carbonilo aldehídos y cetonas

1QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. PalopUN

EL GRUPO CARBONILO:

ALDEHÍDOS Y CETONAS


PROGRAMA

Descripción, estructura electrónica y geometría del grupo carbonilo.

Propiedades físico-químicas.

Enolización de carbonilos con hidrógenos en α.

Procedimientos de obtención de aldehídos y cetonas.

Reacciones características de aldehídos y cetonas:

reacciones redox

adiciones nucleófilas

reacción de Cannizzaro


El grupo carbonilo está constituido por un carbono unido a oxígeno mediante doble enlace. Las otras valencias del carbono (S1 y S2) están saturadas por alquilos, arilos o hidrógeno.

Esta definición no incluye otros grupos que, aún teniendo la asociación C=O, ésta forma parte de una función más amplia, como:

O

OH

O

OEt

O

NH2

ya que presentan un comportamiento químico distinto.

Dependiendo de la naturaleza de los dos sustituyentes S1 y S2 pueden ser: aldehídos (S1 = R o H,S2 = H) y cetonas (S1 = R,S2 = R o R’).

OS2

S1


O O O O

O

H

H

O

O

H

O

O

H

OOH

cetona mixta cetona α,β-insaturada cetona simétrica cetona aromática

aldehído aromático cetona alifática aldehído alifático

cetona cíclica aldehídos alifáticos aldehído α,β-insaturado


2p2s1s HIBRIDACIÓN 2p

sp2OO

C(π)

C(σ)


sp2CC

O(π)

O(σ)R R´

CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA DEL GRUPO CARBONILOCONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA DEL GRUPO CARBONILO

C O


Los orbitales π y π* del carbonilo son asimétricos por la mayor electronegatividad del oxígeno y la menor energía de su electrón 2p. Resulta un doble enlace más corto y más fuerte que el de alqueno.


MAPA DE POTENCIALES


PROPIEDADES FÍSICAS:PROPIEDADES FÍSICAS:> Polaridad baja-media (momento dipolar superior) según proporción carbonilo-resto cadena carbonada.

> Primeros términos solubles en agua.

> PF’s y PE’s superiores a hidrocarburos, halogenuros y éteres comparables en peso molecular.

> No pueden formar puentes de hidrógeno entre sí, pero la presencia de dos pares de electrones no compartidos sobre el oxígeno permite la formación de puentes de hidrógeno con otros compuestos que tengan enlaces O-H o N-H:


Una consecuencia de la estructura es la enolizaciónenolización:

ESTRUCTURA ELECTRÓNICA DEL GRUPO

GEOMETRÍA

COMPORTAMIENTO QUÍMICO

R

O

H H

R'R

O

H

R'R

OR'

H

R

OHR'

H

FORMA CETO FORMA CETO CARBANIÓN CARBANIÓN ENOLATO FORMA ENOLENOLATO FORMA ENOL

TAUTOMERÍA CETOENÓLICATAUTOMERÍA CETOENÓLICA

FORMAS RESONANTESFORMAS RESONANTES


• OBTENCIÓN DE CETONAS POR OXIDACIÓN DE ALCOHOLES SECUNDARIOS.

• OBTENCIÓN DE ALDEHÍDOS POR OXIDACIÓN DE ALCOHOLES PRIMARIOS.

• OBTENCIÓN DE ALDEHÍDOS AROMÁTICOS POR OXIDACIÓN CONTROLADA DE METILBENCENOS.

• OBTENCIÓN DE ALDEHÍDOS Y CETONAS POR FISIÓN OXIDATIVA SUAVE DE GLICOLES.

• OBTENCIÓN DE ALDEHÍDOS Y CETONAS POR FISIÓN OXIDATIVA CON OZONO(OZONÓLISIS) SEGUIDA DE HIDRÓLISIS REDUCTORA.

• OBTENCIÓN DE ALDEHÍDOS Y CETONAS AROMÁTICOS POR HIDRÓLISIS BÁSICA DE 1,1-DIHALUROS BENCÍLICOS.

• OBTENCIÓN DE ALDEHÍDOS POR REDUCCIÓN DE CLORUROS DE ÁCIDO.

• OBTENCIÓN DE ALDEHÍDOS Y CETONAS POR HIDRATACIÓN DE ALQUINOS.

• OBTENCIÓN DE CETONAS POR ACILACIÓN DE FRIEDEL-CRAFTS.

• OBTENCIÓN DE ALDEHÍDOS AROMÁTICOS POR FORMILACIÓN DIRECTA: REACCIÓN DE VILSMEYER-HAACK.

• OBTENCIÓN DE CETONAS SIMÉTRICAS O CÍCLICAS POR PIRÓLISIS DE SALES CÁLCICAS O BÁRICAS.

• OBTENCIÓN DE CETONAS VÍA REACCIÓN DE NITRILOS CON DERIVADOS ORGANOMAGNÉSICOS.

• OBTENCIÓN DE CETONAS POR TRANSFORMACIÓN DE ALDEHÍDOS.

• OBTENCIÓN DE CETONAS MEDIANTE DERIVADOS ORGANOCÁDMICOS.

PROCEDIMIENTOS DE OBTENCIÓN DE ALDEHÍDOS Y CETONASPROCEDIMIENTOS DE OBTENCIÓN DE ALDEHÍDOS Y CETONAS


OBTENCIÓN DE CETONAS POR OXIDACIÓN DE ALCOHOLES OBTENCIÓN DE CETONAS POR OXIDACIÓN DE ALCOHOLES SECUNDARIOS:SECUNDARIOS:

H OH O

[O]

H2CrO4

KMnO4

K2Cr2O7

CrO3

[O]

Los oxidantes fuertes habituales oxidan a los alcoholes secundarios hasta las correspondientes cetonas. Como las cetonas no se oxidan en las condiciones normales, la reacción no tiene complicaciones ni hay riesgo de posteriores ataques que destruyan la cetona.

Oxidantes habituales:


El proceso debe ser controlado pues de lo contrario la oxidación prosigue hasta ácidos carboxílicos al ser los aldehídos más susceptibles de oxidación que los propios alcoholes y seguir en contacto con el oxidante:

OH O

H

O

OH

[O] [O]

Como estrategia de control de tipo físico se puede realizar la reacción en un sistema con capacidad para destilar “in situ” el aldehído según se forma y así separarlo del oxidante. Control de temperaturas:

OBTENCIÓN DE ALDEHÍDOS POR OXIDACIÓN DE ALCOHOLES OBTENCIÓN DE ALDEHÍDOS POR OXIDACIÓN DE ALCOHOLES PRIMARIOS:PRIMARIOS:

PEalcohol>Treacción>PEaldehído

El método es sólo aplicable en la práctica para alcoholes primarios de no muy alto punto de ebullición.


Para realizar la reacción con seguridad y con carácter general ha de utilizarse un reactivo específico (control químico):

CLOROCROMATO DE PIRIDINIO (PCC)

NH

Cl CrO

OO

+-

O

OH

O

O

Hdiclorometano

PCC


OBTENCIÓN DE ALDEHÍDOS AROMÁTICOS POR OXIDACIÓN OBTENCIÓN DE ALDEHÍDOS AROMÁTICOS POR OXIDACIÓN CONTROLADA DE METILBENCENOSCONTROLADA DE METILBENCENOS:

CH3O2NO

O O

O2NO

O

HO

O O2NO

H

CrO3 H2O / H+

La oxidación se realiza con anhídrido crómico en presencia de anhídrido acético como control químico que acetila al intermedio impidiendo que prosiga la oxidación:

La hidrólisis del compuesto diacetilado se realiza posteriormente ya fuera del contacto con el oxidante y rinde el aldehído.


OBTENCIÓN DE ALDEHÍDOS Y CETONAS POR FISIÓN OXIDATIVA OBTENCIÓN DE ALDEHÍDOS Y CETONAS POR FISIÓN OXIDATIVA SUAVE DE GLICOLESSUAVE DE GLICOLES:

1.1. KMnOKMnO44/OH/OH--/frío/frío o o HCOOOHHCOOOH (ácido(ácido peroxifórmicoperoxifórmico)/ )/ HH22OO

2.2. HIOHIO44 (ácido(ácido peryódicoperyódico) o) o PbPb(CH(CH33COO)COO)44 ((tetracetatotetracetato de plomo)de plomo)

OHOHO O

11 22 +

Los glicoles vecinales se obtienen por oxidación controlada de alquenos (1) y pueden sufrir fisión generando aldehídos por la acción de oxidantes muy suaves (2).

El empleo en 2 de oxidantes más enérgicos conduciría en la fisión hasta ácidos carboxílicos.


OBTENCIÓN DE ALDEHÍDOS Y CETONAS POR FISIÓN OXIDATIVA CON OBTENCIÓN DE ALDEHÍDOS Y CETONAS POR FISIÓN OXIDATIVA CON OZONO (OZONÓLISIS) SEGUIDA DE HIDRÓLISIS REDUCTORA:OZONO (OZONÓLISIS) SEGUIDA DE HIDRÓLISIS REDUCTORA:

H

O

H

OO3 H2O

Zn +

O

O

HO3H2O

Zn+

Las cetonas no requieren necesariamente hidrólisis reductora ya que su oxidación no prosigue normalmente como ocurre en el caso de los aldehídos (hasta ácidos).


OBTENCIÓN DE ALDEHÍDOS Y CETONAS AROMÁTICOS POR HIDRÓLISIS OBTENCIÓN DE ALDEHÍDOS Y CETONAS AROMÁTICOS POR HIDRÓLISIS BÁSICA DE 1,1BÁSICA DE 1,1--DIHALUROS BENCÍLICOS:DIHALUROS BENCÍLICOS:

ClCl O

Cl2/hv/calorCaCO3

H2O

CH3OH

La halogenación debe realizarse en condiciones enérgicas dado que, por tratarse de un mecanismo radicálico, la entrada del segundo cloro es costosa.


OBTENCIÓN DE ALDEHÍDOS POR REDUCCIÓN DE CLORUROS DE ÁCIDO:OBTENCIÓN DE ALDEHÍDOS POR REDUCCIÓN DE CLORUROS DE ÁCIDO:

1. Método tradicional (reacción de Rosemund): hidrogenación catalítica con un catalizador metálico preparado depositando paladio sobre cristales de sulfato de bario y desactivándolo parcialmente por adición de un veneno como quinoleína.

La reducción enérgica directa (LiAlH4) no es útil porque conduce necesariamente hasta alcohol primario, al ser el aldehído formado en la primera fase de la reducción susceptible de proseguir reduciéndose al estar en presencia del reductor.

RO

ClR

O

H

R CH2OH[H] [H]

Se requiere adoptar estrategias para evitar la reducción del aldehído formado:

2. Método actual: empleo de un hidruro metálico menos activo y más impedido estéricamente que reaccione con los cloruros (más reactivos) y no lo haga con los aldehídos:

HIDRURO DE TRI-TERC-BUTOXIALUMINATO DE LITIO

Obtención: (CH3)3COH + LiAlH4 LiAl[(CH3)3CO]3H


O

Cl

O

HH2/BaSO4/Pd

quinoleína

LiAl[(CH3)3CO]3HO

Cl

O

H

Los ácidos carboxílicos son difíciles de reducir y requieren el empleo de LiAlH4 y condiciones muy enérgicas por lo que resulta imposible detener la reacción en el aldehído que en este medio se reduce hasta alcohol. La estrategia es convertir el ácido en cloruro (con cloruro de tionilo) y después reducirlo con LiAl[(CH3)3CO]3H:

RO

OHR

O

ClR

O

H

SOCl2 LiAl[(CH3)3CO]3H


OBTENCIÓN DE ALDEHÍDOS Y CETONAS POR HIDRATACIÓN DE ALQUINOS:OBTENCIÓN DE ALDEHÍDOS Y CETONAS POR HIDRATACIÓN DE ALQUINOS:

La hidratación de alquinos en ácido sulfúrico acuoso diluido es catalizada por sales mercúricas (HgSO4) y cursa con orientación Markownikow por lo que se obtienen mayoritariamente cetonas a partir de alquinos terminales:

OHOHH+

Los alquinos intracatenales dan mezclas variables de las dos cetonas posibles.

El tratamiento con diborano seguido de oxidación con agua oxigenada en medio básico proporciona una hidratación con orientación antiMarkownikow lo que permite la obtención de aldehídos:

O

HB2H6 H2O2

OH-


La acilación de Friedel-Crafts es una reacción de sustitución electrófilaaromática que permite obtener cetonas mixtas (alifáticas-aromáticas) o totalmente aromáticas a partir de haluros de acilo y sistemas aromáticos (no desactivados) en presencia de un ácido de Lewis:

OBTENCIÓN DE CETONAS POR ACILACIÓN DE FRIEDELOBTENCIÓN DE CETONAS POR ACILACIÓN DE FRIEDEL--CRAFTSCRAFTS

O

O

ClO

O

AlCl3

O

O

O

Cl O

O

O

AlCl3+


OBTENCIÓN DE ALDEHÍDOS AROMÁTICOS POR FORMILACIÓN DIRECTA: OBTENCIÓN DE ALDEHÍDOS AROMÁTICOS POR FORMILACIÓN DIRECTA: REACCIÓN DE VILSMEYERREACCIÓN DE VILSMEYER--HAACK:HAACK:

NO

HN

Cl

HCl

Cl

N

O

H

La reacción es un proceso de sustitución electrófila aromática de un complejo formilante (ya que el catión formilo como electrófilo libre no es viable, +CHO) preparado con N,N-dimetilformamida (DMF) y cloruro de fosforilo (oxicloruro de fósforo). Sigue las normas de orientación y reactividad propias de la SEA:

Formación del complejo formilante y mecanismo de reacción de la SEA:

+_POCl3 H2O

H

O

POCl3DMF


OBTENCIÓN DE CETONAS SIMÉTRICAS O CÍCLICAS POR PIRÓLISIS DE OBTENCIÓN DE CETONAS SIMÉTRICAS O CÍCLICAS POR PIRÓLISIS DE SALES CÁLCICAS O BÁRICAS:SALES CÁLCICAS O BÁRICAS:

Las sales de cationes bivalentes (Ca, Ba) sometidas a un fuerte calentamiento se descomponen generando carbonato y una cetona. Las sales se forman por reacción de un ácido carboxílico con el hidróxido correspondiente. Sólo es útil el empleo de 2 moles de un mismo ácido y no 2 ácidos distintos porque se obtendrían mezclas de distintas cetonas R-CO-R, R-CO-R’ y R’-CO-R’.

El procedimiento también es válido para la obtención de cetonas cíclicas a partir de ácidos dicarboxílicos (la cetona poseerá un carbono menos que el diácido):

CaO

O

O

O

R

R R

ROR COOH

Ca(OH)2 calor2 CaCO3+

COOHCOOH

O

OCa

O

O

O


OBTENCIÓN DE CETONAS VÍA REACCIÓN DE NITRILOS CON OBTENCIÓN DE CETONAS VÍA REACCIÓN DE NITRILOS CON DERIVADOS ORGANOMAGNÉSICOS:DERIVADOS ORGANOMAGNÉSICOS:

El grupo nitrilo, como insaturación polar, es atacado por magnesianos generándose una sal de iminio que por hidrólisis ácida forma la cetona:

NMg

Br

N Mg Br O

H2O/H+

+_

Mediante la selección adecuada del nitrilo y del derivado de Grignard puede sintetizarse cualquier tipo de cetona alifática, aromática o mixta:

NMgI

O

+


OBTENCIÓN DE CETONAS POR TRANSFORMACIÓN DE ALDEHÍDOS: OBTENCIÓN DE CETONAS POR TRANSFORMACIÓN DE ALDEHÍDOS:

Pueden obtenerse cetonas a partir de aldehídos por introducción de un segundo sustituyente en el carbonilo mediante empleo de un derivado organomagnésico, hidrólisis ácida de la sal magnésica y posterior oxidación del alcohol secundario:

La reacción es de carácter muy general y cualquier cetona alifática, aromática o mixta es asequible si se dispone de los reactivos necesarios. Además, cualquiera de los sustituyentes de la cetona final pueden provenir indistintamente del aldehído de partida o del magnesiano empleado, según convenga:

O

H

MgCl H OH O

H2CrO4

MgCl

O

H

O

+


DERIVADOS ORGANOMETÁLICOS DE CADMIO:

Los derivados organocádmicos tienen el mismo uso en síntesis que los derivados organolíticos y organomagnésicos (realizar la transferencia de carbaniones) pero son menos reactivos que éstos, reaccionan con cloruros de ácido pero no con cetonas.

Su estructura es simétrica: R-Cd-R, y son estables y utilizables tanto los alifáticos como los aromáticos.

OBTENCIÓN: a partir de magnesianos,

2 R-Mg-Cl + Cl2Cd R-Cd-R + 2 MgCl2


OBTENCIÓN DE CETONAS MEDIANTE DERIVADOS ORGANOCÁDMICOS:OBTENCIÓN DE CETONAS MEDIANTE DERIVADOS ORGANOCÁDMICOS:

Los derivados organocádmicos reaccionan con cloruros de ácido por transferencia de un carbanión al carbono positivo del acilo y sustitución en el mismo por desplazamiento del halógeno buen saliente, dando las correspondientes cetonas:

CdO

Cl

O

+

No podrían emplearse organomagnésicos, más reactivos, pues reaccionarían también con las cetonas intermedias dando alcoholes terciarios:

La reacción es muy general y pueden seleccionarse ambos sustituyentes de la cetona final como cloruro o derivado cádmico según convenga.

O

Cl

MgCl OH

+


REACCIONES CARACTERÍSTICAS DE REACCIONES CARACTERÍSTICAS DE LOS COMPUESTOS CARBONÍLICOSLOS COMPUESTOS CARBONÍLICOS

1. REACIONES REDOX DE COMPUESTOS 1. REACIONES REDOX DE COMPUESTOS CARBONÍLICOSCARBONÍLICOS

2. REACCIONES DE ADICIÓN A CARBONILO2. REACCIONES DE ADICIÓN A CARBONILO

3. REACCIÓN DE CANNIZZARO3. REACCIÓN DE CANNIZZARO


1. REACIONES REDOX DE COMPUESTOS CARBONÍLICOS1. REACIONES REDOX DE COMPUESTOS CARBONÍLICOS

RO

H

R R'

O

ALCOHOL PRIMARIO

ALCOHOL SECUNDARIO

ALCANO:

ClemensenWolf-Kishner

IDENTIFICACIÓN ANALÍTICA

ÁCIDO CARBOXÍLICO

REACCIÓN HALOFORMO metilcetonas

[H]

[H]

[H]

[O]

[O]

[O]

[O]

Las reducciones hasta alcoholes se realizan preferentemente con hidruros metálicos y la oxidación hasta ácido carboxílico con ácido crómico.


IDENTIFICACIÓN ANALÍTICA DE ALDEHÍDOS POR OXIDACIÓN

Los aldehídos, con su facilidad para la oxidación, reducen al catión plata hasta Ag(0) y al Cu(II) a Cu(I) produciendo precipitados de plata metálica (espejo) o de óxido cuproso (pardo rojizo). En estos procesos los aldehídos pasan a ácidos carbóxílicos. Las cetonas no dan esta reacción.

TOLLENS: AgNO3/NH4OH Ag

(espejo de plata)

FEHLING: Cu++/ácido tartárico Cu2O

BENEDICT: Cu++/ácido cítrico Cu2O


OXIDACIÓN DE METIL CETONAS CON HIPOHALITOS

Reacción exclusiva de metilcetonas que se oxidan hasta ácido carboxílico con eliminación un haloformo, precipitado voluminoso y coloreado, que permite identificar este tipo de cetonas.

R CH3

OR

O

ONa

RO

OH

CHI3+NaIO yodoformo

En síntesis tiene interés como método suave de transformación demetilcetonas en ácidos carboxílicos.

H+

Precipitado amarillo


REDUCCIÓN ENÉRGICA DE ALDEHÍDOS Y CETONAS HASTA ALCANOS (-CO- hasta -CH2-).

CLÉMENSENCLÉMENSEN: amalgama de cinc en medio ácido clorhídrico acuoso concentrado

O HHZn(Hg)/HCl

WOLFWOLF--KISHNERKISHNER: condensación del carbonilo con hidrazina seguida de tratamiento con base fuerte

O NNH2

HHH2N-NH2 NaCH3O


2. LA ADICIÓN A CARBONILO2. LA ADICIÓN A CARBONILO

MECANISMO DE REACCIÓN GENERAL DEL PROCESO:

Empleo de un nucleófilo activo:

Proceso catalizado con ácido (o ácido de Lewis) para nucleófilos débiles:

OONu

OHNu

Nu- H+

O OH OH

OHNu

Nu-H+ + +

OBSÉRVESE QUE EL CARÁCTER BIPOLAR DE ESTE GRUPO FUNCIONAL PERMITE TANTO EL ATAQUE DE NUCLEÓFILOS COMO EL DE ELECTRÓFILOS.


REPRESENTACIÓN ESPACIAL-ORBITAL DEL MECANISMO DE ADICIÓN:

MECANISMO CATALIZADO POR UN ÁCIDO DE LEWIS:


Desde el punto de vista de los orbitales moleculares, la reacción entre un nucleófilo y un compuesto carbonílico tiene lugar mediante la interacción entre sus ORBITALES FRONTERAORBITALES FRONTERA: el orbital lleno de más alta energía del nucleófilo (orbital HOMOHOMO) y el orbital vacío de más baja energía del compuesto carbonílico (orbital LUMOLUMO), que es el orbital π* antienlazante.

El ataque del reactivo nucleófilo al orbital π*antienlazante del grupo carbonilo (orbital LUMO) no se produce de forma perpendicular al plano en el que se encuentra situado el doble enlace C=O, sino que tiene lugar con un ángulo de 107º. Se puede explicar este ángulo de ataque como un compromiso entre el máximo solapamientoorbitálico del HOMO con el orbital π* y la mínima repulsión del orbital HOMO con la densidad electrónica del enlace π.


CRITERIOS DE REACTIVIDAD PARA ADICIÓN A CARBONILOS

Efectos estéricos:

El factor de mayor importancia en la reacción es el cambio de hibridación: spsp22 (reactivo carbonílico) a spsp33 (producto de adición). Esto hace que los sustituyentes menos voluminosos faciliten el proceso: en general, aldehídos son más reactivos que cetonas.

Los aldehídos aromáticos son menos reactivos que los alifáticos porque son más voluminosos y porque la adición supone la pérdidade estabilidad debida a la conjugación C=O-sistema aromático.

Los efectos electrónicos que actúan sobre las especies intermedias son contrapuestos en los dos mecanismos descritos: los donadores (+I) estabilizan en el proceso catalizado y los electroatrayentes (-I) estabilizan el intermedio con carga negativa del procedimiento no catalizado (aldehídos más reactivos que cetonas también por esta razón en este mecanismo).

37

ADICIÓN NUCLEÓFILA DE AGUA A CARBONILO


ADICIÓN DE AGUA AL GRUPO CARBONILO:

El agua se adiciona al grupo carbonilo (catálisis ácida al ser el agua nucleófilo débil) en equilibrio desplazado generalmente hacia la forma carbonílica:

Sólo con factores estabilizantes del hidrato como un bajo volumen de los sustituyentes (formaldehído) o la formación de puentes de hidrógeno, se desplaza el equilibrio hacia el producto hidratado:

Los grupos alquilo estabilizan al carbonilo y los sustituyentes electroatrayentes lo desestabilizan, favoreciendo la forma hidratada (caso del hidrato de cloral).

R

R'O

R

R'

OHOH

H2O/H+

O

HCl

ClCl

cloral

Cl O

OH

H


CONSTANTES DE EQUILIBRIO Y VELOCIDADES RELATIVAS DE FORMACIÓN DE HIDRATOS DE COMPUESTOS CARBONÍLICOS

CARBONILO HIDRATO K % VR


ATAQUE DE UNA MOLÉCULA DE AGUA, DÉBIL NUCLEÓFILO.

MECANISMO DE HIDRATACIÓN CATALIZADA POR ÁCIDOS:

PROTONACIÓN DEL CARBONILO PARA SU ACTIVACIÓN.

DESPROTONACIÓN DEL DERIVADO HIDRATADO.


LA HIDRATACIÓN DE CARBONILOS TAMBIÉN PUEDE CURSAR CON CATÁLISIS BÁSICA:


ADICIÓN DE ALCOHOLES Y TIOLES A ALDEHÍDOS Y CETONAS: FORMACIÓN DE HEMI(TIO)ACETALES Y (TIO)ACETALES

ALDEHÍDO/CETONA ALCOHOL/TIOL MONOFUNCIONAL/BIFUNCIONAL ACETAL ABIERTO/CÍCLICO

O

Me OHMeO OMe

O

H

SH SH

H

S

S

2

H+

H+


MECANISMO DE FORMACIÓN DE UN HEMIACETAL CATALIZADA POR ÁCIDO (PRIMER PASO PARA LA FORMACIÓN DEL ACETAL):

catalizadorcatalizador: ácido p-toluensulfónico

ActivaciónActivación del carbono (C=O)carbonílico frente a un nucleófilo débil (CH3-OH)

El proceso completa la adición adición a carboniloa carbonilo de los componentes de una molécula de alcohol: [CH3O] [H]


MECANISMO DE TRANSFORMACIÓN DE UN HEMIACETAL EN ACETAL:

Inestabilidad del hidroxilo de hemiacetalen medio ácido: deshidratacióndeshidratación

CarbocatiónCarbocatión estable

Ataque del nucleófilo nucleófilo débildébil sobre el carbocatión activado

Desprotonación que completa una sustitución sustitución nucleófila nucleófila de de orden 1orden 1 (OH OCH3)


Premisa: La formación de acetales es reversible y catalizada por ácido en ambos sentidos.

La protección de un grupo es una estrategia utilizada en Síntesis Orgánica consistente en enmascarar temporalmente la reactividad de una función, mediante su transformación química, mientras se actúa en otra parte de la molécula con reactivos que puedan afectar al grupo protegido para, finalmente, regenerarlo en su forma original tras la actuación.

O

H HOOOHOH

HOO

O

H

H+

H2 / Pd

H2O / H+

UTILIDAD: PROTECCIÓN DE GRUPO CARBONILO

acetal cíclico


El proceso original en medio ácido es reversible aunque la descomposición de las cianhidrinas en medio básico es más rápida:

R O-HH

OR

HOH- + CN-

ADICIÓN DE ÁCIDO CIANHÍDRICO: FORMACIÓN DE CIANHIDRINAS

cianhidrina

nucleófilofuerte


Como se ha indicado, el ataque del nucleófilo tiene lugar mediante la interacción de su HOMO con el LUMO del compuesto carbonílico que es el orbital π* antienlazante, produciéndose la transferencia electrónica con la orientación que antes se ha discutido (ángulo de ataque = 107º):

ESTEREOQUÍMICA DE LA ADICIÓN A CARBONILO:


Este hecho convierte al carbono carbonílico de la mayoría de los compuestos carbonílicos (salvo formaldehído y cetonas simétricas) en un centro proquiral, es decir, carbono que sin ser quiral se convierte en quiral al producirse la reacción.

Pero por la geometría triangular plana del grupo carbonilo y la simetría de orbital π*, el acceso del nucleófilo hasta el carbono carbonílico positivo puede producirse con la misma probabilidad por ambos lados del plano que secciona los enlaces del grupo, respetándose el ángulo de ataque y dándose el solapamiento necesario.


C O

R

R'

:Nu

:Nu

C OH

Nu

RR'

C OH

Nu

RR'

En consecuencia, la reacción de adición nucleófila a carbonilo transcurre estereoquímicamente con RACEMIZACIÓNRACEMIZACIÓN:

Se obtendrá una pareja de enantiómeros si no existía previamente en la molécula ningún centro quiral, y una pareja de diastereómeros si ya existía alguno:

CH3

H

O

H

CH3

H HOH

CN CH3

H

OH

HCN

+R R R R S


ADICIÓN DE BISULFITO SÓDICO A CARBONILO:ADICIÓN DE BISULFITO SÓDICO A CARBONILO:

RO

HO S

O

ONa

HR

OH

HSO

ONa

O

+

INSOLUBLE EN AGUA SOLUBLE EN AGUA

Proceso de adición de un fragmento inorgánico conteniendo un enlace muy polar (O-Na) para hacer más polar el compuesto carbonílico y poderlo así extraer con disolución acuosa de una mezcla orgánica más apolar (AISLAMIENTO):

Por razones de impedimento estérico causado por el volumen de los sustituyentes, sólo dan esta adición los aldehídos y algunas metilcetonas.


ADICIÓN NUCLEÓFILA DE AMONIACO Y SUS DERIVADOS A COMPUESTOS ADICIÓN NUCLEÓFILA DE AMONIACO Y SUS DERIVADOS A COMPUESTOS CARBONÍLICOS:CARBONÍLICOS:

El amoniaco y sus derivados, en cuanto que poseen un N con disponibilidad electrónica, pueden actuar como nucleófilos sobre el carbono carbonílico produciendo adiciones:

El producto inicial de la adición, suele sufrir posterior eliminación espontánea generando compuestos C=N insaturados que toman nombre dependiendo del tipo de sustituyente que presente el Nitrógeno. Al conjunto de este proceso se denomina: CONDENSACIÓN CONDENSACIÓN y cursa con la eliminación de una molécula de agua.


Los derivados del amoniaco, moléculas neutras, son nucleófilos débiles por lo que el proceso generalmente requiere catálisis ácida para desarrollarse a una velocidad razonable. A continuación se indica el mecanismo seguido para un derivado genérico del amoniaco GG--NHNH22:

En la primera línea se completa el proceso de ADICIÓNADICIÓN de los componentes de la molécula de derivado de amoniaco (GNH-H), pero como este compuesto es inestable en medio ácido inicia un proceso de ELIMINACIÓNELIMINACIÓN (de orden 1) de agua que termina en el producto final de CONDENSACIÓNCONDENSACIÓN. En la adición de acetales se describió para este segundo paso una SN1, aquí al poderse perder un protón que allí no había, este proceso interno resulta más fácil y de menor consumo energético.

O OH OH

OHNH2-G

OHNH-G

OH2+NH-G

NH-GNH-G

N-G

H+ + + G-NH2

+

H+

H2O

+-H+

-H+

+

carbono activado


REACTIVO Grupo ⎯ NH2 PRODUCTO

Amoniaco H ⎯ Imina

Amina 1ª R ⎯ Imina sustituida

Amina 2ª R1 ⎯ y R2 ⎯ Enamina

Hidroxilamina HO ⎯ Oxima

Hidrazina H2N ⎯ Hidrazona

Fenilhidrazina C6H5-HN ⎯ Fenilhidrazona

2,4-dinitrofenil-hidrazina

(NO2)2-C6H3-NH⎯ 2,4-dinitrofenil-hidrazona

Semicarbazida H2N-CO-HN ⎯ semicarbazona

En la tabla se incluyen algunos derivados de amoniaco interesantes, de fórmula general GG--NHNH22. Se da el nombre del reactivo así como el del producto de la condensación y su estructura general:

Estructura del producto:

R

R'N

G


Estudie el mecanismo de reacción adjunto para la formación de una imina por condensación de una amina primaria con un compuesto carbonílico. Observe los siguientes aspectos:

• El proceso es íntegramente reversible.

• Aquí no se ha usado catálisis ácida.

• Las aminas son más nucleófilas que el amoniaco.

• Se destacan las dos fases de que se compone el proceso.

FASE DE ADICIÓN

FASE DE ELIMINACIÓN


INCIDENCIA DEL INCIDENCIA DEL pHpH EN LA REACCIÓN DE CONDENSACIÓN:EN LA REACCIÓN DE CONDENSACIÓN:Premisas:Premisas:

La catálisis ácida activa el carbono carbonílico y es necesaria al emplear nucleófilos débiles.

El medio ácido protona el nitrógeno básico de los derivados de amoniaco y se puede llegar a anular la nucleofilia del mismo al quedar comprometida la pareja de electrones del nitrógeno en el proceso de fijación del protón.

Solución de compromiso:Solución de compromiso:

Regular el pH de forma que se permita la catálisis sin desactivar los nucleófilos. El comportamiento se muestra en la gráfica velocidad de reacción-pH:

FRECUENTEMENTE UN VALOR 4.0-4.5 DE pHRESULTA ADECUADO

AL EFECTO


CONDENSACIÓN DE AMINAS SECUNDARIAS CON CARBONILOS:CONDENSACIÓN DE AMINAS SECUNDARIAS CON CARBONILOS:

Las aminas secundarias, con un solo hidrógeno sustituido en el nitrógeno, no pueden sufrir la eliminación de agua por esa posición, de manera que si el compuesto carbonílico posee hidrógenos en α, la deshidratación cursa por la cadena carbonílica generando una enaminaenamina:

La enaminaenamina es un grupo funcional que posee una amina terciaria sustituida directamente sobre un doble enlace C=C.

NH

OH H

OH

N

HN

H2O

enaminaproducto de adición


En el doble enlace imina imina (C=N)(C=N) los dos átomos presentan hibridación sp2 con sus orbitales dirigidos hacia los vértices de un triángulo equilátero, formando entre ellos ángulos de 120º. Es sistema, enconjunto, es plano. En el carbono los tres orbitales híbridos forman enlace pero en el nitrógeno sólo dos, quedando el tercero lleno con una pareja de electrones y dos posibles orientaciones en el espacio.

N(π)

CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA DEL GRUPO OXIMACONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA DEL GRUPO OXIMA


sp2NN

C(π)

C(σ)


sp2CC N(σ)R R´

OH

R

R'N

OH


RN

R'

RN

R'

OH

OH

Consecuentemente, el grupo sustituido sobre el nitrógeno (OH en el caso de la oxima) puede adoptar también dos orientaciones si los sustituyentes R y R’ sobre el carbono son distintos, generando isomería geométrica CISCIS--TRANS (ZTRANS (Z--E)E):

Como en este ejemplo de la oxima mostrado ocurre también en las iminas sustituidas con alquilos, hidrazonas, semicarbazonas, etc.

La nomenclatura y los criterios de estabilidad de estos isómeros E-Z son los mismos aplicados en la isomería geométrica de alquenos con la que guardan gran similitud.

ISOMERÍA GEOMÉTRICA DEL GRUPO IMINA:ISOMERÍA GEOMÉTRICA DEL GRUPO IMINA:


UTILIDAD ANALÍTICA DE LOS PRODUCTOS DE CONDENSACIÓN:UTILIDAD ANALÍTICA DE LOS PRODUCTOS DE CONDENSACIÓN:

En el análisis e identificación de aldehídos y cetonas simples (frecuentemente líquidos) ha resultado útil su conversión en derivados condensados de mayor peso molecular, sólidos cristalizables, fácilmente identificables por sus puntos de fusión cuyos valores están tabulados:

R

R'N

NH

NO2

O2N

R

R'O

R

R'N

NH

CO NH2

R

R'N

NH

Compuesto carbonílico

desconocido problema

Derivados sólidos insolubles. La coincidencia

de sus puntos de fusión con los tabulados permite

identificar al compuesto carbonílico original.

La capacidad y sencillez de las actuales técnicas instrumentales analíticas espectroscópicas desbancan a estos procedimientos químicos tradicionales.


Observe que hay derivados de NH3 para condensar con carbonilos, como semicarbacida o tiosemicarbacida, que presentan grupos -NH2 en ambos extremos moleculares, sin embargo, sólo uno de ellos resulta reactivo como nucleófilo, el extremo hidracínico, pues el amídico por el carbonilo contiguo tiene su pareja de electrones muy comprometida.

NH2 NH

NH2

O

NH2 NH

NH2

S

nucleófilonucleófilo

nucleófilonucleófilo

GRUPO GRUPO ––NHNH22 ACTIVO COMO NUCLEÓFILO:ACTIVO COMO NUCLEÓFILO:


ADICIÓN DE REACTIVOS ORGANOMETÁLICOS A CARBONILOS:ADICIÓN DE REACTIVOS ORGANOMETÁLICOS A CARBONILOS:

Dan la reacción los derivados de magnesio y litio. Como pueden tener estructuras muy variadas la reacción es muy general. EjemplosEjemplos:

Mg-Br

Mg-I

LiLi

Mg-Cl

Li Li

Mg-I

Los derivados organometálicos son compuestos que poseen un átomo metálico unido a un fragmento orgánico mediante un enlace muy polarizado que cuando se rompe de forma heterolítica, genera por sus electronegatividades un carbanión y el catión metálico:

R Mg X R Li-- ++-- ++

C = 2,55 Mg = 1,31Li = 0,89

ELECTRONEGATIVIDADES


La reacción es una adiciónadición nucleófilanucleófila en la que el organometálicotransfiere el fragmento orgánico como carbanión (nucleófilo) que ataca al carbono carbonílico positivo generando un alcóxido que seprotona hasta alcohol en una hidrólisis ácida posterior:

El primer paso se realiza en medio éter o THF secos.

R

R'O R'' Mg-Br

R

R' R''

O Mg+

Br R

R' R''

OH+ H2O/H+

El resultado final se concreta en la adición de los componentes de un hidrocarburo (R’’-H) al carbonilo.

El procedimiento supone un método muy general para la síntesis de alcoholes. Dependiendo de la sustitución del carbonilo de partida, metanal, aldehído o cetona, se obtienen alcoholes primarios, secundarios o terciarios, respectivamente.

MECANISMO DE REACCIÓN DE ADICIÓN DE ORGANOMETÁLICOS:MECANISMO DE REACCIÓN DE ADICIÓN DE ORGANOMETÁLICOS:


EJEMPLOS DE ADICIÓN DE ORGANOMETÁLICOS A CARBONILO:EJEMPLOS DE ADICIÓN DE ORGANOMETÁLICOS A CARBONILO:


REACCIÓN DE DISMUTACIÓN DE CANNIZZARO:REACCIÓN DE DISMUTACIÓN DE CANNIZZARO:

La reacción de Cannizzaro es un proceso químico de dismutacióndismutación (auto oxidación-reducción) característico de aldehídos que no posean hidrógenos en α (pues éstos sufren más rápidamente la enolización) que se produce en un medio fuertemente básico de hidróxido sódico acuoso muy concentrado (25-30%). La mitad de las moléculas de aldehído se oxidan a ácido a expensas de que la otra mitad se reduzcan hasta alcohol.

CHO

CH3

CH3 CH3

CHO H

HO

O

H

OCH3

OCH3

CH3

CH3

CH3 CHO

ALDEHÍDOS SIN HIDRÓGENOS EN α


Mecanismo:

El mecanismo de reacción incluye:

1. Ataque nucleófilo del hidroxilo al carbono carbonílico

2. Formación de un dianión

3. Transferencia de un hidruro del dianión a un aldehído sin alterar

4. Formación de un alcóxido y de un anión carboxilato

5. Protonación por neutralización con ácido.

HHOH

OMe

O OH

OMe

11 22

33

44

H+

+

55

dianión


EjemploEjemplo de aplicación de Cannizzaro: un aldehído, de estado de oxidación intermedio, se oxida en parte a ácido y se reduce en parte a alcohol,

Cannizzaro Cannizzaro cruzadacruzada: aprovechando la gran tendencia del formaldehído a la oxidación, puede utilizarse la reacción para reducir otros aldehídos:

CH2

OH

CH2

OOH

CH2

OHHH

NaOH

(30%)+

O

O

H

O

OH

H

O

O

H

OH

H HO

OH

NaOH (25%)+ +

67

FIN

carbonilo aldehídos y cetonas

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