti, ma sono considerati acidi relativamente deboli, per l’effetto del gruppo alchilico legato al carbonio carbossilico, che essendo un composto elettrondonatore neutralizza in parte la carica positiva sul carbocatione, infatti nell’acido formico dove manca il gruppo alchilico si ha già un acido piuttosto forte.
Se al posto di idrogeni legati ai carboni del gruppo alchilico mettiamo atomi di elementi più elettronegativi del carbonio, come gli alogeni (ad esempio il cloro), si ha un acido molto forte, in quanto gli atomi di cloro sono piuttosto elettronegativi e non sono elettrondonatori ma elettronriceventi, tendono dunque a stabilizzare la carica negativa presente sullo ione carbossilato, rendendo ancora più stabile questa base coniugata.

Le reazioni degli acidi carbossilici possono riguardare le reazioni con le basi per formare sali, possono essere ridotti ai loro corrispondenti aldeidi oppure possono reagire con gli alcoli per condensazione a formare esteri, inoltre possono anche essere decarbossilati con formazione di CO2.

Il gruppo R legato al gruppo carbossilico può anch’essere aromatico, il suo capostipite è l’acido benzoico. Questi gruppi aromatici, essendo elettronaccettori, esaltano la polarità del legame O-H, sono dunque più acidi dei corrispondenti acidi carbossilici alifatici e hanno dei maggiori punti di ebollizione a parità di peso molecolare perchè formano dei legami idrogeno piuttosto forti.

Nei derivati degli acidi carbossilici, quando l’idrogeno legato all’ossigeno è sostituito da diversi gruppi sostituenti, è necessario nominare la parte R-C—O-, chiamata GRUPPO ACILICO: i nomi di questi nuovi gruppi funzionali si ricavano dal corrispondente acido carbossilico cambiando la desinenza in da -oico- in -ile-.

L’acido formico è chiamato in questo modo perchè è stato estratto per la prima volta dalle formiche, a contatto con la pelle ne abbassa il pH e dà una sensazione di prurito. L’acido acetico è contenuto nell’aceto, in una soluzione acquosa in cui è concentrato solitamente al 4-5 %. Esso si ottiene dalla fermentazione acetica, precisamente dalle bevande che contengono etanolo il quale viene ossidato (con un passaggio intermedio ad aldeide). I batteri sono gli unici organismi viventi che presentano enzimi per passare da etanolo-aldeide-acido acetico.
La madre dell’aceto è definita dalla colonia di batteri che producono acido acetico. Nel nostro corpo non siamo in grado di far avvenire queste reazioni ma possediamo acetile, un metabolita centrale perchè è il prodotto di degradazione ossidativa degi zuccheri e dei grassi, inoltre è anche il punto d’inizio della sintesi di acidi grassi o steroidi. L’acetile può essere completamente degradato ossidativamente nel ciclo di Krebs, che porta alla formazione di CO2 e H2O.

Gli ESTERI sono composti derivati dalla reazione di condensazione di acidi carbossilici con alcoli. Essi possono considerarsi all’interno dei composti carbossilici come dei sostituenti R al posto di H.

I composti che derivano da questi composti prendono il nome come se fossero dei composti salini, sebbene non abbiano nessuna caratteristica da sale. Antepongono il nome dell’acido carbossilico con la desinenza che cambia da -ico- ad -ato-, togliendo la parola “acido”, a cui fanno seguire il nome del sostituente che si lega all’ossigeno che forma un solo legame con il carbonio carbossilico, solitamente un gruppo alchilico o aromatico. Gli acidi da cui derivano gli esteri possono essere anche acidi aromatici, come il benzoato di metile che deriva dall’acido benzoico.

Questi composti hanno odori gradevoli e punti di ebollizione inferiori agli acidi carbossilici a parità di peso molecolare, non possono infatti formare tra loro legami idrogeno.

Gli esteri si formano con una particolare reazione di condensazione detta esterificazione, che avviene tra acidi carbossilici ed alcoli, di cui noi vediamo il meccanismo.

Il legame estereo può essere idrolizzato (ovvero scisso) con 2 meccanismi diversi: si può avere un idrolisi acida o un idrolisi alcalina. L’idrolisi acida ripercorre tutte le tappe appena fatte nel meccansimo di formazione dell’estere da un acido carbossilico e da un alcol, mentre l’idrolisi alcalina avviene in un ambiente basico, richiede dunque una catalisi basica ed ha un meccanismo un po’ diverso rispetto all’idrolisi acida. Gli esteri possono dare anche una reazione con ammoniaca o derivati dell’ammoniaca (tipo le ammine), dove si formano ammidi, di cui vediamo il meccanismo.

I TIOESTERI sono caratterizzati dalla presenza di zolfo nei loro composti, di cui quelli molto importanti dal punto di vista biologico sono quelli formati dal coenzima A. Esso ha un gruppo tioalcolico, che reagendo con acidi carbossilici può formare tioesteri. Un tioestere molto importante dal punto di vista biologico è l’acetil coenzima A (il coenzima A è legato ad un gruppo acetilico), il quale entra nel metabolismo sotto questa forma per poi venire ossidato nel ciclo di Krebs a CO2 e acqua. L’acetil coenzima A si forma dalla scomposizione di molecole complesse che entrano nella nostra dieta come lipidi e glucidi, che forniscono l’acido piruvico.

Gli acidi con due gruppi carbossilici sono detti ACIDI DICARBOSSILICI, e vengono indicati solitamente con nomi comuni. Sono considerati come acidi diprotici, la loro dissociazione, come per tutti gli acidi diprotici, avviene in maniera graduale, con ogni dissociazione avente un certo valore di pKa. Nella prima dissociazione abbiamo un valore molto alto di dissociazione eprchè l’influenza del gruppo carbossilico, che polarizza il legame C—O, rende molto polare il legame

O-H. Invece nella seconda dissociazione si ha un valore molto più basso di dissociazione perchè estrarre un idrogeno in un composto dove è presente una carica negativa è molto più difficile. Nell’acido adipico, dove i due gruppi carbossilici sono separati da diversi atomi di carbonio, l’influenza della carica negativa si sente molto meno. Uno di questi acidi è l’acido malonico, molto importante dal punto di vista biologico, che entra nel metabolismo come tioestere, come malonil-coenzima A, rappresenta un intermedio della sintesi degli acidi grassi. L’acido succinico è un intermedio del ciclo di Krebs.

Gli OSSIACIDI sono composti caratterizzati da un gruppo alcolico ed un gruppo carbossilico, sono dunque composti polifunzionali, possono dare le reazioni caratteristiche degli acidi carbossilici e degli alcoli. Tra questi composti distinguiamo gli α-ossiacidi e i β-ossiacidi. I β-ossiacidi danno una reazione di disidratazione con catalisi acida, con la formazione di un doppio legame tra il carbonio α ed il carbonio β. È una reazione reversibile e si forma un acido αβ-insaturo.

I due composti più semplici di queste due famiglie sono l’acido α-lattico (è il prodotto finale della glicolisi anaerobia. In mancanza di ossigeno abbiamo la produzione di acido lattico da acido piruvico, ad esempio nel muscolo sottosforzo ma anche nel latte inacidito, dove particolari batteri agiscono sul lattosio degradandolo ad acido lattico, che ossidato può formare acido piruvico) e l’acido β-lattico (non è importante dal punto di vista biologico).

Gli IDROSSIACIDI BICARBOSSILICI sono composti ossiacidi che hanno due gruppi carbossilici, alle due estremità della catena. Uno dei più importanti dal punto di vista biologico è l’acido malico che per ossidazione forma l’acido ossalacetico: questa è una reazione presente nel ciclo di Krebs.

Gli IDROSSIACIDI TRICARBOSSILICI sono composti ossiacidi che presentano tre gruppi carbossilici. Il più importante di questi composti dal punto di vista biologico è l’acido citrico (presente negli agrumi), che può andare incontro a disidratazione e formare acido cis-acolitico (i gruppi COOH sono dalla stessa parte). Una idratazione dell’acido cis-acolitico può portare alla formazione sia di acido citrico che acido isocitrico. Queste due reazioni rappresentano le prime reazioni che avvengono nel ciclo di Krebs, rappresentano il ciclo degli acidi tricarbossilici. In teoria queste reazioni sono reversibili ma nel ciclo di Krebs vanno solamente in questo senso.

I CHETOACIDI sono composti caratterizzati dalla presenza di un gruppo carbonilico e da un gruppo carbossilico, ed il più importante della famiglia è rappresentato dall’acido piruvico. Esso può andare incontro a riduzione andando a formare acido α-lattico, oppure può legarsi al coenzima A formando acetil coenzima A dopo essere stata decarbossilata. L’acido piruvico rappresenta il prodotto finale della glicolisi aerobia, che attraverso la decarbossilazione ossidativa può andare incontro alla formazione di acetil coenzima A (attraverso l’azione di tre enzimi e cinque coenzimi, tra cui l’acido lipoico e l’acetil coenzima A).
L’acido piruvico può essere anche decarbossilato ad acetaldeide e ridotto ad etanolo: questi sono i processi che avvengono nella fermentazione alcolica, di cui noi non abbiamo gli enzimi per produrle nel nostro corpo. L’acido piruvico può anche andare incontro a tautomeria chetoenolica, andando a formare l’acido enolpiruvico, il quale può essere esterificato (l’esterificazione può avvenire anche con acidi inorganici purchè ossidrilici, in questo caso con l’acido fosforico) ad acido fosfoenolpiruvico, il quale può essere defosforilato e effettuare le reazioni appena viste in senso inverso. Queste ultime due reazioni rappresentano le tappe finali della glicolisi.
Tra gli α-chetoacidi più importanti citiamo l’acido α-chetosuccinico e l’acido α-chetoglutarico (prodotto intermedio del ciclo di Krebs), mentre tra i β-chetoacidi non troviamo particolari composti che sono importanti dal punto di vista biologico perchè vanno incontro facilmente a decarbossilazione. Uno solo di questi composti è importante dal punto di vista biologico, ed è l’acido acetacetico, formatosi per ossidazione dall’acido β-idrossibutirrico, e che per decarbossilazione dà acetone. Questa è forse l’unica reazione che avviene nel nostro corpo e non è catalizzata, in quanto questi composti hanno una forte tendenza a decarbossilarsi. Quest’ultime tre molecole rappresentano i corpi chetonici.

Gli ACIDI FENOLICI sono acidi in cui ad un anello benzenico abbiamo legati un gruppo alcolico ed un gruppo carbossilico. Il capostipite di questa famiglia è l’acido salicilico, i cui sali hanno effetti antipiretici (abbassano la febbre) e sono blandi anestetici. Questi composti sono molto irritanti per la mucosa gastrica, per questo questi composti vengono ridotti ad esteri dell’acido salicilico, formando l’acido acetilsalicilico, in cui sostituiamo l’idrogeno carbossilico per formare sali attraverso idrolisi alcalina, solitamente con sodio (è quello che ingeriamo nell’aspirina).

Vediamo il meccanismo che mi porta la formazione da un acido carbossilico insaturo ad un tipo di acido lattico.

Gli ACIDI INSATURI BICARBOSSILICI sono composti aventi alle due estremità della catena due gruppi carbossilici, caratterizzati dalla presenza di un doppio legame. Il composto più semplice è caratterizzato da un isomeria cis-trans. La forma cis è rappresentata dall’acido maleico (tossico) e la forma trans è rappresentata dall’acido fumarico (composto intermedio del ciclo di Krebs).