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COMPUESTOS CARBONÍLICOS. ALDEHIDOS Y CETONAS

El grupo carbonilo C=O forma parte de numerosas funciones orgánicas:

AmidasHaluros de

ácidoAnhídridos

ÉsteresÁcidos

carboxílicosCetonasAldehídos

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Productos naturales con grupos carbonilo de aldehídos ó cetonas

NOMENCLATURA

2-Butinal

Ácido trans-2-formilciclo-

pentano-carboxílico

4-Oxo-2-hexenal

5-Hidroxi-6-hepten-3-ona

3-Nitro-benzaldehído

cis-4-Hidroxi-ciclohexano-

carbaldehído3-Cloro-4-

metilpentanal

AcetofenonaFenilmetilcetona1-Feniletanona

BenzofenonaDifenilcetona

EtilmetilcetonaButanona

AcetonaDimetilcetona

Propanona

Benzaldehídobenceno-

carbaldehídoAcetaldehído

EtanalFormaldehído

Metanal

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PROPIEDADES

La estructura electrónica del doble enlace C=O consta de un enlace y otro .

El enlace se forma a partir de dos orbitales atómicos híbridos sp2, uno del carbono y otro

del oxígeno, y el orbital mediante el solapamiento lateral de los orbitales pparalelos que no sufren hibridación.

La mayor electronegatividad del oxígeno provoca una polarización del enlace C=O que marca su reactividad.

La forma resonante con separación de cargas explica la deficiencia

electrónica que el carbono tiene en un enlace C=O.

Los ángulos y distancias de enlace medidos experimentalmente son compatibles con una hibridación sp2 de los átomos que forman el

enlace C=O.

C O

H

H

5 g/100155.6 ºC98

insoluble103.0 ºC96

7 g/10076.0 ºC72CH3CH2CH2CH=O

0.03 g/10030.0 ºC70CH3CH2CH2CH=CH2

infinita56.5 ºC58(CH3)2C=O

0.04 g/100-7.0 ºC56(CH3)2C=CH2

Solubilidaden agua

P. Eb.Mol. Wt.Compuesto

La presencia de pares de electrones no enlazados en el oxígeno, permite que los grupos carbonilos sean aceptores de hidrogeno.

El hecho de formar puentes de hidrogeno con el agua les confiere mayor solubilidad en agua que la de los alquenos

+78alcoholCH3CH2OH

+21aldehídoCH3CHO

-42alcanoCH3CH2CH3

P. Eb. (°C)TipoMolécula

H O

HO

C

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Formaldehido (metanal)

Gas a temperatura ambiente

El formol es una solución acuosa al 40%

PREPARACIÓN DE ALDEHIDOS Y CETONAS

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Hidrólisis de Gem-dihaluros

Las posiciones bencílica y alílica son especialmente reactivas y pueden halogenarse con un reactivo de halogenación por radicales libres.

Con un exceso de reactivo de halogenaciónpueden introducirse dos halógenos.

El dihaloderivado resultante se transforma en una cetona por tratamiento con hidróxido sódico.

En primer lugar se produce la sustitución de un bromo por OH, probablemente por un mecanismo SN1 cuyo carbocatiónintermedio es más favorable por ser bencílico y estar unido a un bromo. En segundo lugar, la base abstrae un equivalente de ácido bromhídrico,

La ozonolisis resulta útil para convertir cicloalquenos en compuestos dicarbonílicos que, a su vez, pueden dar lugar a reacciones importantes.

Los alquenos no cíclicos dan lugar a una mezcla de productos. El análisis de la estructura y cantidad de los fragmentos obtenidos puede permitir averiguar la estructura del alqueno de partida. Esto es algo que se hacía antiguamente para determinar la estructura de productos naturales. Actualmente las técnicas espectroscópicas evitan tener que llevar a cabo este tedioso procedimiento.

SINTESIS DE ALDEHIDOS Y CETONAS-OZONOLISIS DE ALQUENOS

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CETONAS

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El ataque del alquino al protón produce el carbocatión

alquenilo mas estable, que es el más sustituído. El nucleófilo

más abundante, que es el agua (solvente), colapsa con el catión y se produce así un alcohol vinílico. Este enol es inestable y se encuentra en equilibrio con la cetona, que

es el producto de esta reacción.

SINTESIS DE CETONAS- Hidratación de alquinos

SINTESIS DE CETONAS AROMATICAS-Acilación de Friedel y Crafts

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La hidroquinona es utilizada como agente reductor en el revelado de imágenes fotográficas, para reducir los iones plata de la emulsión a plata metálica y dar lugar a las partes oscuras de un negativo

QUINONAS

Adición al doble enlace C=O

Sustitución del hidrógeno del carbono α

Reducción – Oxidación del enlace C=O

REACTIVIDAD

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Reacciones de adición-Mecanismo General

La Reacción se inicia por el ataque de una especie rica en electrones al carbono del grupo carbonilo, que es deficiente en electrones.

C

O

R R'

R y R' = H ó alquilo

Nucleófilo fuerte(carga neta negativa)

Nu-

C

O-

R R'

NuIntermediario tetrahedrico

(Carbono con hibridación SP3

H+

C

OH

R R'

Nu

Puede ó no seguir reaccionando

Si el nucleófilo es fuerte la densidad de carga positiva que hay en el átomo de carbono es sufieciente para iniciar el ataque

Si el nucleófilo es débil es necesario activar el carbonilo (aumentar su densidad de carga positiva) para que pueda ser atacado por el nucleófilo

Reacciones de adición-Mecanismo General

C

O

R R'

H+

C

OH+

R R'

C+

OH

R R'

H2O

Nucleófilo débil (agua, alcoholes, aminas)

C

OH

R R'

OH2+

Intermediario tetrahedrico

C

OH

R R'

OH

Puede ó no seguir reaccionando

Hidrato

Estereoquímica: Si el carbono SP3 que se forma es asimétrico, se obtiene una mezcla racémica de los productos.

Esto se debe a que, por ser el carbonilo planar, el nucleófilo puede atacarlo de ambos lados del plano con la misma probabilidad

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REACCIONES DE ADICIÓN DE ALDEHIDOS Y CETONAS

AlcoholesHidruros

Aldoles (-hidroxicetonas) ócompuestos , insaturados

Enolatos

Alcoholesorganomagnésicos

CianhidrinasCianuro

OximasHidroxilamina

EnaminasAmina 2ª

Imina N-sustituídaAmina 1ª

Imina no sustituídaAmoníaco

Hemiacetal/AcetalAlcohol

HidratoAgua

Producto(s)Reactivo nucleófilo

ADICIÓN DE AGUA

En general estos equilibrios están desplazados hacia el aldehído o cetona de partida

Adición de agua en medio básico

El hidróxido, fuertemente nucleófilo, es capaz de atacar directamente al carbono carbonílico.

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ADICIÓN DE AGUA

Adición de agua en médio ácido

El medio ácido provoca la protonación de algunas moléculas de aldehído o cetona. En estas moléculas protonadas el carbono carbonílico tiene mayor densidad de carga positiva pueden ser atacadas por una molécula neutra de agua ( nucleófilo débil) . Estos equilibrios también están en general desplazados hacia la izquierda.

La reacción es análoga a la formación de hidratos, sólo que el atacante es el oxígeno de una molécula de alcohol. Los hemiacetales ("mitad de un acetal") son relativamente inestables y los equilibrios suelen estar desplazados hacia la izquierda. Una excepción muy importante es la formación intramolecular de hemiacetales a partir de azúcares.

Adición de una molécula de alcohol: formación de hemiacetales

ADICIÓN DE ALCOHOLES

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Si hay suficiente cantidad de alcohol, la reacción prosigue hasta formarse un acetal que ya es estable y puede aislarse sin ningún problema. De todas formas, el proceso sigue siendo un equilibrio que es necesario desplazar hacia el acetal retirando el agua a medida que se forma. Los acetales son estables en medio neutro ó básico. Se utilizan como grupos protectores.

•Adición de dos moléculas de alcohol: formación de acetales

ADICIÓN DE ALCOHOLES

ADICION DE AMONIACO Y AMINAS PRIMARIAS

El amoníaco y las aminas primarias reaccionan con los aldehídos y las cetonas en presencia de un catalizador ácido para dar un producto que presenta una doble unión carbono-nitrógeno. A estoscompuestos se los denomina Iminas:

+ H2O

O

CCH3 H

H+

H2N

N

CCH3 H

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Paso 1 – Protonación del grupo carbonilo:

ADICION DE AMONIACO Y AMINAS PRIMARIASMECANISMO DE FORMACION DE IMINAS

O

CCH3 H

H OH

CCH3 H

Paso 2 – Adición nucleofílica del grupo amino:

H2NOH

CCH3 H

OH

C NH2

H

CH3

OH

C NH2

H

CH3

HOH

C N

H

CH3

H

Paso 3 – Desprotonación del grupo amino- Protonación del grupohidroxilo

ADICION DE AMONIACO Y AMINAS PRIMARIASMECANISMO DE FORMACION DE IMINAS

Paso 4 – Eliminación de una molécula de agua

N

CCH3 H

(-H2O)HOH

C N

H

CH3

H

(-H )

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La reacción se suele combinar con una reducción "in situ", con lo que se obtiene una nueva amina y el proceso se denomina aminación reductiva de aldehídos y cetonas. Ejemplos

REDUCCION DE IMINAS-METODO DE SINTESIS DE AMINAS

Cianoborohidruro de sodio

•ADICION DE OTROS COMPUESTOS NITROGENADOS•HIDROXILAMINA, HIDRACINA, FENILHIDRACINA y SEMICARBACIDA

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EJEMPLOS:

oximaHidroxilamina

2,4-Dinitrofenilhidrazona(2,4-DNFH)

Fenilhidrazona

Hidrazona

•ADICION DE AMINAS SECUNDARIASFORMACION DE ENAMINAS

Ejemplo: enamina de la ciclohexanona

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ADICIÓN DE CIANURO

El cianuro, reacciona con aldehídos y cetonas para dar un nuevo compuesto: una cianhidrina:

La reacción es muy simple y útil ya que el grupo CN puede convertirse en otros grupos funcionales, como ácidos carboxílicos y amida.

ADICIÓN DE BISULFITO DE SODIO

El bisulfito de sodio, reacciona con aldehídos y cetonas para dar un derivado blanco cristalino. Puede usarse como método para purificar aldehídos y cetonas ó como ensayo de reconocimiento.

Reaccionan los aldehídos, las metilcetonas y las cetonas cíclicas no impedidas como la ciclohexanona.Si el derivado se trata con agua, medio ácido y calor, revierte al grupo carbonilo. De esta manera si en la muestra hay aldehidos o cetonas no impedidas mezcladas con, por ejemplo, alcoholes, al tratar la mezcla con bisulfito de sodio, sólo precipitan los compuestos carbonílicos, que se separan por filtración. Luego al filtrado se lo trata en condiciones de reversión de la reacción.

C

O

R R'

C

OH

R R'

OSO2Na

NaHSO3

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ADICIÓN DE REACTIVOS DE GRIGNARD

•Reacción con reactivos organometálicos de magnesio

Dependiendo de que usemos formaldehído, un aldehído o una cetona obtendremos un alcohol primario, secundario o terciario, respectivamente.

Si los alcoholes obtenidos son primarios ó secundarios, se pueden oxidar en condiciones paropiadas obteniendo como productos finales aldehídos ócetonas.

Es decir que la reacción de Grignard sirve también para obtener, a partir de una cetona ó aldehído, otra cetona ó aldehído de mayor número de carbonos

ADICIÓN DE HIDRÓGENO e HIDRURO (REDUCCIÓN)

ADICION DE HIDROGENO-Hidrogenación catalíticaLa reacción es muy similar a la estudiada en alquenos y alquinos. Por lo tanto, los alquenos y alquinos, también se reducirán si, además del aldehído o cetona, están presentes en la molécula.

REDUCCIÓN CARBONILO ALCOHOL

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ADICIÓN DE HIDRÓGENO e HIDRURO (REDUCCIÓN)

ADICION DE HIDRUROS

Hay compuestos como el borohidruro de sodio (NaBH4) ó el hidruro de litio y aluminio (AlLiH4) que transfieren hidruros al grupo carbonilo.La reacción es similar a todas las estudiadas hasta el momento, pero en este caso el nucleófilo es el hidruro y el producto, un alcohol. La reacción por lo tanto es una reacción de reducción

C

O

R R'

C

O-

R R'

H

H- (Hidruro)

H+

C

OH

R R'

H

ADICION DE HIDRURO. TRANSFORMACION: ALDEHIDO O CETONAALCOHOL

Los dos hidruros más importantes son el borohidruro de sodio y el hidruro de litio y aluminio. Éste último es más reactivoy, como puede verse, menos selectivo.

LiAlH4 (LAH)Hidruro de litio y aluminio

NaBH4

Borohidruro de sodioreactividad muy moderada •selectivo para aldehídos y cetonas (puede reducir C=C conjugados) •No reduce otros grupos funcionales como NO2, CN y COOR (Ni ningún derivado de ácido)•compatible con agua y alcoholes

Muy reactivo •No reduce alquenos y alquinos (excepto si están conjugados) •Sí reduce grupos funcionales como NO2, CN y COOR y todos los derivados de ácido•Incompatible con agua y alcoholes (reacciona con ellos muy violentamente)

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OTROS MÉTODOS DE REDUCCIÓN-REDUCCION CARBONILO-ALCANO

Reducción de Clemmensen

La reacción se lleva a cabo en medio ácido. Por tanto hay que tener cuidado si existen otros grupos sensibles a este medio. El mecanismo de esta reacción aún no

se conoce con exactitud

Reducción de Wolf-Kishner

La reacción se lleva a cabo en medio básico. Por tanto hay que tener cuidado si existen otros grupos sensibles a este medio.

El resultado de la reducción de Clemmensen y de Wolf-Kishner es el mismo. La elección depende de la sensibilidad de los demás grupos funcionales de la molécula al medio á á

OXIDACIÓN DE ALDEHIDOS Y CETONAS

Recordar que: en química orgánica se entiende por reducción la pérdida de oxígeno, ó la ganancia de hidrógeno.

Oxidación es la ganancia de oxígeno ó la pérdida de hidrógeno

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•Oxidación de aldehídos

La oxidación de aldehídos es muy fácil y puede lograrse con reactivos de oxidación muy suaves.

Reactivo de Tollens

• Los aldehídos se pueden oxidar con una solución de nitrato de plataamoniacal denominada reactivo de Tollens.

Precipita como un espejode plata (señal positiva del test)

La plata es un oxidante muy suave que resulta selectivo de aldehídos. No se oxidará ninguna otra función, si existe en la molécula. Por supuesto, oxidantes más fuertes como el KMnO4, K2Cr2O7 también oxidarán los aldehídos a ácidos carboxílicos.

O

CR H

O

CR O

+ Ag + Ag0NH4OH

Ensayo de Fehling (Reconocimiento de aldehídos alifáticos)

El ensayo de Fehling se emplea como oxidante el ión cúprico en medio básico, la precipitación de oxido cuproso (rojo) indica la presencia de un aldehído

Este ensayo es negativo para aldehídos aromáticos, que no se oxidan en estas condiciones.

Recordar que por aldehído aromático se entiende a los aldehídos que presentan el grupo formilo, directamente unido al anillo (por ejemplo: benzaldehído)

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•Oxidación de cetonas

CH2

O

Oxidación en condiciones muy fuertes

COOH

COOH

La oxidación de cetonas pasa obligatoriamente por la ruptura de un enlace C-C. Si es enérgica se producen dos ácidos carboxílicos. Reactivos enérgicos: KMnO4, K2Cr2O7 , HNO3

Si la cetona no es cíclica, la oxidación da lugar a una mezcla de dos moléculas, lo que desde el punto de vista preparativo puede ser un inconveniente. La oxidación de cetonas incluídas en un anillo está exenta de ese inconveniente.

Acido adípico

Adición al doble enlace C=O

Sustitución del hidrógeno del carbono α

Reducción – Oxidación del enlace C=O

REACTIVIDAD

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ACIDEZ DE LOS HIDROGENOS EN ALFA AL GRUPO CARBONILO-TAUTOMERIA CETO-ENOLICA

La acetona y el enol de la acetona son tautómeros y están en rápido equilibrio.

El equilibrio está generalmente muy desplazado hacia la forma ceto en ka mayoría de los casos

Tautomerización es la interconversión de isómeros que ocurrepor la migración de un protón y el cambio de posición de un doble enlace.

Los tautómeros NO son formas resonantes

En presencia de una base suficientemente fuerte, tanto la forma ceto como el enol pierden un protón. El resultado (ion enolato) es el mismo y sólo difiere en el lugar donde está situada la carga, siendo ambas estructuras formas resonantes y no especies en equilibrio. El ion enolato es un ionbidentado que puede reaccionar, dependiendo de las características del electrófilo, por dos puntos diferentes:

Las formas ceto y enol son estructuras diferentes que están en equilibrio (flechas azules; hay un átomo que cambia de sitio), mientras que ionenolato sólo hay uno, que se describe mediante dos formas resonantes (flecha verde).

La reacción más común de un ion enolato se produce en posición . Algunas reacciones se producen por el oxígeno y permiten capturar el enolato.

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CONDENSACION ALDOLICALa condensación aldólica es una reacción propia de aldehídos y cetonas con hidrógenos en alfa. Combina los conceptos de acidez de hidrógenos y adición al grupo carbonilo

Intermediario tetrahédrico

CONDENSACION ALDOLICA

La condensación aldólica da lugar a un aldol o -hidroxialdehído ó -hidroxicetona

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Ejemplo

Deshidratación del aldol

Si se calienta la mezcla de reacción se obtiene el producto de deshidratación del aldol, estabilizado por la conjugación del dobleenlace con el grupo carbonilo

Si la conjugación es extendida la deshidratación ocurreespontaneamente y el aldol no puede ser aislado

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Aplicaciones sintéticas

La reacción aldólica permite crear uniones carbono carbono

Como el equilibrio de la tautomería ceto-enólica estádesplazado hacia la forma ceto, para que los rendimientode las condensaciones aldólicas sean buenos esnecesario ir sacando el producto del medio de la reaccióna medida que se va formando.

Al eliminarse el aldol es equilibrio se desplaza hacia los productos, aumentando sensiblemente el rendimiento final.

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CONDENSACIÓN ALDÓLICA CRUZADA

Se denomina condensación aldólica cruzada a la que proviene de la reacción de dos cetonas ó aldehídos diferentes. No tiene utilidadsintética dado que da mezclas de productos.

CASOS EN LOS QUE SE PUEDE USAR LA REACCION ALDOLICA CRUZADA

Tiene utilidad sintética por obtenerse un único y predecible producto únicamente cuando uno de los compuestos cabonílicos involucrados no tiene hidrógenos en posición

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SUSTITUCION DE HIDROGENOS AL GRUPO CARBONILO

HALOGENACION EN POSICION DE LAS CETONAS

Cuando una cetona se trata con un halógeno en presencia de unabase, ocurre una reacción de halogenación

Se dice que la reacción está promovida por la base y no que estácatalizada por base porque se consume un equivalente de base por equivalente de cetona

SUSTITUCION DE HIDROGENOS AL GRUPO CARBONILO

HALOGENACION EN POSICION DE LAS CETONAS-MECANISMO

O

H

ClCl2

OH , H2O_

O

Cl

Cl

O

Cl

ClCl

O

Cl

ClClCl

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REACCION DEL HALOFORMO

Una metil cetona reacciona con un halógeno en medio básico paradar un anón carboxilato y una molécula de haloformo

MECANISMO DE LA REACCIÓN DEL HALOFORMO

Cuando se usa Cl2 se forma cloroformo; el Br2 forma bromoformo ; el I2forma iodoformo

El cloroformo y el bromoformo son liquidos, el iodoformo es un sólidoamarillo

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REACCION DE RECONOCIMIENTO DE METILCETONAS Y METILALCOHOLES

El iodoformo (CHI3) es un sólido amarillo que precipita en el mediode reacción

Esta reacción también la dan positiva los metilalcoholes porque los halógenos en medio básico son oxidantes débiles. Por ser oxidantes, los metilalcoholes se transforman en metilcetonas y luego reaccionan dando el iodoformo.

HALOGENACION EN α CATALIZADA POR ACIDOS

En general la catálisis ácida conduce a la formación del derivado monohalogenado

El ácido acético cumple la función de solvente y catalizador.

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HALOGENACION EN α CATALIZADA POR ACIDOS-MECANISMO

ESTEREOQUIMICA DE LAS REACCIONES DE ADICION AL CARBONILO

Dado que el carbonilo es plano, en todas las reacciones de adición nucleofílica al carbonilo, el nucleófilo puede atacar con igual probabilidad por arriba ó por debajo del plano. Como consecuencia de esta situación se obtienen mezclas racémicas de los productos de adición

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Transposición de Beckman-Oximas

Caprolactama