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EL GRUPO CARBONILO:
ALDEHÍDOS Y CETONAS
1
UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
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
2
UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
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.
S1
O
S2
Esta definición no incluye otros grupos que, aún teniendo la asociación
C=O, ésta forma parte de una función más amplia, como:
O
O
O
OH
OEt
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’).
3
UN
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O
cetona mixta
O
O
O
cetona α,β-insaturada
cetona simétrica
cetona aromática
O
O
O
H
H
aldehído aromático
O
cetona alifática
H
O
aldehído alifático
O
O
H
cetona cíclica
UN
H
aldehídos alifáticos
aldehído α,β-insaturado
4
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA DEL GRUPO CARBONILO
O(π)
C
2p
2s
HI
1s
B
RI
C
A
D
N
IÓ
R
2p
R´ O(σ)
sp2
C(π)
O
2p
2s
B
HI
1s
C
R
A
ID
C
N
IÓ
2p
C(σ)
sp2
O
5
UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
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.
UN
6
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
MAPA DE POTENCIALES
7
UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
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:
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UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
GEOMETRÍA
ESTRUCTURA
ELECTRÓNICA
DEL GRUPO
COMPORTAMIENTO QUÍMICO
Una consecuencia de la estructura es la enolización:
enolización
O
O
R
R'
H H
O
R'
R
H
OH
R'
R
H
R'
R
H
FORMAS RESONANTES
FORMA CETO
CARBANIÓN
ENOLATO
FORMA ENOL
TAUTOMERÍA CETOENÓLICA
9
UN
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PROCEDIMIENTOS DE OBTENCIÓN DE ALDEHÍDOS Y CETONAS
• 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 1,1DIHALUROS 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.
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UN
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OBTENCIÓN DE CETONAS POR OXIDACIÓN DE ALCOHOLES
SECUNDARIOS:
O
H OH
[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.
H2CrO4
Oxidantes habituales:
[O]
KMnO4
K2Cr2O7
CrO3
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UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
OBTENCIÓN DE ALDEHÍDOS POR OXIDACIÓN DE ALCOHOLES
PRIMARIOS:
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]
O
[O]
H
O
OH
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:
PEalcohol>Treacción>PEaldehído
El método es sólo aplicable en la práctica para alcoholes primarios de no muy
alto punto de ebullición.
12
UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
Para realizar la reacción con seguridad y con carácter general ha de
utilizarse un reactivo específico (control químico):
CLOROCROMATO DE PIRIDINIO (PCC)
O
Cl
Cr O-
O
OH
O
+N
H
O
PCC
diclorometano
O
H
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UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
OBTENCIÓN DE ALDEHÍDOS AROMÁTICOS POR OXIDACIÓN
CONTROLADA DE METILBENCENOS:
METILBENCENOS
La oxidación se realiza con anhídrido crómico en presencia de anhídrido
acético como control químico que acetila al intermedio impidiendo que prosiga
la oxidación:
O2N
CH3
HO
CrO3
O2N
O
O
O
O
H 2O / H +
O
O2N
H
O
O
La hidrólisis del compuesto diacetilado se realiza posteriormente ya fuera del
contacto con el oxidante y rinde el aldehído.
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UN
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OBTENCIÓN DE ALDEHÍDOS Y CETONAS POR FISIÓN OXIDATIVA
SUAVE DE GLICOLES:
GLICOLES
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).
1
HO
OH
2
O + O
1. KMnO4/OH-/frío o HCOOOH (ácido peroxifórmico)/ H2O
2. HIO4 (ácido peryódico) o Pb(CH3COO)4 (tetracetato de plomo)
El empleo en 2 de oxidantes más enérgicos conduciría en la fisión hasta
ácidos carboxílicos.
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UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
OBTENCIÓN DE ALDEHÍDOS Y CETONAS POR FISIÓN OXIDATIVA CON
OZONO (OZONÓLISIS) SEGUIDA DE HIDRÓLISIS REDUCTORA:
H
O3
H 2O
+
Zn
O3
H 2O
Zn
O
O
O
H
H
+
O
Las cetonas no requieren necesariamente hidrólisis reductora ya que su oxidación
no prosigue normalmente como ocurre en el caso de los aldehídos (hasta ácidos).
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UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
OBTENCIÓN DE ALDEHÍDOS Y CETONAS AROMÁTICOS POR HIDRÓLISIS
BÁSICA DE 1,1-DIHALUROS BENCÍLICOS:
Cl
Cl2/hv/calor
O
Cl
H2O
CaCO3
CH3
H
O
La halogenación debe realizarse en condiciones enérgicas dado que, por tratarse
de un mecanismo radicálico, la entrada del segundo cloro es costosa.
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UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
OBTENCIÓN DE ALDEHÍDOS POR REDUCCIÓN DE CLORUROS DE ÁCIDO:
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.
O
R
[H]
O
R
Cl
[H]
R CH2OH
H
Se requiere adoptar estrategias para evitar la reducción del aldehído formado:
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.
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
UN
LiAl[(CH3)3CO]3H
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
18
O
O
Cl
H
H2/BaSO4/Pd
quinoleína
O
LiAl[(CH3)3CO]3H
O
Cl
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:
O
R
OH
SOCl2
O
R
LiAl[(CH3)3CO]3H
Cl
O
R
H
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UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
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:
+
HO
H
H
O
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
B2H6
H2O2
OH-
H
20
UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
OBTENCIÓN DE CETONAS POR ACILACIÓN DE FRIEDEL-CRAFTS
La acilación de Friedel-Crafts es una reacción de sustitución electrófila
aromática 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:
O
O
Cl
O
O
AlCl3
O
O
O
O
Cl
+
AlCl3
O
O
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UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
OBTENCIÓN DE ALDEHÍDOS AROMÁTICOS POR FORMILACIÓN DIRECTA:
REACCIÓN DE VILSMEYER-HAACK:
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:
O
POCl3
H
DMF
Formación del complejo formilante y mecanismo de reacción de la SEA:
Cl
O
N
H
POCl3
_
Cl
Cl +N
O
N
H2O
H
H
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UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
OBTENCIÓN DE CETONAS SIMÉTRICAS O CÍCLICAS POR PIRÓLISIS DE
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’.
O
2 R COOH
Ca(OH)2
R
O
calor
Ca
R
O
R
O + CaCO3
R
O
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):
O
COOH
COOH
UN
O
Ca
O
O
O
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
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OBTENCIÓN DE CETONAS VÍA REACCIÓN DE NITRILOS CON
DERIVADOS ORGANOMAGNÉSICOS:
El grupo nitrilo, como insaturación polar, es atacado por magnesianos
generándose una sal de iminio que por hidrólisis ácida forma la cetona:
Br
Mg
_
N
H2O/H+
N +Mg Br
O
Mediante la selección adecuada del nitrilo y del derivado de Grignard
puede sintetizarse cualquier tipo de cetona alifática, aromática o mixta:
O
N
+
I
Mg
24
UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
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:
Cl
Mg
O
O
H OH
H2CrO4
H
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
Mg
Cl
+
O
H
25
UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
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
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UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
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:
O
O
Cd
+
Cl
No podrían emplearse organomagnésicos, más reactivos, pues reaccionarían
también con las cetonas intermedias dando alcoholes terciarios:
O
Mg
Cl
+
HO
Cl
La reacción es muy general y pueden seleccionarse ambos sustituyentes de la
cetona final como cloruro o derivado cádmico según convenga.
27
UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
REACCIONES CARACTERÍSTICAS DE
LOS COMPUESTOS CARBONÍLICOS
1. REACIONES REDOX DE COMPUESTOS
CARBONÍLICOS
2. REACCIONES DE ADICIÓN A CARBONILO
3. REACCIÓN DE CANNIZZARO
28
UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
1. REACIONES REDOX DE COMPUESTOS CARBONÍLICOS
IDENTIFICACIÓN
ANALÍTICA
ÁCIDO
CARBOXÍLICO
[O]
O
[O]
[H]
R
H
ALCANO:
[H]
[O]
ALCOHOL
PRIMARIO
Clemensen
Wolf-Kishner
O
REACCIÓN
HALOFORMO
metilcetonas
[O]
R
R'
[H]
ALCOHOL
SECUNDARIO
Las reducciones hasta alcoholes se realizan preferentemente con hidruros
metálicos y la oxidación hasta ácido carboxílico con ácido crómico.
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UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
IDENTIFICACIÓN ANALÍTICA DE ALDEHÍDOS POR OXIDACIÓN
TOLLENS: AgNO3/NH4OH
Ag
(espejo de plata)
FEHLING: Cu++/ácido tartárico
Cu2O
BENEDICT: Cu++/ácido cítrico
Cu2O
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.
30
UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
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.
O
R
NaIO
CH3
O
R
ONa
+
CHI3
yodoformo
Precipitado amarillo
H+
O
R
OH
En síntesis tiene interés como método suave de transformación de
metilcetonas en ácidos carboxílicos.
31
UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
REDUCCIÓN ENÉRGICA DE ALDEHÍDOS Y CETONAS HASTA
ALCANOS (-CO- hasta -CH2-).
CLÉMENSEN:
CLÉMENSEN amalgama de cinc en medio ácido clorhídrico acuoso
concentrado
O
H
Zn(Hg)/HCl
H
WOLF-KISHNER:
KISHNER condensación del carbonilo con hidrazina seguida
de tratamiento con base fuerte
N
O
H2N-NH2
NH2
NaCH3O
H H
32
UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
2. LA ADICIÓN A CARBONILO
MECANISMO DE REACCIÓN GENERAL DEL PROCESO:
Empleo de un nucleófilo activo:
O
Nu-
O
H+
OH
Nu
Nu
Proceso catalizado con ácido (o ácido de Lewis) para nucleófilos débiles:
O
H+
+
OH
+
OH
Nu-
OH
Nu
OBSÉRVESE QUE EL CARÁCTER BIPOLAR DE ESTE GRUPO FUNCIONAL
PERMITE TANTO EL ATAQUE DE NUCLEÓFILOS COMO EL DE ELECTRÓFILOS.
33
UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
REPRESENTACIÓN ESPACIAL-ORBITAL DEL MECANISMO DE ADICIÓN:
MECANISMO CATALIZADO POR UN ÁCIDO DE LEWIS:
34
UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
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 FRONTERA: el
orbital lleno de más alta energía del nucleófilo (orbital HOMO) y el orbital vacío de más baja
energía del compuesto carbonílico (orbital LUMO), 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
solapamiento
orbitálico del HOMO con
el orbital π* y la mínima
repulsión
del
orbital
HOMO con la densidad
electrónica del enlace π.
35
UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
CRITERIOS DE REACTIVIDAD PARA ADICIÓN A CARBONILOS
Efectos estéricos:
El factor de mayor importancia en la reacción es el cambio de
hibridación: sp2 (reactivo carbonílico) a sp3 (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 pérdida
de 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).
36
UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
ADICIÓN NUCLEÓFILA
DE AGUA A CARBONILO
37
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:
R
H2O/H+
O
R'
R
OH
OH
R'
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:
Cl
H
O
OH
O
Cl
Cl
H
Cl
cloral
Los grupos alquilo estabilizan al carbonilo y los sustituyentes electroatrayentes
lo desestabilizan, favoreciendo la forma hidratada (caso del hidrato de cloral).
38
UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
CONSTANTES DE EQUILIBRIO Y VELOCIDADES RELATIVAS DE
FORMACIÓN DE HIDRATOS DE COMPUESTOS CARBONÍLICOS
CARBONILO
HIDRATO
K
%
VR
39
UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
MECANISMO DE HIDRATACIÓN CATALIZADA POR ÁCIDOS:
PROTONACIÓN
DEL CARBONILO
PARA SU
ACTIVACIÓN.
ATAQUE DE UNA
MOLÉCULA DE
AGUA, DÉBIL
NUCLEÓFILO.
DESPROTONACIÓN
DEL DERIVADO
HIDRATADO.
40
UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
LA HIDRATACIÓN DE CARBONILOS TAMBIÉN
PUEDE CURSAR CON CATÁLISIS BÁSICA:
41
UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
ADICIÓN DE ALCOHOLES Y TIOLES A ALDEHÍDOS Y CETONAS:
FORMACIÓN DE HEMI(TIO)ACETALES Y (TIO)ACETALES
O
MeO
OMe
2 Me OH
H+
SH
SH
S
O
H
ALDEHÍDO/CETONA
ALCOHOL/TIOL
H+
MONOFUNCIONAL/BIFUNCIONAL
H
S
ACETAL ABIERTO/CÍCLICO
42
UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
MECANISMO DE FORMACIÓN DE UN HEMIACETAL CATALIZADA POR
ÁCIDO (PRIMER PASO PARA LA FORMACIÓN DEL ACETAL):
catalizador:
catalizador ácido
p-toluensulfónico
Activación del
carbono (C=O)
carbonílico frente
a un nucleófilo
débil (CH3-OH)
El proceso
completa la adición
a carbonilo de los
componentes de
una molécula de
alcohol: [CH3O] [H]
43
UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
MECANISMO DE TRANSFORMACIÓN DE UN HEMIACETAL EN ACETAL:
Inestabilidad del
hidroxilo de hemiacetal
en medio ácido:
deshidratación
Carbocatión estable
Ataque del nucleófilo
débil sobre el carbocatión
activado
Desprotonación que
completa una
sustitución nucleófila de
OCH3)
orden 1 (OH
44
UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
UTILIDAD: PROTECCIÓN DE GRUPO CARBONILO
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
HO
OH
O
O
acetal
cíclico
H
H
H+
H2 / Pd
O
H
H2O /
H+
O
O
H
45
UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
ADICIÓN DE ÁCIDO CIANHÍDRICO: FORMACIÓN DE CIANHIDRINAS
nucleófilo
fuerte
cianhidrina
El proceso original en medio ácido es reversible aunque la descomposición de
las cianhidrinas en medio básico es más rápida:
H
R
O-H
OH-
H
O
+ CN-
R
46
UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
ESTEREOQUÍMICA DE LA ADICIÓN A CARBONILO:
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):
47
UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
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.
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.
48
UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
En consecuencia, la reacción de adición nucleófila a carbonilo transcurre
estereoquímicamente con RACEMIZACIÓN:
RACEMIZACIÓN
Nu
C
R'
:Nu
OH
R
R'
C
O
R
:Nu
R'
R
C
OH
Nu
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
CH3
O
H
R
H
R
CN
H
R
CH3
OH
+
H
R
OH
H
CN
S
49
UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
ADICIÓN DE BISULFITO SÓDICO A CARBONILO:
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):
O
+
R
OH O
O H
H
R
O S
ONa
INSOLUBLE EN AGUA
S ONa
H O
SOLUBLE EN AGUA
Por razones de impedimento estérico causado por el volumen de
los sustituyentes, sólo dan esta adición los aldehídos y algunas
metilcetonas.
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UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
ADICIÓN NUCLEÓFILA DE AMONIACO Y SUS DERIVADOS A COMPUESTOS
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 y cursa con la eliminación de una molécula
de agua.
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UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
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 G-NH2:
O
+
OH
H+
+
OH
G-NH2
OH
OH
-H+
NH -G
+ 2
NH-G
carbono activado
H+
H2O
N-G
-H+
+
NH-G
+
OH2+
NH-G
NH-G
En la primera línea se completa el proceso de ADICIÓN 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 ELIMINACIÓN (de orden 1) de agua que
termina en el producto final de CONDENSACIÓN.
CONDENSACIÓN 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.
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UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
En la tabla se incluyen algunos derivados de amoniaco interesantes,
de fórmula general G-NH2. Se da el nombre del reactivo así como el
del producto de la condensación y su estructura general:
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-dinitrofenilhidrazina
(NO2)2-C6H3-NH⎯
2,4-dinitrofenilhidrazona
Semicarbazida
H2N-CO-HN ⎯
semicarbazona
Estructura del
producto:
R
G
N
R'
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UN
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FASE DE
ADICIÓN
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.
FASE DE
ELIMINACIÓN
• 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.
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UN
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INCIDENCIA DEL pH EN LA REACCIÓN DE CONDENSACIÓN:
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:
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 pH
RESULTA ADECUADO
AL EFECTO
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UN
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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 enamina:
enamina
H2O
O
H
N
H
OH
H
N
N
H
producto de adición
enamina
La enamina es un grupo funcional que posee una amina
terciaria sustituida directamente sobre un doble enlace C=C.
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UN
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R
OH
N
CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA DEL GRUPO OXIMA
N(π)
R'
C
2p
2s
1s
HI
B
RI
C
A
D
N
IÓ
R
2p
R´ N(σ)
sp2
C(π)
N
2p
2s
1s
B
HI
R
A
ID
C
N
IÓ
2p
C(σ)
OH
sp2
En el doble enlace imina (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, en
conjunto, 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.
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UN
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ISOMERÍA GEOMÉTRICA DEL GRUPO IMINA:
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 CIS-TRANS (Z-E):
E)
OH
R
R
N
N
R'
R'
OH
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.
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UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
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:
H
N
R
N
R'
Compuesto
carbonílico
desconocido
problema
R
H
N CO NH2
R
O
N
R'
R'
H
N
R
Derivados sólidos
insolubles. La coincidencia
de sus puntos de fusión con
los tabulados permite
identificar al compuesto
carbonílico original.
NO2
N
R'
O2N
La capacidad y sencillez de las actuales técnicas instrumentales analíticas
espectroscópicas desbancan a estos procedimientos químicos tradicionales.
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UN
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GRUPO –NH2 ACTIVO COMO NUCLEÓFILO:
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.
nucleófilo
S
O
H2N
N
H
NH2
H2N
N
H
NH2
nucleófilo
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UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
ADICIÓN DE REACTIVOS ORGANOMETÁLICOS A CARBONILOS:
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:
ELECTRONEGATIVIDADES
R Mg X
- +
R
-
Li
+
C = 2,55
Mg = 1,31
Li = 0,89
Dan la reacción los derivados de magnesio y litio. Como pueden tener
estructuras muy variadas la reacción es muy general. Ejemplos:
Ejemplos
Li
Li
Mg-I
Mg-Br
Mg-I
Li
Li
Mg-Cl
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UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
MECANISMO DE REACCIÓN DE ADICIÓN DE ORGANOMETÁLICOS:
La reacción es una adición nucleófila en la que el organometálico
transfiere el fragmento orgánico como carbanión (nucleófilo) que
ataca al carbono carbonílico positivo generando un alcóxido que se
protona hasta alcohol en una hidrólisis ácida posterior:
R
O
R'
+
R
R''
Mg-Br
R'
+
O
Mg Br
H2O/H+
R''
R
R'
OH
R''
El resultado final se concreta en la adición de los componentes de un
hidrocarburo (R’’-H) al carbonilo.
El primer paso se realiza en medio éter o THF secos.
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.
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UN
QUÍMICA ORGÁNICA. Juan A. Palop
EJEMPLOS DE ADICIÓN DE ORGANOMETÁLICOS A CARBONILO:
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UN
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REACCIÓN DE DISMUTACIÓN DE CANNIZZARO:
La reacción de Cannizzaro es un proceso
químico de dismutación (auto oxidaciónreducción) 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
H3C
CHO
CH3
H
O
H3C
CH3
H
H3C
H3C O
O
CHO
CH3
ALDEHÍDOS SIN HIDRÓGENOS EN
H
H3C O
α
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UN
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Mecanismo:
2
1
dianión
4
3
H+
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
OMe
H
H
OH
5. Protonación por neutralización con ácido.
UN
+
5
OMe
O
OH
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Ejemplo de aplicación de Cannizzaro: un aldehído, de estado de oxidación
intermedio, se oxida en parte a ácido y se reduce en parte a alcohol,
O
H
H
O
H
OH
NaOH
(30%)
CH2
OH
+
CH2
CH2
Cannizzaro cruzada:
cruzada aprovechando la gran tendencia del formaldehído a
la oxidación, puede utilizarse la reacción para reducir otros aldehídos:
O
O
O
OH
H
+
H
O
H
NaOH (25%)
O
O
H
H
O
+ H
OH
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F
I
N
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