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Qumica Orgnica Tema 10. Aldehidos y cetonas www.sinorg.uji.es

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Tema 10. Compuestos carbonlicos: aldehdos y cetonas. Estructura. Nomenclatura. Reacciones de adicin nucleoflica al grupo carbonilo. Adicin de agua: formacin de hidratos. Adicin de alcoholes: formacin de acetales. Adicin de cianuro de hidrgeno: formacin de cianohidrinas. Condensacin con amoniaco y sus derivados. Adicin de compuestos organometlicos. Adicin de iluros: la reaccin de Wittig. Adicin de hidruro: reduccin a alcoholes. Enolizacin de aldehdos y cetonas. Reacciones de condensacin aldlica. Alquilacin de enolatos. Halogenacin de compuestos carbonlicos. La reaccin del haloformo. Oxidacin de los aldehdos y cetonas. La reaccin de oxidacin de Baeyer-Villiger.

Compuestos carbonlicos: aldehdos y cetonas. Estructura.

Los aldehdos y cetonas, junto con los cidos carboxlicos, los steres, las amidas y los cloruros de cido, se caracterizan por contener en su estructura el grupo funcional carbonilo (C=O).

Clase Frmula general

aldehdo R C

O

H cetona R C

O

R

cido carboxlico R C

O

OH ster R C

O

OR amida R C

O

NHR anhidrido de cido R C

O

O C

O

R cloruro de cido R C

O

Cl

El tomo de carbono y el tomo de oxgeno que forman el grupo carbonilo se

encuentran unidos mediante dos enlaces: uno y otro . El tomo de carbono del grupo carbonilo presenta hibridacin sp2 y est enlazado al tomo de oxgeno y a otros


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dos tomos mediante tres enlaces coplanares, separados entre s 120. El segundo enlace entre el carbono y el oxgeno, el enlace , se forma por solapamiento del orbital p no hibridizado del carbono con un orbital p del tomo de oxgeno.

El doble enlace entre el carbono y el oxgeno es semejante en su estructura orbitlica al doble enlace de los alquenos, aunque el doble enlace del grupo carbonilo es un poco ms corto y fuerte.

120o

120o

C O

R

R

146 Kcal/molAo

1.34

178 Kcal/molAo

1.23

enlace C=C de alqueno

enlace C=O de cetona

longitud energa

Como se acaba de explicar, el enlace del grupo carbonilo se forma por combinacin de un orbital 2p del carbono con un orbital 2p del oxgeno. Si los orbitales interaccionan de forma constructiva se forma un orbital molecular enlazante y si la interaccin es destructiva se forma un orbital molecular * antienlazante. El oxgeno es ms electronegativo que el carbono y su orbital 2p es de menor energa que el orbital 2p del carbono, por tanto el orbital molecular enlazante se formar con ms de un 50% del orbital atmico 2p del oxgeno y con menos del 50% del orbital atmico 2p del carbono. De igual forma, el orbital molecular * antienlazante se formar con menos de un 50% del orbital atmico 2p del oxgeno y con ms del 50% del orbital atmico 2p del carbono.

2p del C

2p del O

C O

C O*

energa

Orbitales moleculares y * del grupo carbonilo


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Los orbitales y * del grupo carbonilo C=O se parecen a los orbitales y * del doble enlace C=C, con la diferencia de que son menos simtricos. Los dos electrones del enlace ocupan el orbital molecular enlazante y debido a la forma de este orbital existe ms probabilidad de encontrar un electrn en la proximidad del tomo de oxgeno electronegativo que en la proximidad del tomo de carbono ms electropositivo.

Como el oxgeno es ms electronegativo que el carbono la densidad electrnica est desigualmente compartida y este efecto se pone de manifiesto al escribir las dos estructuras de resonancia de un grupo carbonilo.

estructuras resonantes del grupo carbonilo

R

RC O

R

RC O

I II

La primera estructura resonante es la ms importante porque implica ms enlaces y menor separacin de cargas. Sin embargo, la segunda estructura resonante, aunque menos importante que la primera, es la que explica el relativamente elevado momento dipolar de los compuestos carbonlicos, como se pone de manifiesto en el esquema que se da a continuacin:

Momentos dipolares de aldehdos, cetonas, halogenuros y teres

O

H3C H

O

H3C CH3

H C

Cl

H

H H3CO

CH3

= 2.7 D = 2.9 D = 1.9 D =1.30 Dacetaldehdo acetona clorometano ter metlico

La polarizacin del grupo carbonilo tambin explica la reactividad de los

aldehdos y las cetonas. La segunda estructura resonante del grupo carbonilo pone de manifiesto que el tomo de carbono actuar como centro electroflico, al estar cargado positivamente, mientras que el tomo de oxgeno, cargado negativamente (ver estructura resonante II) actuar como centro nucleoflico.

La polarizacin del grupo carbonilo crea atracciones dipolo-dipolo entre las

molculas de cetonas y aldehdos, por lo que estos compuestos tienen mayores puntos de ebullicin que los hidrocarburos o teres de peso molecular semejante. Sin embargo, las cetonas y aldehdos no tienen enlaces O-H o N-H, y por lo tanto, sus


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molculas no pueden formar puentes de hidrgeno entre s. Por esta razn, los puntos de ebullicin de los aldehdos y cetonas son menores que los de los alcoholes o aminas de peso molecular semejante.

A continuacin, se indican a modo de comparacin, los puntos de ebullicin de una serie de compuestos orgnicos entre los que figuran un aldehdo, el propanal, y una cetona, la acetona.

CH3CH2CH2CH3 CH3OCH2CH3 CO

CH3CH2 H H3C CO

CH3 CH3CH2CH2OH

butano metoxietano propanal acetona 1-propanolP. eb. 0oC P. eb. 8oC P. eb. 49oC P. eb. 56oC P. eb. 97oC

Las cetonas y los aldehdos no pueden formar puentes de hidrgeno entre s

pero la presencia de dos pares de electrones no compartidos sobre el tomo de oxgeno permite la formacin de puentes de hidrgeno con otros compuestos que tengan enlaces O-H o N-H. Por ejemplo, los aldehdos y las cetonas pueden formar enlaces por puentes de hidrgeno con las molculas del agua o las de los alcoholes, tal y como se representa esquemticamente a continuacin:

Puentes de hidrgeno entre el grupo carbonilo y el agua o alcoholes

O

CR R

HO

RHO

H

O

CR R

Debido a estos puentes de hidrgeno, los aldehdos y las cetonas son buenos disolventes de sustancias polares, como los alcoholes. De hecho, los aldehdos y las cetonas de bajo peso molecular son solubles en agua.


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Nomenclatura de los aldehdos y cetonas. Los nombres de las cetonas se construyen cambiando la -o final en el nombre de

alcano por la terminacin -ona. El nombre alcano se transforma en alcanona. En las cetonas de cadena abierta, se numera la cadena ms larga de forma que al grupo carbonilo se le asigne el localizador ms bajo posible. En las cetonas cclicas al grupo carbonilo se le asigna el localizador 1.

H3C CH3

O

12

3

4

5

H3C CH3

CH3

O

CH3

2-pentanona

1

23 4

56

7

2,6-dimetil-heptan-3-ona

CH3

O CH3

12

34

1-fenil-3-metilbutan-1-ona

CH3

O

1 2

34

5

6

3-etilciclohexanona

O

CH3

1 2

34

5

3-metil-2-ciclopentenona

H3C CH3

O

CH3

OH765

43

2

1

4-hidroxi-5-metilheptan-2-ona Los nombres sistemticos de los aldehidos se construyen cambiando la -o final

del nombre de alcano por la terminacin -al. El carbono aldehdico es el del extremo de la cadena y por tanto se le asigna el nmero 1 como localizador. Si el grupo aldehdo est unido a un anillo se puede usar el sufijo -carbaldehdo.

12

34

56

7

8H3C H

CH3

CH3 O

Cl

2-cloro-4,5-dimetiloctanal

H3CH

OH O

CH37

65

43

21

3-hidroxi-6-metilheptanal

CHO

ciclohexanocarbaldehdo

El grupo carbonilo de aldehdo o cetona se puede nombrar como sustituyente en una molcula que contenga un grupo funcional de mayor prioridad. El carbonilo de la cetona se designa con el prefijo -oxo y al grupo -CHO se le designa con el nombre de formilo.

H3C HO

O

123

4

5

6

7

6

54

3

21

8

4-oxooctanal

O

H

O

HO

cido 3-formilbenzoico

H3C OH

O O

cido 3-oxohexanoico


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Reacciones de adicin nucleoflica al grupo carbonilo. La reactividad del grupo carbonilo es consecuencia de la diferencia de

electronegatividad entre el tomo de carbono y el tomo de oxgeno. La reaccin ms comn de este grupo funcional es la adicin nucleoflica, que consiste en la adicin de un nuclefilo y de un protn al doble enlace C=O.

El tomo de carbono electroflico del grupo carbonilo presenta hibridacin sp2 y es plano, y por tanto est relativamente libre de impedimento estrico y abierto al ataque desde ambos lados del doble enlace C=O. Cuando una especie nucleoflica ataca al tomo de carbono del grupo carbonilo, los electrones del enlace son desplazados hacia el tomo de oxgeno, generndose un in alcxido. En este proceso el tomo de carbono cambia su hibridacin de sp2 a sp3. En un paso posterior, el in alcxido puede protonarse para dar lugar al producto de la adicin nucleoflica.

C O

R

R +

Nuc

C O

R

R

NucH B

C O

R

R

NucH

+ B

Mecanismo general del proceso de adicin nucleoflica al grupo carbonilo

Una caracterstica de estos procesos de adicin nucleoflica es que los nuclefilos dbiles tambin pueden adicionarse a los grupos carbonilo si la reaccin se hace en presencia de un cido de Lewis. En este caso uno de los pares electrnicos libres del tomo de oxgeno se coordina con el cido de Lewis originando un complejo cido-base que es fuertemente electroflico y puede ser atacado por nuclefilos dbiles.

Nuc

C O

R

RAL

C

R

R

Nuc

OALAL

Mecanismo general del proceso de adicin nucleoflica al grupo carbonilo promovido por cidos de Lewis

C O

R

RAL

+C OR

R


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La adicin nucleoflica al grupo carbonilo desde el punto de vista de los orbitales moleculares.

Desde el punto de vista de los orbitales moleculares, la reaccin entre un nuclefilo y un compuesto carbonlico tiene lugar mediante la interaccin entre el orbital ms alto ocupado del nuclefilo (el orbital HOMO) y el orbital mas bajo en energa vaco del compuesto carbonlico (el orbital LUMO), que es el orbital * antienlazante.

El ataque del reactivo nucleoflico al orbital * 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 ngulo de 107. Se puede explicar este ngulo de ataque como un compromiso entre el mximo solapamiento orbitlico del HOMO con el orbital * y la mnima repulsin del orbital HOMO con la densidad electrnica del enlace .

C O

LUMO*

Nu

mximo solapamiento con el orbital * perpendicular al enlace C=O

C O

Nu

la repulson con el orbital lleno abliga al nuclefilo al ataque con un ngulo obtuso

C O

Nu

efecto combinado

el nuclefilo ataca con un ngulo de 107o


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Adicin de agua: formacin de hidratos. En una disolucin acuosa, una cetona o un aldehdo estn en equilibrio con su

forma hidratada, que es un diol geminal.

K =H2Ocetona

hidrato

(diol geminal)forma hidratadacetona o

aldehdo

R R

HO OHH2O+

R R

O

La reaccin de hidratacin se lleva a cabo mediante el mecanismo general de adicin nucleoflica al grupo carbonilo, y se puede efectuar en medio cido o en medio bsico. En medio cido el nuclefilo que ataca al grupo carbonilo es el agua (nuclefilo dbil) y en medio bsico la especie nucleoflica atacante es el in hidrxido.

El mecanismo para la hidratacin de un compuesto carbonlico en medio cido se inicia con la protonacin del grupo carbonilo. El compuesto resultante de este proceso es ms reactivo que el compuesto carbonlico neutro y resulta fcilmente atacado por el agua. La prdida de protn en el intermedio tetradrico lleva al gem-diol, que es la forma hidratada del compuesto carbonlico. Los pasos mecansticos de la reaccin de hidratacin se indican a continuacin:

forma hidratada

+O

H H

O

RCR

H

+ H2O

R R

OH

OH

H

H

R R

O

H2O

Mecanismo de la hidratacin en medio cido

R R

OH

OH H

O

RCR

H

H2O

H3O

OH

O

RCR

H


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El anin hidrxido es mucho ms nuclefilico que el agua y en medio bsico ataca al grupo carbonilo para formar un intermedio tetradrico cuya protonacin conduce tambin al diol geminal.

forma hidratada

H O H

OH

O

RCR

OH

O

RCR

H

OH

O

RCR

Mecanismo de la hidratacin en medio bsico

R R

O

HO

HO+

Las cetonas tienen menos tendencia a formar hidratos que los aldehdos. La causa de esta facilidad de hidratacin hay que buscarla en la carga parcial positiva situada sobre el tomo de carbono carbonlico. En una cetona, los grupos alquilo electrn-dadores compensan la retirada de densidad electrnica provocada por el tomo de oxgeno. En cambio, en un grupo carbonilo de aldehdo slo existe un grupo alquilo electrn-dador y la carga parcial positiva no est tan estabilizada como en el caso de las cetonas. Por lo tanto, los aldehdos son ligeramente ms electroflicos y menos estables que las cetonas.

relativamente inestablemenor estabilizacin

C

O

HH

ningn grupo alquilo, formaldehdo

C

O

R Haldehdo

un grupo alquilo,

dos grupos alquiloelectrn-dadores

C

O

R Rcetona

+

+ +

Los efectos de estabilidad del grupo carbonilo se ponen de manifiesto en las constantes de equilibrio para la hidratacin de aldehdos y cetonas. Como los aldehdos son menos estables que las cetonas el equilibrio de hidratacin se decanta del lado del diol geminal. De hecho, las constantes de equilibrio de la reaccin de hidratacin de las cetonas presentan valores entre 10-4 y 10-2. Para la mayora de aldehdos esta constante est cercana a 1. El formaldehdo, que no tiene grupos alquilo unidos al carbonilo, tiene una constante de equilibrio de hidratacin de 2.000.


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cetona

propanal

formaldehdo

K = 2.000H

CH

HO OH+ H2O

HC

H

O

CH3CH2C

H

O

H2O+CH3CH2

CH

HO OH

K = 0.7

K = 10-2-10-4R

CR

HO OH

+ H2OR

CR

O

Los sustituyentes electrn-atrayentes tambin desestabilizan al grupo carbonilo y favorecen la hidratacin. Por ejemplo, el cloral (tricloroacetaldehdo) tiene una constante de equilibrio de hidratacin incluso ms alta que la del formaldehdo, y cuando reacciona con agua forma un hidrato cristalino estable. Esto es debido al fuerte efecto electrn-atrayente del grupo triclometilo (Cl3C-) que hace que el compuesto carbonlico sea muy inestable en relacin con la forma hidratada y por tanto que el equilibrio se decante hacia la derecha.

hidrato de cloral cloral

K = 3.000 Cl3CC

H

HO OH

+ H2OCl3CC

H

O

Adicin de alcoholes: formacin de acetales.

Los aldehdos y las cetonas reaccionan con alcoholes para formar acetales. En la formacin de un acetal se agregan dos molculas de un alcohol al grupo carbonilo y se elimina una molcula de agua. La formacin de un acetal debe catalizarse con un cido. Por ejemplo, la ciclohexanona reacciona con metanol, en presencia de una cantidad cataltica de cido p-toluensulfnico (TsOH), para formar el correspondiente dimetilacetal.

de la ciclohexanona

OCH3CH3O

HO Ts

O

dimetil acetal

+ H2O+ 2 CH3 OH


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El primer paso del mecanismo es una adicin nucleoflica al grupo carbonilo catalizada por cidos. El catalizador cido protona al grupo carbonilo y el alcohol, que es un nuclefilo dbil, ataca al carbonilo activado por el efecto de la protonacin. La prdida de un protn del intermedio cargado positivamente origina un hemiacetal.

Mecanismo de formacin del hemiacetal

OH

OH

O

O TsH

OH

OH

HO CH3

OH

H

CH3O

OH CH3O

hemiacetal

+ TsO

OH

H

CH3O

TsO

O TsH+

En la segunda parte del mecanismo, el hemiacetal se convierte en el acetal, que

es ms estable. Para ello, la protonacin del grupo hidroxilo seguida de deshidratacin conduce a un catin oxonio, estabilizado por resonancia. El ataque del metanol al catin oxonio, seguido de la prdida de un protn, origina el dimetil acetal de la ciclohexanona:


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Mecanismo para la transformacin del hemiacetal en acetal

OH CH3O

HOH CH3O

hemiacetal

Ts O H

OH CH3O

HCH3O CH3O

catin estabilizado por resonancia

+ TsO

+ H O H

CH3 O

H

O CH3

CH3 O H

CH3OCH3O

CH3 O

H

O CH3 CH3 O O CH3

acetal

OTs

+ Ts O H

Todas las reacciones anteriores son reversibles, y sus constantes de equilibrio determinan las proporciones de reactivos y de productos presentes en el equilibrio final. Para los aldehdos simples las constantes de equilibrio favorecen, por lo general, al acetal. Con aldehdos estricamente impedidos y con la mayor parte de las cetonas las constantes de equilibrio favorecen a los compuestos carbonlicos y no a los acetales.

Para aumentar la proporcin de acetal en el equilibrio se emplea, con frecuencia, al propio alcohol como disolvente para asegurar un gran exceso de uno de los reactivos y desplazar el equilibrio hacia la derecha. El equilibrio tambin se puede desplazar hacia los productos por eliminacin del agua de la reaccin, bien mediante destilacin o bien llevando a cabo la reaccin en presencia de un agente desecante.

Como la cetalizacin es un proceso reversible, los acetales se pueden hidrolizar fcilmente agitndolos con agua en medio cido. El gran exceso de agua desplaza el


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equilibrio hacia el compuesto carbonlico. Por ejemplo, el dimetilacetal de la ciclohexanona se hidroliza cuantitativamente a ciclohexanona mediante tratamiento con cido acuoso diluido.

CH3 O O CH3

HCl, H2O

O

+ 2 CH3OH

Adicin de cianuro de hidrgeno: formacin de cianohidrinas.

El cianuro de hidrgeno es un lquido txico, soluble en agua, que hierve a 26C y que se disocia en agua para dar iones cianuro y protones.

C NH + H2O H3O + C N pKa = 9.1 Como el cianuro de hidrgeno es un cido dbil, su base conjugada, el in

cianuro, es una base fuerte y un nuclefilo fuerte y puede atacar a los aldehdos y a las cetonas dando lugar a unos productos de adicin denominados cianohidrinas.

El mecanismo del proceso de formacin de cianohidrinas es una adicin nucleoflica del in cianuro al grupo carbonilo, seguida de protonacin del producto intermedio.

Mecanismo para la formacin de cianohidrinas

RC

R

O NCC N

RC

R

O

RC

R

O NC

RC

R

O NCH

cianohidrina

HCN

+ C N

La formacin de la cianohidrina es reversible y las constantes de equilibrio

siguen la tendencia general de reactividad de los aldehdos y cetonas:

formaldehdo > otros aldehdos > cetonas


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Por ejemplo, los aldehdos y las cetonas corrientes reaccionan con el HCN con constantes de equilibrio que favorecen la formacin de la cianohidrina.

CH3CH2C

H

O

+ HCNCH3CH2

CH

HO CN

propanal cianohidrina del propanal (100%)

(95%)cianohidrina de la 2-butanona 2-butanona

CH3CH2C

CH3

HO CN

+ HCNCH3CH2

CCH3

O

Las cetonas estricamente impedidas reaccionan lentamente con el HCN y en el equilibrio predomina la forma carbonlica, como en el caso de la di-t-butilcetona:

C

O

H3C

CH3H3C

CH3

CH3

CH3 + HCNC

HO CN

H3C

CH3H3C

CH3

CH3CH3

di-t-butilcetona cianohidrina de la di-t-butilcetona(>5%)

Los bajos rendimientos en la formacin de cianohidrinas de cetonas

estricamente impedidas se deben en gran parte a efectos estricos. La formacin de la cianohidrina implica un cambio en la hibridacin del carbono carbonlico que pasa de sp2 a sp3. Este cambio provoca un aumento de la compresin estrica porque el ngulo de enlace entre los grupos alquilo se comprime al pasar de 120 a, aproximadamente, 109 y por esta razn la cianohidrina est desestabilizada con respecto a la forma carbonlica.

C

O

H3C

CH3H3C

CH3

CH3

CH3

C

HO CN

H3C

CH3H3C

CH3

CH3

CH3

di-t-butilcetona cianohidrina de la di-t-butilcetona

120o 109o

sp2 sp3


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Condensacin con amoniaco y sus derivados. El amoniaco y las aminas primarias reaccionan con los aldehdos y las cetonas

para formar iminas, denominadas tambin bases de Schiff.

metil imina de la ciclopentanonametilaminaciclopentanona

amoniaco

+ H2OCH3NH

+ H3C NH2O

fenil imina del benzaldehdoanilinabenzaldehdo

+ H2O H2NN

HH

+

O

H

imina de la ciclohexanonaciclohexanona

+ H2O

NHH+ NH3

O

La formacin de iminas es tambin un ejemplo de la adicin nucleoflica al doble enlace C=O. Las reacciones del amoniaco y las aminas con aldehdos o cetonas se engloban dentro de un amplio grupo de reacciones orgnicas denominadas reacciones de condensacin, que son aquellas reacciones en las que dos, o ms, compuestos orgnicos se unen con eliminacin de agua o de otra molcula pequea.

La reaccin general ajustada para el proceso de formacin de iminas es la siguiente:

H2O

imina (base de Schiff)

RC

R

RN

+ R-NH2R

CR

OH

+

El mecanismo de la reaccin se inicia con la adicin nucleoflica de la amina al grupo carbonilo. A continuacin, la protonacin del oxgeno, seguida de la desprotonacin de la amina, conduce a un producto inestable denominado carbinolamina que se convierte finalmente en la imina por protonacin seguida de prdida de agua. Todos los pasos mecansticos implicados en la conversin del compuesto carbonlico en la imina se indican a continuacin:


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Mecanismo para la formacin de iminas

N H

R

HO

R

CRR

CR

O

R-NH2

H2O

N H

R

HO

R

CR N

R

HO

R

CR

H

H OH

H

H OH

carbinolamina

H OH

H

N

R

HO

R

CR

HH OH

H H OH N

R

HO

R

CR

HH

N

R

HO

R

CR

HHH O

H + N

R

H

R

CRN

R

H

R

CR

catin estabilizafdo por resonancia

N

R

H

R

CR N

R

H

R

CRO

H

H

N

RR

CR

+ H OH

H

imina

El pH del medio es crucial en el proceso de formacin de la imina. El segundo paso, el de formacin de la carbinolamina, est catalizado por el cido. Sin embargo, si el medio es demasiado cido, la amina se protona completamente y se convierte en un catin amonio perdiendo su nucleoflia e inhibindose el primer paso del mecanismo.

(no nucleoflica)(nucleoflica)sal de aminoamina

R NH3+ HR NH2


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A continuacin, se muestra una grfica en la que se representa la velocidad de la reaccin de formacin de iminas en funcin del pH. En la grfica se aprecia que el pH ptimo para conseguir una alta velocidad de reaccin se encuentra aproximadamente a 4.5.

Grfica velocidad/pH para la formacin de iminas

pH

velocidad

87654321

Las cetonas y los aldehdos tambin condensan con otros derivados del amoniaco, como la hidroxilamina y las hidrazinas, para dar productos anlogos a las iminas. Las constantes de equilibrio de estas reacciones son ms favorables que en los procesos de formacin de iminas.

Los productos de condensacin entre aldehdos o cetonas y la hidroxilamina, o derivados, se denominan genricamente oximas:

oxima de la 3-pentanona3-pentanona

+

OHN

H+ NH2OH

O

oxima de la ciclopentanonahidroxilaminaciclopentanona

OHN

+H

NH2OHO

H2O

+ H2O

Por otra parte, cuando los aldehdos o las cetonas reaccionan con hidrazina los productos obtenidos se denominan genricamente hidrazonas:

hidrazona de la ciclohexanonahidrazinaciclohexanona

+ H2ONH2

NH

+ NH2 NH2

O


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+ H2O

fenilhidrazona del benzaldehdofenilhidrazinabenzaldehdo

HNHPh

N+

HNH2 NHPh

H

O

semicarbazona de la acetona

H3C CH3

NH2

OCNH

N

H3C CH3

O

semicarbazidaacetona

+ H2O H

+ NH2 NH CO

NH2

Los mecanismos de estas reacciones son semejantes a los mecanismos de formacin de iminas. Adicin de compuestos organometlicos.

Las adiciones nucleoflicas de reactivos organometlicos al grupo carbonilo son de gran utilidad en sntesis orgnica porque permiten la creacin de enlaces C-C. Los compuestos organometlicos, como los reactivos de Grignard, los reactivos organolticos y los acetiluros metlicos, se adicionan nucleoflicamente al grupo carbonilo para formar un alcxido que, por protonacin, conduce a un alcohol.

bromuro de metilmagnesio 1-metilciclopentanol

HO CH3H3O

alcxido

BrMg

CH3 MgBr

O CH3

+

O

+ H2O

3-hexanona alcxido 4-etil-5-octin-4-ol

HO

CH2CH3C

CH3OLi O

CH2CH3C

C

C C CH2CH3+ Li

O


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Adicin de iluros: la reaccin de Wittig. En 1954, George Wittig describi un mtodo para formar enlaces dobles

carbono-carbono a partir de un compuesto carbonlico y de un carbanin estabilizado por fsforo. Por este trabajo recibi, en 1979, el premio Nobel de Qumica. El carbanin estabilizado por fsforo es una sal interna denominada iluro y en ella el tomo de fsforo est cargado positivamente y el tomo de carbono contiguo est cargado negativamente.

Los iluros de fsforo se preparan a partir de la trifenilfosfina y halogenuros de alquilo en un proceso en dos etapas. En la primera tiene lugar un ataque SN2 de la fosfina al haluro de alquilo, lo que genera una sal de trifenilalquilfosfonio. En la segunda etapa, la sal de fosfonio se trata con una base fuerte para sustraer el protn del tomo de carbono unido al fsforo y formar el iluro.

Sntesis de iluros de fsforo 1 etapa: obtencin de la sal de fosfonio mediante reaccin SN2

2 etapa: generacin del iluro mediante una reaccin cido-base

Ph PPh

PhR

H

H

C X

sal de fosfonio

B Ph PPh

PhR

HC

Ph PPh

PhR

HC

iluro de fosforo

+ BH X

Ph PPh

PhR C

H

HX+

trifenilfosfina halogenuro de alquilo

Ph PPh

PhR

H

H

CSN2

X

sal de fosfonio

El iluro de fsforo se puede describir mediante la contribucin de dos estructuras resonantes: una con cargas en el carbono y el fsforo y otra sin cargas pero con un doble entre el carbono y el fsforo. La estructura con doble enlace requiere 10 electrones en la capa de valencia del fsforo, lo que implica el empleo de uno de los orbitales d de este tomo. Por ello, el enlace entre el carbono y el fsforo es muy dbil y la estructura resonante con carga es la contribuyente principal al hbrido de resonancia. Mecanismo de la reaccin de Wittig.

Debido a su carcter de carbanin, el tomo de carbono del iluro es muy nucleoflico y ataca a los grupos carbonilo de aldehdos y cetonas para formar un intermedio con separacin de cargas llamado betana. La atraccin entre las cargas


20

opuestas de la betana forma un anillo de oxafosfetano de cuatro eslabones. El anillo del oxafosfetano se rompe para formar el doble enlace carbono-carbono y xido de trifenilfosfina. La fuerza impulsora de la reaccin es la formacin del fuerte enlace P=O.

Mecanismo de la reaccin de Wittig

betana

C

O

R

R

Ph3P

R

CH

aldehdo o cetona

RC

RO

iluro de fosforo

Ph PPh

PhR

HC

C

O

R

R

Ph3P

R

CH

betana

C

O

R

R

Ph3P

R

CH

oxafosfetano

+

xido de trifenilfosfinaOPh3P

alqueno

C

R

R

R

CHC

O

R

R

Ph3P

R

CH

oxafosfetano

A continuacin, se indica a modo de ejemplo la sntesis del 2-metil-2-penteno

mediante la reaccin de Wittig, empleando como fuentes de carbono el bromuro de propilo y la acetona:

a) sntesis de la sal de fosfonio.

trifenilfosfina

BrPh3P CH2CH2CH3+ CH3CH2CH2BrPh3P

sal de fosfoniobromuro de propilo b) ionizacin de la sal de fosfonio: sntesis del iluro.

basesal de fosfonio

+ LiBr+ Ph3P CHCH2CH3Bu H+ BuLi BrPh3P CH2CH2CH3iluro

c) reaccin entre el iluro y el compuesto carbonlico.

acetona 2-metil-2-penteno

+ CH

CH3CH2

CH3

CH3CPh3P O+ O C

CH3

CH3

Ph3P CHCH2CH3

iluro xido de trifenilfosfina


21

Adicin de hidruro: reduccin a alcoholes. Determinados hidruros metlicos son capaces de adicionar un in hidruro al

grupo carbonilo de los aldehdos y las cetonas. El resultado de este ataque nucleoflico es un in alcxido que por protonacin proporciona un alcohol.

alcohol

C O

R

R

H HH3O

in alcxido

C O

R

R

H

in hidruro

H C OR

R

Los dos reactivos que se emplean con mayor frecuencia para la reduccin de aldehdos y de cetonas son el borohidruro de sodio (NaBH4) y el hidruro de litio y aluminio (LiAlH4).

Al H

H

H

HLi

hidruro de litio y aluminio borohidruro de sodio

Na B H

H

H

H

El LiAlH4 es mucho ms reactivo que el NaBH4 y debe ser utilizado en disolventes no hidroxlicos como el THF (tetrahidrofurano) o el ter etlico. El LiAlH4 reacciona de forma explosiva con agua y alcoholes, liberando hidrgeno que puede ocasionar incendios. El LiAlH4 reduce con facilidad aldehdos y cetonas, pero tambin es capaz de reducir steres y cidos carboxlicos.

Reduccin de cetonas y steres con LiAlH4

CH3

O

1 LiAlH4, THF

2 H3O+

CH3

OH

H

CH3 OCH3

O O

2 H3O+

1 LiAlH4, THFCH3 OH

OH H

H H

Por el contrario, el NaBH4 reacciona lentamente con alcoholes y con agua

siempre que el pH se mantenga bsico. De hecho, muchas de las reducciones de aldehdos y cetonas con NaBH4 se llevan a cabo en etanol o metanol como disolvente. El NaBH4 es un reductor mas suave y selectivo que el LiAlH4 y, por lo general, slo reduce a aldehdos y cetonas y no reduce a los steres y a los cidos carboxlicos.


22

Reduccin selectiva de cetonas en presencia de steres con NaBH4

CH3

O

NaBH4, EtOH CH3

OH

H

CH3 OCH3

O O

CH3 OCH3

OH

H

ONaBH4, EtOH

Enolizacin de aldehdos y cetonas.

Los hidrgenos de los tomos de carbono contiguos al grupo carbonilo son relativamente cidos y pueden ser capturados con bases adecuadas. Cuando tiene lugar esta reaccin cido-base el compuesto carbonlico se convierte en un anin enolato, que es una especie nucleoflica capaz de reaccionar con un buen nmero de electrfilos. En el esquema de reaccin que se da a continuacin se indica la conversin del compuesto carbonlico en su base conjugada, el anin enolato, que deslocaliza la carga negativa entre el tomo de carbono y el tomo de oxgeno del grupo carbonilo contiguo.

ion enolato

C C

O EE

C C

O

C C

OBC C

O H

El pKa para la eliminacin de un protn de un aldehdo o de una cetona es del orden de 20, lo cual indica que una cetona o un aldehdo tpicos son mucho menos cidos que el agua (pKa=15.7) o los alcoholes (pKa = 16 a 19), y por tanto, la reaccin con las bases conjugadas de stos, el anin hidrxido o el anin alcxido, provoca la formacin de un equilibrio cido-base que est poco desplazado hacia el anin enolato. Por ejemplo, cuando la ciclohexanona se aade a una disolucin de etxido sdico en etanol se establece un equilibrio cido-base, que se indica a continuacin, y que est poco desplazado hacia la derecha porque se combina un cido muy dbil, la ciclohexanona, con una base relativamente poco fuerte.

el equilibrio est muy poco desplazado hacia la derecha

OH

+

OH

O CH2CH3HO CH2CH3

OH

H Na Na


23

A pesar de que la concentracin de in enolato en el equilibrio es pequea se puede aprovechar la nucleoflia inherente a esta especie para la reaccin con electrfilos. Si este segundo proceso es irreversible, o tiene una constante de equilibrio elevada, el equilibrio global de la reaccin se desplazar hacia la derecha.

En algunas reacciones es necesario que todo el compuesto carbonlico se convierta completamente en el enolato y por ello se emplean bases mucho ms fuertes que el in hidrxido o que los alcxidos. Una de estas bases fuertes es el diisopropilamiduro de litio, abreviado LDA, que se genera por reaccin cido-base entre la diisopropilamina y el butil-litio.

N H + C4H9 Li C4H10+N Li

diisopropilamina butil-litio diisopropilamiduro de litio (LDA)

butano

La diisopropilamina tiene un pKa de unos 40, lo que significa que es mucho menos cida que un aldehdo o una cetona. La LDA es una base muy fuerte pero muy poco nucleoflica debido a la presencia de los voluminosos grupos isopropilo, que impiden que se acerque a un carbono carbonlico o que participe en reacciones de tipo SN2. Cuando la LDA reacciona con una cetona, sustrae cuantitativamente el protn en al grupo carbonilo para formar el correspondiente enolato ltico.

Li+

OH

H

OH

OH

el equilibrio est desplazado hacia la derecha

N LiN

H+

Reacciones de condensacin aldlica. Como ya se ha comentado, los enolatos generados por ionizacin de un

compuesto carbonlico son especies nucleoflicas y pueden atacar a especies electroflicas. Uno de los electrfilos que puede ser atacado por el anin enolato es el propio compuesto carbonlico. Cuando esto ocurre se obtiene un compuesto -hidroxicarbonlico denominado genricamente aldol. Bajo determinadas condiciones de reaccin, el aldol se puede deshidratar para dar lugar a un compuesto carbonlico ,-insaturado. Este proceso recibe el nombre de condensacin aldlica. Por ejemplo, cuando la acetona se trata con una disolucin acuosa de hidrxido sdico se forma la 4-hidroxi-2-pentanona (el aldol). Si la reaccin se lleva a cabo a reflujo el aldol se deshidrata in situ para dar lugar a la 3-penten-2-ona (el compuesto carbonlico ,-insaturado).


24

- H2OH3C

O

CH3

aldol

H3C

O OH

CH3

NaOH, H2O+H3C

O

CH3H3C

O

CH3

cetona , -insaturada

El mecanismo de la condensacin aldlica se inicia con la reaccin cido-base

entre la acetona y el anin hidrxido lo que genera un equilibrio en el que est presente el in enolato. En el segundo paso del mecanismo, el in enolato ataca nucleoflicamente a la acetona para formar una -alcoxicetona que, por reaccin cido-base con las molculas de agua del disolvente, genera el aldol. Para llevar a cabo la reaccin se necesitan cantidades catalticas de base, puesto que tal y como se pone de manifiesto en el mecanismo que se da a continuacin, la base no se consume en el proceso pero es necesaria para la generacin del in enolato.

Mecanismo de la reaccin de condensacin aldlica en medio bsico

Paso 1: formacin del ion enolato.

+ H2O

enolato de la acetona

H3C

O

C

H

HH3C

O

C

H

H

OHH3C

O

C

H

H

H

Paso 2: ataque nucleoflico del in enolato al carbonilo de la cetona.

-alcoxicetonaH3C

O

H

H

O

H3C CH3H3C

CH3

O O

CH3

Paso 3: protonacin de la -alcoxicetona.

aldol

+ OHH3CCH3

O O

CH3

HH

OH

H3CCH3

O O

CH3

La condensacin aldlica es reversible y las concentraciones de los productos en

el equilibrio suelen ser pequeas. La forma de aumentar el rendimiento del proceso es eliminar alguno de los productos de la reaccin, por ejemplo el agua, para desplazar el equilibrio hacia la derecha.


25

Las condensaciones aldlicas tambin se pueden efectuar bajo catlisis cida. En este caso la especie nucleoflica no es el in enolato, sino el enol, que ataca al carbonilo protonado. El mecanismo de la condensacin aldlica en medio cido se indica a continuacin:

Mecanismo de la reaccin de condensacin aldlica en medio cido Paso 1: formacin del enol.

enol de la acetona

H3C

O

C

H

H

H + H3OOH

H

+ H2O

H3C

O

C

H

H

H

H

H3C

O

CH3 H3C

O

CH3

HH

OH

H

Paso 2: ataque nucleoflico del enol a la acetona protonada.

+ H2OH3C

O

CH3 H3C

O

CH3

HH

OH

H

H3C CH3

O OH

CH3

H3C CH3

O OH

CH3

H

H3C

O

C

H

H

HH3C

O

CH3

H

H3C CH3

O OH

CH3

H

HOH

H

HOH

+

aldol Deshidratacin de los productos aldlicos.

Al calentar en medio cido o bsico una disolucin que contenga un aldol, se produce la deshidratacin para generar un aldehdo o cetona ,insaturados. En medio cido, la reaccin de deshidratacin sigue normalmente un mecanismo de eliminacin E2.


26

Mecanismo de la deshidratacin del aldol en medio cido

+ H2O

H3C CH3

O OH

CH3

+ H3O H3C CH3

O O

CH3

H H

H3C CH3

O O

CH3

H H

HH2O

H3C

CH3O

CH3+ H3O

+ H2O

cetona ,-insaturada

aldol

En medio bsico la deshidratacin del aldol no tiene lugar mediante un proceso

concertado, tal y como ocurre en medio cido. La reaccin se inicia con la sustraccin por parte de la base del protn en respecto al grupo carbonilo. El anin generado en este proceso forma un doble enlace y al mismo tiempo expulsa al in hidrxido. Este proceso puede parecer extrao porque el in hidrxido no es un buen grupo saliente en una reaccin de eliminacin E2. Sin embargo, el in hidrxido puede funcionar como grupo saliente en un paso muy exotrmico como el que da lugar al compuesto carbonlico ,-insaturado. A este tipo de reacciones de eliminacin asincrnica inducidas por base se les denomina eliminacin E1cB.

Mecanismo de la deshidratacin del aldol en medio bsico

cetona ,-insaturada

+ HOH3C

CH3O

CH3

H3C CH3

O OH

CH3H3C CH3

O OH

CH3HHO

H2O +

H3C CH3

O OH

CH3

La reaccin de deshidratacin es exotrmica porque forma un sistema

termodinmicamente estable, que es el del compuesto carbonlico ,-insaturado, y en consecuencia el equilibrio se desplaza hacia la derecha aumentando los rendimientos de la reaccin.


27

Condensaciones aldlicas cruzadas. Si se mezclan dos compuestos carbonlicos en presencia de una cantidad

cataltica de base, o de cido, se generarn los correspondientes enolatos de cada compuesto carbonlico. Por ejemplo, si el propanal y el etanal se mezclan en una disolucin etanlica que contiene una pequea cantidad de NaOH acuosa se obtienen cuatro productos de reaccin:

+

producto de condensacin cruzada

cruzadaproducto de condensacin

D

C

Bdel etanal

producto de autocondensacin

Adel propanal

producto de autocondensacin

+

+

+

H3C

OH

H

O

OH

CH3

H

OH3C

H2O

NaOH, EtOH

etanalpropanal

H3C H

OH3C

H

O

O

HH3C

OH

O

HCH3

H3C

OH

La formacin de estos cuatro compuestos se explica del siguiente modo. Cuando la mezcla de etanal y propanal se pone en contacto con la disolucin bsica se genera una mezcla formada por los dos aldehdos y sus correspondientes enolatos.

enolato del etanaletanal

enolato del propanal

H3CH

O

propanal

NaOH H3CH

O

H

H3CH

O

H

HH

O

H

HH

O

H

NaOHH3C H

O

Cada anin enolato nucleoflico ataca a cada uno de los dos aldehdos dando

lugar a la mezcla de los cuatro productos de condensacin.


28

enolato del etanaletanal

enolato del propanalpropanal

OH

CH3

H

OH3C

A

H3CH

O

H

H3CH

O

HH

O

H BH3C

OH

H

O

H3C H

O

autocondensacin

autocondensacin

enolato del propanaletanal

enolato del etanalpropanalC

H3CH

O

H

H3CH

O

HH

O

H

H3C H

O

condensacin

condensacin

H

OH3C

OH

cruzada

H

O

CH3

OH

H3C

D

cruzada

La anterior condensacin aldlica cruzada es ineficaz desde el punto de vista

sinttico porque da lugar a una mezcla de productos. Sin embargo, una condensacin aldlica cruzada puede tener utilidad en sntesis orgnica si se planea de tal modo que slo uno de los dos compuestos carbonlicos pueda formar un in enolato, y que el otro compuesto carbonlico sea ms electroflico que el compuesto carbonlico que ha generado al enolato.

Por ejemplo, la reaccin de condensacin aldlica cruzada entre el benzaldehdo y el propanal proporciona el 2-metil-3-fenil-2-propenal con un rendimiento del 80%. En este caso, el benzaldehdo no puede enolizarse porque no tiene tomos de hidrgeno en el C- y slo puede actuar como electrfilo. El propanal se ioniza a su correspondiente enolato, que ataca nucleoflicamente al benzaldehdo. La deshidratacin proporciona el compuesto carbonlico ,-insaturado.

H

O

H3C H

O

+OH

OH O

HCH3

OH

O

HCH3

(80%)


29

Mecanismo Paso 1: enolizacin del propanal

enolato del propanal

+ H2O H3C H

O

HO

H3C H

O

H

Paso 2: ataque nucleoflico del enolato al benzaldehdo

aldol

OH

CH3

O

H + HO+ H2O

O

CH3

O

H

O

CH3

O

HH

O

H3C H

O

Paso 3: deshidratacin

+ H2OCH3

O

H

aldol

OH

CH3

O

H HO

2-metil-3-fenil-2-propenal


30

Alquilacin de enolatos. El enolato es una especie nucleoflica que puede reaccionar con halogenuros de

alquilo en reacciones de tipo SN2.

RR

O

XR X

enolato

R

O

+SN2

+

producto de alquilacin

El in hidrxido o los alcxidos no pueden emplearse como bases en el proceso de alquilacin por dos motivos.

a) En primer lugar porque estas bases no enolizan completamente a las cetonas,

y la cetona no enolizada, que es un compuesto electroflico, competira con el halogenuro de alquilo en la reaccin con el enolato.

b) En segundo lugar porque el in hidrxido o los iones alcxido son bases

nucleoflicas y podran atacar al halogenuro de alquilo. Por ello, la base que hay que emplear para la enolizacin de cetonas en los

procesos de alquilacin es la LDA (diisopropilamiduro de litio). La LDA es una base muy fuerte y convierte cuantitativamente a las cetonas en sus correspondientes enolatos. Como adems es una base muy voluminosa en muy poco nucleoflica y no ataca al halogenuro de alquilo. A continuacin se dan los pasos mecansticos implicados en el proceso de alquilacin de la fenil isopropil cetona con bromuro de alilo.

Mecanismo del proceso de alquilacin de cetonas

Paso 1: enolizacin completa de la cetona por reaccin con LDA.

CH3

O

CH3

HN

Li

CH3

O

CH3

Li

NH

+

enolatoLDAfenil isopropil cetona


31

Paso 2: reaccin SN2 del enolato con bromuro de alilo

producto de alquilacin

CH3

O

CH3+ LiBr

SN2+ Br

LiCH3

O

CH3

bromuro de aliloenolato

Halogenacin de compuestos carbonlicos.

Las cetonas se pueden halogenar en el carbono contiguo al grupo carbonilo mediante reaccin con halgeno molecular y una base.

O

Cl

HH2O, OH

Cl2

OH

H

ciclohexanona -clorociclohexanona

En esta reaccin se necesitan cantidades estequiomtricas de la base porque

sta se consume en la reaccin. El mecanismo es el siguiente. Paso 1: enolizacin de la cetona

OH

H OH H2O

OH

+

enolato Paso 2: reaccin de halogenacin del enolato

-clorociclohexanona

+ Cl

OH

ClCl Cl

OH

enolato


32

En muchos casos la halogenacin promovida por base no se detiene en la sustitucin de uno slo de los hidrgenos porque la -halogenocetona que se forma en el proceso es ms cida que la cetona de partida y se enoliza con ms facilidad. Esto se debe al tomo de halgeno, que al ser electrn-atrayente estabiliza al in enolato aumentando su concentracin. La reaccin del haloformo.

La reaccin del haloformo es la que tiene lugar cuando una metilcetona reacciona con halgeno molecular en presencia de base, y se denomina de este modo porque uno de los productos de la reaccin es haloformo (HCX3). Por ejemplo, cuando la fenil metil cetona se hace reaccionar con bromo en presencia de hidrxido sdico acuoso se obtiene bromoformo (HCBr3) y benzoato sdico.

O

O

NaOH, H2OCH3

OBr2 Na

HCBr3+

fenil metil cetona benzoato sdico bromoformo El mecanismo que explica esta reaccin se inicia con la halogenacin de la fenil

metil cetona. La correspondiente fenil bromometil cetona se enoliza rpidamente y ataca al bromo para formar la fenil dibromometil cetona. Esta cetona es ms fcilmente enolizable que las otras dos debido a la presencia de los dos tomos de bromo. El correspondiente enolato ataca al bromo para dar lugar a la fenil tribromometil cetona.


33

1 halogenacin

CH2Br

O

CH2

O

Br2CH3

ONaOH, H2O

Na

+ NaBr

fenil bromometil cetona

CHBr2

O

Br2

2 halogenacin

CHBr

O

CH2Br

ONaOH, H2O

Na

fenil dibromometil cetona

+ NaBr

CHBr2

OCBr2

O3 halogenacin

Br2 CBr3

O

NaOH, H2O

Na

+ NaBr

fenil tribromometil cetona

La fenil tribromometil cetona ya no se puede enolizar ms porque no tiene hidrgenos en los carbonos contiguos al grupo carbonilo, pero la presencia del grupo tribromometilo, fuertemente electrn-atrayente incrementa la reactividad del grupo carbonilo que resulta atacado por el anin hidrxido. El intermedio tetradrico regenera el doble enlace con expulsin del anin tribromometano y formacin de cido benzoico. Una reaccin cido-base entre estas dos especies proporciona el bromoformo y el anin benzoato.

CBr3

O

OH Na

CBr3

O

OH

Na

OH

O

CBr3Na+

NaCBr3O

O

H O

O

Na+ CBr3H

benzoato sdico bromoformo

En contraste con la reaccin en medio bsico, las cetonas se pueden halogenar de manera controlada en medio cido, reemplazndose solamente uno de los hidrgenos en por un tomo de halgeno. Por ejemplo, la reaccin de la fenil metil cetona con bromo en una disolucin de AcOH proporciona con buen rendimiento la fenil bromometil cetona.


34


CH3

O

Br2CH2Br

O

AcOH+ AcOH

El mecanismo de la halogenacin en medio cido se inicia con la protonacin del oxgeno carbonlico lo que facilita la formacin del correspondiente enol.

Paso 1: enolizacin

+ AcO+

CH2

OH

CH2

OH

H+ AcO + AcOH

enol

CH3

O

CH2

OH

HAcOH

Paso 2: halogenacin del enol

+ H BrCH2Br

O

+ BrCH2Br

O H

enol

CH2

OH

enol

Br BrCH2Br

OH

+ Br


A diferencia de las cetonas, los aldehdos no suelen dar buenos rendimientos en los productos de -halogenacin porque se oxidan con facilidad a cidos carboxlicos.

cido carboxlicoaldehdo

2+ H XR OH

O

+ X2 + H2OR H

O


35

Oxidacin de aldehdos y cetonas. Los aldehdos se pueden oxidar con oxidantes fuertes, como el KMnO4, y

tambin con oxidantes suaves como el Ag2O. En estas oxidaciones el aldehdo pierde el tomo de hidrgeno enlazado al grupo carbonilo. Las cetonas son resistentes a la oxidacin por la ausencia de este enlace C-H.

R H

O

CKMnO4, OH

R O

O

CH3O

R OH

O

C

R OH

O

CH3O

R O

O

CAg2O, OH

R H

O

C

La facilidad con la que se oxidan los aldehdos es el fundamento de unas pruebas qumicas que permiten diferenciarlos de las cetonas. Cuando se mezcla el nitrato de plata (AgNO3) con amoniaco acuoso se genera una disolucin conocida como el reactivo de Tollens. El reactivo contiene el in diamina de plata Ag(NH3)2+. Aunque este in es un agente oxidante muy dbil, es capaz de oxidar a los aldehdos a aniones carboxilato. La Ag(I), que es el oxidante, se reduce a plata metlica, Ag(0). Si el test de Tollens se efecta en un tubo de ensayo, la plata metlica se deposita en las paredes del mismo formando un espejo de plata. A veces, la oxidacin del aldehdo es muy rpida y entonces la plata metlica se deposita en forma de precipitado gris oscuro.

Las cetonas, excepto las -hidroxicetonas, no dan positivo el test de Tollens.

R C

O

C R

O

hidroxicetonaR C

O

CH R

OHAg(NH3)2

+

+ Ag

espejode plata

H2O

no reaccionaR C

O

RAg(NH3)2

+

cetona H2O

H2Oaldehdode plataespejo

+ AgR C

O

OAg(NH3)2

+

R C

O

H


36

La reaccin de oxidacin de Baeyer-Villiger. Los aldehdos y las cetonas se pueden convertir en steres mediante la reaccin

con percidos (RCO3H). La reaccin es particularmente til con cetonas porque permite obtener steres con buenos rendimientos.

cido sterpercidoaldehdo o cetona

R O

OR R O

OH++ R O

OO

HR R

O

Por ejemplo, la reaccin de la acetofenona con cido m-cloroperoxibenzoico (MCPBA) permite la obtencin de acetato de fenilo:

cido m-clorobenzoico

+

Cl

O

OH

acetato de fenilo

O CH3

O

MCPBA

+

Cl

O

OO H

acetofenona

O

CH3

El mecanismo de esta reaccin se inicia con la protonacin del oxgeno carbonlico, que lo convierte en un compuesto mucho ms reactivo. A continuacin, se produce el ataque nucleoflico del oxgeno peroxdico. El in oxonio resultante se desprotona fcilmente para dar un compuesto neutro. El oxigeno carbonlico de la parte de perxido se protona, lo que facilitar su eliminacin como grupo saliente. Finalmente, la regeneracin del grupo carbonilo fuerza la migracin del grupo fenilo, con el par de electrones de enlace, al tomo de oxgeno adyacente con eliminacin simultnea del cido carboxlico.


37

Mecanismo de la reaccin de transposicin de Baeyer-Villiger

Protonacin de la cetona y ataque nucleoflico del percido:

O

CH3

acetofenona

+

O

OO

H

ClMCPBA

O

CH3

H O

OO

Cl

+

O

CH3

H

OO

O

H

O

CH3

H

OO

OH

catin oxonioCl Cl Etapas de intercambio protnico:

O

CH3

H

OO

OH

Cl

O

O

Cl

+O

O

CH3

H

OO

O

Cl

O

O

Cl

+O

H

O

CH3

H

OO

O

Cl

O

O

Cl

+O

H

O

CH3

H

OO

O

Cl

O

O

Cl

+O

H

Paso de transposicin:

O

CH3

H

OO

O

Cl

H

migracin de

feniloH3C O

OH

O

O

Cl

H

+


38

Intercambio protnico:

H3C O

OH

+

O

O

Cl

O

O

O

Cl

OH

H3C O

O+

acetato de fenilo

El producto de esta reaccin muestra que el grupo fenilo tiene mayor tendencia a

la migracin que el grupo metilo, de lo contrario se hubiese obtenido el benzoato de metilo (C6H5COOCH3). Esta tendencia a migrar se denomina aptitud migratoria. La aptitud migratoria de diferentes grupos en la reaccin de Baeyer-Villieger es la siguiente:

H > fenilo > alquilo 3 > alquilo 2 >alquilo 1 > metilo


39

Tema 10. Problemas.

10.1. La adicin de HCN a aldehdos y cetonas es una reaccin de equilibrio que puede estar ms o menos desplazado hacia la estructura de la cianohidrina.

R1

O

R2+ HCN

R1 R2

HO CN

Ordene los compuestos carbonlicos que se dan a continuacin en orden decreciente de su constante de equilibrio para la formacin de la cianohidrina.

H3C

O

CH3 H

O

HH3C

O

H CH3

OCH3

O

H3CO

10.2 Cuando se disuelve el 5-hidroxipentanal en metanol que contiene una cantidad cataltica de cido p-toluensulfnico se produce la siguiente reaccin:

++HOCHO CH3OH

TsOH O

OCH3

H H2O

Qu tipo de compuesto es el producto de la reaccin? Proponga un mecanismo

que explique la reaccin anterior.

10.3. Cuando la pentametilglucosa se trata con HCl acuoso diluido, a temperatura ambiente, se provoca la hidrlisis del grupo metil ter de C-1 y se obtiene una mezcla de las dos tetrametilglucosas A y B, cuya estructura se indica a continuacin:

+OMeO

MeOMeO OMe

H

OMeHCl, H2O

OMeOMeO

MeO OH

H

OMeOMeO

MeOMeO H

OH

OMe

pentametilglucosa A B

Proponga un mecanismo que explique la conversin de la pentametilglucosa en las dos tetrametilglucosas A y B. Por qu en las condiciones de hidrlisis cida suave de la reaccin anterior resulta atacado exclusivamente el grupo metil ter de C-1? Por qu no son hidrolizados los otros grupos metil ter?

10.4. Qu productos se obtendrn en la reaccin del HCN con los siguientes compuestos carbonlicos? Sern las mezclas de reaccin obtenidas pticamente activas? Por qu?

H3C

O

H H3C

O

CH3 H3C H

PhCH2O O


40

10.5. Los acetales son fcilmente hidrolizados en medio cido acuoso a los correspondientes compuestos carbonlicos. Sin embargo, en medio bsico los acetales no se hidrolizan:

MeO OMe HCl, H2OO

+ 2 MeOH

NaOH, H2O no hay reaccin

Proponga una explicacin para los anteriores hechos experimentales

10.6. Cuando la acetona reacciona con la hidroxilamina (NH2OH)se obtiene un compuesto A (C3H7NO). De igual modo la ciclohexanona reacciona con la hidroxilamina (NH2OH) para dar lugar a un compuesto B (C6H11NO). Sin embargo cuando la hidroxilamina reacciona con el acetaldehdo se obtiene una mezcla formada por dos compuestos isomricos C y D de frmula molecular C2H5NO. a) Deduzca la estructura de los compuestos A, B, C y D. b) Explique por qu las oximas son ms cidas que la hidroxilamina.

10.7. La reaccin del butanal (CH3CH2CH2CHO) con un reactivo de Grignard RMgBr proporcion, despus de la hidrlisis cida de la mezcla de reaccin, un alcohol secundario A (C7H16O). La reaccin de A con una disolucin acuosa cida de Na2Cr2O7 proporcion una cetona B, cuya reaccin con RMgBr llev, despus de la hidrlisis cida, a un alcohol C (C10H22O). Deduzca la estructura de A, B y C, as como la estructura del reactivo de Grignard, sabiendo que ni A ni C son pticamente activos.

10.8. Indique cmo se podran preparar las olefinas que se indican a continuacin mediante el empleo de la reaccin de Wittig.

HOOC

H

CH3

CH CHCH2CH3a) b) c)

10.9. Proponga una explicacin para los siguientes hechos experimentales: cuando la cetona A, pticamente activa, se trata con una disolucin de NaOH acuosa y se mide la rotacin ptica de la disolucin se comprueba que sta desciende gradualmente hasta alcanzar el valor 0. Si la reaccin se efecta con NaOD en D2O, no slo se pierde la actividad ptica de la cetona de partida, sino que se obtiene la cetona deuterada B.

H3C PhPhH

O

A

NaOH, H2O

NaOD, D2O H3C PhPhD

O

B

D= 0

D= 0


41

10.10. Cuando cada uno de los compuestos carbonlicos que se dan a continuacin se tratan con D2O y NaOD se producen reacciones de intercambio hidrgeno-deuterio. Para cada una de estas reacciones se da la frmula molecular del compuesto deuterado obtenido. Deduzca la estructura de cada uno de estos compuestos deuterados y explique su formacin.

C7H8D2OD2O

C6H4D4O D2O

D2O C4H3D3O C4H3D5O

D2O

d)c)

b)a)

O

O

H2C CH3

O

H3CCH3

O

NaOD

NaOD NaOD

NaOD

10.11. Explique mecansticamente cada una de las siguientes transformaciones.

O

OOH

Ob) a)

H

CH3

OH2O

CH3

H

O

NaOH NaOH

H2O

10.12. La metil isobutil cetona (CH3COCH2CH(CH3)2) (MIBK) es un importante disolvente industrial que se prepara en dos pasos a partir de la acetona. Sabiendo que uno de los pasos implicados en la sntesis de la MIBK es una reaccin de condensacin aldlica proponga una sntesis para este compuesto.

10.13. Proponga un mecanismo para la siguiente reaccin: CH(OMe)2

CH(OMe)2

H2O, cat. TsOHCHO

10.14. Cuando la 1,4-ciclooctadiona se trata con una disolucin acuosa que contiene cantidades catalticas de cido p-toluensulfnico se obtiene una cetona de frmula molecular C8H10O. Asigne una estructura a esta cetona y escriba un mecanismo que explique su formacin.

O OH2O, HCl

C8H10O


42

10.15. Cul de las dos rutas sintticas que se proponen a continuacin es el ms indicada para la preparacin del metilenciclohexano? Por qu?

O ruta a)1. MeLi2. H3PO4, calor CH2

Ph3P=CH2ruta b)

10.16. Cuando la bromocetona A se trata con t-butxido de potasio en t-butanol a temperatura ambiente se forma la cetona bicclica B. Por el contrario, cuando la bromocetona A se trata con LDA (diisopropilamiduro de litio) a -78C en THF se obtiene el compuesto C. Proponga una explicacin mecanstica.

O

CH3Br

(CH3)3COH,25C

(CH3)3COK

O CH3

A

B

O

CTHF, -78C

LDA

10.17. Explique mecansticamente las siguientes transformaciones qumicas:

H

O

CH3

O

+HCl (cat.)

O

+ H2Oa)

CH3

OO

H

H3CKOH (cat.)

CH3

O + H2O

b)

H3CCH3

O

O

KOH, H2O

EtOH

CH3

O

CH3

c)

d) O

O

H2SO4, H2O

O

+ H2O

+ H2O


43

10.18. Cuando el clorometil ter A se hace reaccionar con Ph3P se obtiene un compuesto B, de naturaleza salina. La reaccin de B con butil-litio (BuLi) origina el compuesto C, que reacciona con la 3-pentanona para dar xido de trifenilfosfina (Ph3P=O) y el compuesto D. La reaccin de hidrlisis cida de D proporciona p-metilfenol y un compuesto de naturaleza aldehdica E (C6H12O).

+ E (C6H12O)

Ph3P=O+

D (C13H18O) CH3 OH H3O

H2OOC +

BuLiCB+ Ph3P

A

CH3 OCH2Cl

Con estos datos deduzca las estructuras de B, C, D y E. Explique mecansticamente la formacin de E.

10.19. La reaccin de un compuesto aromtico A (C7H6O) con el fosforano que se indica a continuacin condujo a la obtencin de dos compuestos isomricos B y C de frmula molecular C9H10.

A CH3CH PPh3+

B

C

+

1. O3

2. Zn

1. O3

2. Zn

A + CH3CHO

A + CH3CHO

La reaccin de B y de C con ozono seguido de tratamiento de la mezcla de ozonolisis con zinc permiti en ambos casos la obtencin del compuesto A y de acetaldehdo. Con estos datos deduzca las estructuras de A, B y C.

10.20. El clorhidrato de bupropiona es un antidepresivo que se vende con la denominacin comercial de Wellbutrina. Su sntesis a partir de benceno se indica a continuacin:

CH3CH2COCl

AlCl3A (C9H10O)

Cl2, AlCl3B (C9H9ClO)

Cl2, AcOH

C (C9H8Cl2O)(CH3)3CNH2C13H18ClNO.HCl

(clorhidrato de bupropiona)

Deduzca las estructuras de A, B y C e indique para cada paso de la sntesis anterior el mecanismo de la reaccin.


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10.21. La reaccin de un aldehdo pticamente activo A (C9H10O) con bromuro de metilmagnesio, seguida de la hidrlisis cida de la mezcla de reaccin, proporciona una mezcla de dos alcoholes isomricos B (C10H14O) y C (C10H14O).

A (C9H10O)1. CH3MgBr

2. H3O+B (C10H14O) + C (C10H14O)

Estos dos compuestos, fcilmente separables por cromatografa, se convierten en los respectivos tosilatos. Cuando el tosilato de B se trata con NaBr en acetona se obtiene un nico bromocompuesto D (C10H13Br), pticamente activo. Del mismo modo, la reaccin del tosilato de C con NaBr en acetona proporciona un nico bromocompuesto E (C10H13Br), ismero de D y tambin pticamente activo. Cuando el bromocompuesto D se hace reaccionar con NaOEt en etanol se produce una reaccin de eliminacin que proporciona mayoritariamente la olefina F (C10H12). Por otra parte, cuando el bromocompuesto E se hace reaccionar con NaOEt en etanol, tambin se produce una reaccin de eliminacin que forma mayoritariamente la olefina G (C10H12), ismera de F. Cuando F se somete a la reaccin de ozonolisis se obtiene la fenil metil cetona y acetaldehdo. La ozonolisis de G tambin proporciona fenil metil cetona y acetaldehdo.

+ H

O

CH3Ph CH3

O

C (C10H14O) TsCl

piridinatosilato de C

NaBracetona

E (C10H13Br)NaOEt

EtOHG (C10H12)

F (C10H12)EtOH

NaOEtD (C10H13Br)acetona

NaBrtosilato de B

piridina

TsClB (C10H14O) 1. O3

2. Zn, AcOH

1. O32. Zn, AcOH

Con estos datos, y sabiendo que la configuracin del estereocentro del aldehdo A es R, deduzca las estructuras de A, B, C, D, E, F y G.

10.22. Un compuesto A (C6H8O) muestra en RMN, entre otras seales, la de un metilo singlete. Cuando A se somete a hidrogenacin en presencia de Pd/C se obtiene un compuesto B (C6H10O). El espectro de infrarrojo de B muestra una banda intensa a 1710 cm-1. El compuesto B reacciona con NaOD en D2O para dar un producto C (C6H7D3O). El compuesto B reacciona con cido m-cloroperoxibenzoico para dar un compuesto D (C6H10O2). El espectro de RMN de D muestra, entre otras seales, una seal doblete a 1.2 con una constante de acoplamiento J = 8 Hz, debida a un grupo CH3. Con estos datos deduzca la estructura de A as como la de los compuestos B, C y D.

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