Clase19 - Química Orgánica

El Grupo Funcional Hidroxi: Alcoholes
Propiedades,
p
, Preparación,
p
, y Estrategia
g De
Síntesis (I)
Estructura y Propiedades Fìsicas de los Alcoholes
DH°O–H = 104 kcal mol–1 (435 kJ mol–1); DH
DH
DH°C–H = 98 kcal mol–1 (410 kJ mol–1).
)
Los enlaces por puente de hidrógeno elevan los puntos de ebulliciòn y la solubilidad
en agua de los alcoholes
DH° ～ 5–6 kcal.mol–1
Hidrofilia e hidrofobia
No es sorprendente que los alchoIes sean solventes populares en las reacciones SN2
EN SUMA :
El átomo de oxígeno de los alcoholes (y èteres) es tetrahédrico e hibridizado
sp3. El enlace covalente O–H es mas corto y mas fuerte que el enlace C–H.
Debido a la electronegatividad del oxígeno,
oxígeno los alcoholes exhíben apreciable
polaridad molecular, lo que también ocurre en el agua y en los éteres. El
hidrógeno del grupo hidroxilo forma enlaces por puente de hidrógenos con
otras moléculas
lé l de
d alcohol
l h l o de
d agua. Esas propiedades
i d d dan
d lugar
l
a un
incremeto sustancial en los puntos de ebullición y en la solubilidad de los
alcoholes en solventes polares con respecto a las mostradas por alcanos y
haloalcanos
Los alcoholes como ácidos y bases
Muchas aplicaciones de los alcoholes dependen de su habilidad para actuar como
à id o como bases
àcidos
b
(K ≈ 1035 – 15.5 = 1019.5)
Fuentes industriales de alcoholes: Monóxido de carbono y eteno
Síntesis de Alcoholes por Sustitución Nucleofílica
Una forma de soslayar el problema de eliminaciones E2 competitivas en la
reacción SN2 de nucleófilos oxigenados, con sustratos secundarios o impedidos
estéricamente, es el uso de nucleófilos debilmente básicos como el anión
acetato seguida de hidrólisis del éster formado con hidróxido acuoso
acetato,
Síntesis of Alcoholes: Relación Oxidación–Reducción Entre Alcoholes y
Compuestos carbonílicos
(¡ Repasa los conceptos de oxidación y Reducción en Química Orgánica vistos en
la Clase 11 !)
En esta sección describiremos una importante síntesis de alcoholes: la reducción de
aldehídos y cetonas. Mas adelante veremos que los aldehidos y las cetonas pueden
convertirse también en alcoholes, con la formación adicional de un nuevo enlace
carbono-carbono, por adición de reactivos organometálicos. Debido a la gran
versatilidad de aldehidos y cetonas en síntesis, ilustraremos también su preparación por
oxidación
id ió de
d alcoholes.
l h l
Los alcoholes pueden formarse por reducción del grupo carbonilo con hidruros
Conceptualmente, el modo mas fácil de reducir un grupo carbonilo sería añadir
hidrógeno H–H,
hidrógeno,
H H directamente al doble enlace carbono-oxígeno
carbono oxígeno del grupo carbonilo:
Aunque esto puede hacerse (reducción catalítica), el proceso requiere altas presiones
y el uso de catalizadores especiales. Un modo mas conveniente es un proceso polar,
en el que un ión,
ión H:–, y un proton,
proton H+, son añadidos al doble enlace carbono-oxígeno,
carbono-oxígeno
ya sea simultaneamente o secuencialmente.
Hidruros : Na+ –BH4 (borohidruro sódico) y Li+ –AlH4 ( aluminohidruro de litio )
¿ Porqué no usar los los reactivos mas simples LiH ó NaH para tales reducciones?
La razón es la reducida basicidad del hidruro en la forma de BH4– y AlH4– y también la
solubilidad mas alta de los reactivos de boro y aluminio en solventes orgánicos. Así, p.
ej. El ión hidruro libre es una base muy fuerte, que se protona instantaneamente en
presencia de solventes próticos, pero cuando está unido al boro en BH4–, modera
considerablemente su reactividad, permitiendo, así, que NaBH4 pueda usarse en
solventes tales como el etanol y el agua. En estos medios, el reactivo dona hidruro al
carbono carbonílico con protonación simultánea del oxígeno carbonílico por el
solvente. El etóxido generado a partir del etanol se combina con el BH3 resultante
(deficiente en electrones), dando etoxiborohidruro:
El etoxiborohidruro,, a su vez,, p
puede atacar a tres sustratos carbonilo mas,, hasta q
que
todos, los tres, iones hidruro del reactivo original hayan sido donados. En
consecuencia, un equivalente de borohidruro es capaz de reducir cuatro equivalentes
de aldehído ó cetona a alcohol. Al final del proceso, el reactivo de boro se habrá
convertido en tetraetoxiborato: –B(OCH2CH3)4 .
Li+ –AlH4 ( aluminohidruro de litio )
El aluminohidruro de litio es mucho mas reactivo que el borohidruro sódico ( y,
y por tanto,
tanto
menos selectivo). Debido a que Al es menos electronegativo (mas electropositivo) que
B, los hidrógenos en –AlH4 están enlazados menos fuertemente al metal y mas
polarizados negativamente. Son, así, mucho mas básicos (y mas nucleófilos) y son
atacados vigorosamente por el agua y por alcoholes para dar hidrógeno gas. Por ello,
las reducciones utilizando aluminohidruro de litio se llevan a cabo en solventes
apróticos,
p
, tales como etoxietano ( dietil éter)) , bien seco.
La adición de aluminohidruro de litio a un aldehído ó cetona da lugar, inicialmente, a un
alcoxialuminohidruro, que continúa cediendo hidruros a tres grupos carbonilo mas,
reduciendo, de este modo, a un total de cuatro equivalentes de aldehído ó cetona. La
extracción con agua consume el exceso de reactivo, hidroliza el tetraalcoxialuminato a
hid ó id de
hidróxido
d aluminio,
l i i Al(OH)3 y libera
lib
ell alcohol
l h l producto.
d t
Oxidación de alcoholes a aldehídos y cetonas
En un proceso inverso al visto arriba, los alcoholes pueden oxidarse para producir
aldehídos ó cetonas.
cetonas Un útil reactivo para este propósito es un metal de transición en
un alto estado de oxidación: cromo (VI). En este estado, el cromo tiene una coloración
amarillo-naranja. Por exposición as un alcohol, la especie Cr(VI) se reduce a la
especie Cr (III) , de coloración verde profundo (lo que puede usarse como diagnóstico
de la reacción). El reactivo se suministra, usualmente, en forma de una sal dicromato
(K2Cr2O7 or Na2Cr2O7) ó como CrO3. La oxidación de alcoholes secundarios a
cetonas se lleva a cabo,, usualmente,, en ácido sulfúrico diluido,, en el q
que todos los
reactivos de Cr(VI) generan cantidades variables de ácido crómico H2CrO4 ,
dependiendo del pH.
En agua, los alcoholes primarios tienden a sobreoxidarse a ácidos carboxílicos:
Sin embargo, en ausencia de agua, los aldehídos no son susceptibles a sobreoxidación.
Por ello, se ha desarrollado una forma de Cr(VI) libre de agua, que se prepara por
reacción de CrO3 con HCl y adición a continuación de la base orgánica piridina. El
resultado es el agente oxidante clorocromato de piridinio ( pyH+CrO3Cl– ó PCC ),
que da excelentes rendimientos de aldehídos cuando reacciona con alcoholes
primarios, usándose como solvente diclorometano.
Mecanismo de la oxidación de alcoholes con Cr(VI)
En la oxidación de alcoholes con Cr(VI), se forma un éster crómico como intermedio:
El próximo paso es equivalente a una reacción E2. Aquí, el agua (ó la piridina en el caso
), actúa como una base suave,, abstrayendo
y
un p
protón del carbono q
que p
porta el
de PCC),
oxígeno del alcohol; HCrO3– actúa como grupo saliente. La donación de un par de
electrones al cromo cambia su estado de oxidación por dos unidades, dando Cr(IV)
Oxidaciones y Reducciones Biológicas
En los sistemas biológicos,
biológicos los alcoholes son metabolizados por oxidación a
compuestos carbonílicos. P. ej. El etanol es convertido en acetaldehído por el agente
oxidante catiónico: dinucleótido adenina nicotinamida (abreviado as NAD+
) El proceso es catalizado
).
t li d por el enzima alcohol dehidrogenasa ( este
t enzima
i
también cataliza el proceso inverso, la reducción de aldehídos y cetonas a alcoholes.
Cuando los dos enantiómeros del 1-deuterioetanol se someten al enzima, se
encuentra que la oxidación bioquímica es estereoespecífica; el NAD+ abstrae
solamente el hidrógeno marcado por la flecha, en la primera reacción arriba, desde el
C1 del alcohol.
Otros alcoholes son bioquimicamente oxidados de manera análoga.
análoga La toxicidad
relativamente alta del metanol es debida, en gran medida, a su oxidación a
formaldehido, que interfiere especificamente con un sistema responsable para la
transferencia de fragmentos de un solo carbono entre sitios nucleofílicos de
biomoléculas
La capacidad de los alcoholes para sufrir oxidaciones enzimáticas, los convierte
en correas de transmisión del metabolismo. Una de las funciones mas importantes
de la degradación metabólica de los alimentos que ingerimos es la “combustión”
controlada para liberar el calor y la energía química requerida para las funciones
d nuestro
de
t
organismo.
i
Ot
Otra
f
función
ió es la
l introducción
i t d
ió selectiva
l ti
d grupos
de
funcionales, especialmente grupos hidroxi, en partes no funcionalizadas de las
moléculas- en otras palabras, en sustituyentes alquilo. Las proteinas
citocromo
it
, son biomoléculas cruciales que ayudan a realizar esta tarea. Esas
moléculas están presentes en practicamente todas las células vivas y emergieron
hace aproximadamente 1.5 billones de años, antes del desarrollo de plantas y
animales
i l como especies
i separadas.
d
Citocromo P-450, usa O2 para lograr la hidroxilación directa de moléculas
orgánicas. En el hígado, este proceso sirve para detoxificar sustancias que son
extrañas al organismo (xenobióticos), muchas de las cuales son medicamentos
que ingerimos. Con frecuencia, el efecto primario de la hidroxilación es conferir
a dichas moléculas , una mayor solubilidad en agua, acelerando, así, la excreción
de un medicamento para prevenir su acumulación a niveles tóxicos.
La hidroxilación selectiva es un proceso importante en la síntesis de esteroides. P.
ej. La progesterona es convertida por triple hidroxilación en C17, C21 y C11 en
cortisol. La p
proteina no solamente elige
g p
posiciones específicas
p
como objetivo
j
para la
p
introducción de grupos funcionales, también controla la secuencia en que tales
reacciones tienen lugar
El sitio activo es un átomo de hierro estrechamente sujeto por un grupo hemo
fuertemente enlazado y embebido en la estructura p
polipeptídica.
p p
El centro Fe se
enlaza a O2 para generar una especie Fe-O2, que es entonces reducida a agua y
FePO. Este óxido reacciona como un radical con la unidad R-H como se muestra,
produciendo un intermedio Fe-OH en presencia de R· .El radical abstrae entonces
OH para producir el alcohol.