Descarboxilación

Decarboxylation

La descarboxilación es una reacción química que elimina un grupo carboxilo y libera dióxido de carbono (CO₂). Por lo general, la descarboxilación se refiere a una reacción de ácidos carboxílicos, eliminando un átomo de carbono de una cadena de carbono. El proceso inverso, que es el primer paso químico en la fotosíntesis, se llama carboxilación, la adición de CO₂ a un compuesto. Las enzimas que catalizan las descarboxilaciones se llaman descarboxilasas o, el término más formal, carboxiliasas (EC número 4.1.1).

En química orgánica

El término "descarboxilación" generalmente significa el reemplazo de un grupo carboxilo (−C(O)OH) con un átomo de hidrógeno:

RH + CO2}}}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">RCO2Hrestablecimiento restablecimiento RH+CO2{displaystyle {ce {fnMicrosoft Sans Serif} RH + CO2}} RH + CO2}}}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/eee57f6287bf01ab0d2b5d674e34aa1a925d295c" style="vertical-align: -1.005ex; width:23.925ex; height:2.843ex;"/>

La descarboxilación es una de las reacciones orgánicas más antiguas que se conocen. Es uno de los procesos que se supone que acompaña a la pirólisis y la destilación destructiva. Las sales metálicas, especialmente los compuestos de cobre, facilitan la reacción mediante la intermediación de complejos de carboxilato metálico. La descarboxilación de carboxilatos de arilo puede generar el equivalente del anión arilo correspondiente, que a su vez puede sufrir reacciones de acoplamiento cruzado.

La descarboxilación de los ácidos alcanoicos suele ser lenta. Por lo tanto, los ácidos grasos típicos no se descarboxilan fácilmente. En general, la facilidad de descarboxilación depende de la estabilidad del carbanión intermedio R⁻
. Las excepciones importantes son la descarboxilación de beta-cetoácidos, ácidos β,γ-insaturados y α-fenilo, α-nitro y α-cianoácidos. Tales reacciones se aceleran debido a la formación de un tautómero zwitteriónico en el que se protona el carbonilo y se desprotona el grupo carboxilo.

Reacciones de descarboxilación con nombre

Las descarboxilaciones son la base de muchas reacciones con nombre. Estos incluyen la descarboxilación de Barton, la electrólisis de Kolbe, la reacción de Kochi y la reacción de Hunsdiecker. Todas son reacciones radicales. La descarboxilación de Krapcho es una descarboxilación relacionada de un éster. La reacción de Tsuji-Trost implica la intermediación de un complejo de alilo.

En la descarboxilación cetónica, un ácido carboxílico se convierte en una cetona.

Hidrodescarboxilación

Las hidrodescarboxilaciones implican la conversión de un ácido carboxílico en el hidrocarburo correspondiente. Esto es conceptualmente lo mismo que el término más general "descarboxilación" como se definió anteriormente, excepto que requiere específicamente que el grupo carboxilo sea, como se esperaba, reemplazado por un hidrógeno. La reacción es especialmente común junto con la síntesis del éster malónico y las condensaciones de Knoevenagel. La reacción involucra la base conjugada del grupo carboxilo, un ion carboxilato y un receptor insaturado de densidad electrónica, como un grupo carbonilo protonado. Cuando las reacciones implican calentar el ácido carboxílico con ácido clorhídrico concentrado, esa ruta directa es imposible ya que produciría dióxido de carbono protonado. En estos casos, es probable que la reacción se produzca mediante la adición inicial de agua y un protón.

En bioquímica

Las descarboxilaciones son omnipresentes en biología. A menudo se clasifican según los cofactores que catalizan las transformaciones. Los procesos acoplados con biotina efectúan la descarboxilación de malonil-CoA a acetil-CoA. La tiamina (T:) es el componente activo para la descarboxilación de alfa-cetoácidos, incluido el piruvato:

T=C(OH)R{}+CO2}}}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">T:+RC()O)CO2Hrestablecimiento restablecimiento T=C()Oh.)R+CO2{fnMicrosoft {fnMicrosoft {fnMicrosoft {fnMicrosoft {fnMicrosoft {f}\fnMicrosoft {\\fnMicrosoft {fnMicrosoft {fnMicrosoft {\fnMicrosoft {\fnMicrosoft\\fnMicrosoft {\\\fnMicrosoft}\\\\\fnMicrosoft\\\\\\\\\\fnMicrosoft\\\\\\\\\\\\\\fnMicrosoft\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\fnMicrosoft\\\\\\\\\\\\\ {TfnMicrosoft Sans Serif}T=C(OH)R{}+CO2}}}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f17ce54523b0c3d4e4e47247be5aefa3f26931ec" style="vertical-align: -1.005ex; width:43.619ex; height:3.009ex;"/>

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El fosfato de piridoxal promueve la descarboxilación de aminoácidos. Las descarboxilasas dependientes de flavina están involucradas en las transformaciones de cisteína. Las hidroxilasas a base de hierro funcionan mediante la activación reductora de O₂ utilizando la descarboxilación de alfa-cetoglutarato como un electrón donante. La descarboxilación se puede representar así:

RCO2Fe^{IV}! =O + CO2}}}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">RC()O)CO2FeII+O2restablecimiento restablecimiento RCO2FeIV=O+CO2{displaystyle {ce {RC(O)CO2Fe^{II}{}+ O2 - titulada RCO2Fe^{IV}! =O + CO2}} RCO2Fe^{IV}! =O + CO2}}}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f5d82a4571cece489945dd182eef07291c356cad" style="vertical-align: -1.005ex; width:47.785ex; height:3.343ex;"/>

RCO2Fe^{II}{}+ R'OH}}}" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML">RCO2FeIV=O+R.− − Hrestablecimiento restablecimiento RCO2FeII+R.Oh.{displaystyle {ce {fnMicrosoft Sans Serif} =O + R'-H - RCO2Fe^{II}{}+ R'OH} RCO2Fe^{II}{}+ R'OH}}}" aria-hidden="true" class="mwe-math-fallback-image-inline" src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/664a4c064a6ff2e34e0fa547c1ab16dc694daa66" style="vertical-align: -1.005ex; width:46.98ex; height:3.343ex;"/>

Descarboxilación de aminoácidos

Las descarboxilaciones oxidativas biosintéticas comunes de aminoácidos a aminas son:

• Tryptophan to tryptamine
• fenilalanina a fenilamina
• tirosina a la tiramina
• histidina to histamine
• serine to ethanolamine
• Ácido glutámico a GABA
• lisina a cadaverina
• arginina agmatina
• ornitina para putrescine
• 5-HTP a la serotonina
• L-DOPA to dopamine

Otras reacciones de descarboxilación del ciclo del ácido cítrico incluyen:

• pyruvate to acetyl-CoA (see pyruvate decarboxylation)
• oxalosuccinate to α-ketoglutarate
• α-ketoglutarate a succinyl-CoA.

Estudios de casos

Ácido tetrahidrocannabinoico. La decarboxilación de este compuesto por calor es esencial para el efecto psicoactivo del cannabis fumado, y depende de la conversión del enol a un grupo de keto cuando el carbono alfa es protonado.

Al calentarse, el ácido Δ9-tetrahidrocannabinólico se descarboxila para dar el compuesto psicoactivo Δ9-tetrahidrocannabinol. Cuando el cannabis se calienta al vacío, la descarboxilación del ácido tetrahidrocannabinólico (THCA) parece seguir una cinética de primer orden. La fracción logarítmica de THCA presente disminuye constantemente con el tiempo, y la tasa de disminución varía según la temperatura. En incrementos de 10 grados de 100 a 140 °C, la mitad del THCA se consume en 30, 11, 6, 3 y 2 minutos; por lo tanto, la constante de velocidad sigue a Arrhenius' ley, que oscila entre 10⁻⁸ y 10⁻⁵ en una relación logarítmica lineal con temperatura inversa. Sin embargo, el modelado de la descarboxilación del ácido salicílico con una molécula de agua sugirió una barrera de activación de 150 kJ/mol para una sola molécula en solvente, demasiado alta para la tasa observada. Por lo tanto, se concluyó que esta reacción, realizada en fase sólida en material vegetal con una alta fracción de ácidos carboxílicos, sigue una cinética de pseudo primer orden en la que un ácido carboxílico cercano precipita sin afectar la constante de velocidad observada. Son posibles dos estados de transición correspondientes a rutas ceto-enólicas directa e indirecta, con energías de 93 y 104 kJ/mol. Ambos intermediarios involucran la protonación del carbono alfa, rompiendo uno de los dobles enlaces del anillo aromático y permitiendo que el grupo beta-ceto (que toma la forma de un enol en THCA y THC) participe en la descarboxilación.

En bebidas almacenadas durante períodos prolongados, se pueden formar cantidades muy pequeñas de benceno a partir del ácido benzoico por descarboxilación catalizada por la presencia de ácido ascórbico.

Se ha informado que la adición de cantidades catalíticas de ciclohexenona cataliza la descarboxilación de aminoácidos. Sin embargo, el uso de dichos catalizadores también puede generar una cantidad de subproductos no deseados.