reacciones de adición...
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Química Orgánica II
Facultad de CC.QQ. Y Farmacia
Segundo Semestre 2016
Sección D
Unidad 1
Aldehídos y Cetonas:
Reacciones de Adición Nucleofílica
Grupo carbonilo
• Dos grandes grupos de compuestos contienen el
grupo carbonilo:
• Aldehidos y cetonas:
• Ácidos carboxílicos y sus derivados:
1. Aldehídos y Cetonas. Generalidades
Aldehídos (RCHO) y Cetonas (R2CO) están entre los compuestos
orgánicos más ampliamente distribuídos en la naturaleza.
• Requeridos por organismos vivos
• Fosfato de Piridoxal (PLP) es una coenzima común
• Hidrocortisona es una hormona esteroidal secretada por las
glándulas adrenales
Aldehidos y cetonas
• Disolventes y materias primas en industria química
• 1.9 millones TM de formaldehido, H2C=O, se
producen cada año para materiales de
aislamiento y resinas
• 1.5 millones TM de acetona, (CH3)2C=O, se
producen cada año para su uso como dislovente
industrial
• Aromas familiares también provienen de
compuestos carbonilo, como el de vainilla
(vainillina), canela (cinamaldehido),
mantequilla (diacetilo)
Aldehidos y cetonas
• Un compuesto de gran valor en perfumería es el
almizcle, que se emplea en cantidades muy pequeñas
pero importantes. El de origen natural se extrae de
animales, como el ciervo almizclero siberiano Moschus
moschiferus (Moschidae).
• CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=657641
Actualmente se prefiere usar
almizcles sintéticos, los mas
comunes son macrocíclicos,
entre los que se encuentran
cetonas macrólidas como la
muscona.
Quinonas: cetonas cíclicas
“especiales”
• Las quinonas son dicetonas diinsaturadas cíclicas.
• La reversibilidad en la reacción de oxidación-
reducción de quinonas es esencial en la función
desempeñada por las quinonas en la respiración
celular (cadena de transporte de electrones).
• La plastoquinona está involucrada en el transporte
de electrones en la fase lumínica de la fotosíntesis.
• La vitamina K1 y K2 (obtenida en el cuerpo humano
metabolizando la vitamina K1) son quinonas
relacionadas con procesos de coagulación
sanguínea y metabolismo del calcio.
Menaquinona (Vitamina K2)
Plastoquinona
Quinonas
Ubiquinona o coenzima Q
Quinonas
• Varias quinonas son utilizadas por sus
propiedades como tintes o colorantes, por
ejemplo, la alizarina, presente en la raíz de la
planta Rubia tinctorum (Rubiaceae)
Quinonas
• Algunas quinonas con actividad farmacológica
son producidas por microorganismos, como el
Streptomyces peucetius, fuente original de los
antineoplásicos daunorubicina (a) y
doxorubicina (adriamicina) (b).
a b
Quinonas
• Algunos animales, como
los milípedos, pueden
secretar quinonas,
concretamente 1,4-
benzoquinona, como
mecanismo de defensa.
Los del orden Spirobolida
y Spirosteptida pueden
secretarla en cantidades
copiosas a la mínima
provocación.
Narceus gordanus
Aldehídos y Cetonas: estructura del
grupo funcional
aldehído cetona Enlace π
Aldehidos y cetonas: estructura del
grupo funcional
A diferencia del grupo C=C, que también tiene
geometría trigonal plana, la presencia del oxígeno
hace que el enlace esté fuertemente polarizado y de
hecho, podemos escribir dos estructuras de
resonancia válidas para el grupo carbonilo.
Aldehídos y Cetonas: estructura del
grupo funcional
• El grupo carbonilo tiene un fuerte momento
dipolar
• El carbono, deficiente en e-, reaccionará con
nucleófilos y el oxígeno, con mayor densidad
electrónica y dos pares de e- libres,
reaccionará con electrófilos.
Nu:-
E+
C
O
d+
d-
: :
Aldehídos y Cetonas: estructura del
grupo funcional
• El enlace C=O es más corto y más fuerte que
el enlace C=C en alquenos
=>=>
Clasificación de aldehídos y
cetonas:
• Se pueden clasificar según varios criterios, siendo la
primera división entre aldehidos y cetonas.
• Dependiendo de las cadenas o ciclos unidos al grupo
carbonilo, pueden ser saturados, insaturados o
aromáticos.
• Si hay una insaturación alifática conjugada con el
grupo carbonilo, son compuestos carbonilo α,β-
insaturados
• En el caso de las cetonas, pueden ser simétricas,
asimétricas, arílicas o alquilarílicas.
• Las quinonas son dicetonas cíclicas α,β-insaturadas.
Ejemplos
1 2 3
4 5 6
Aldehidos: 1,2 y 3 Aromáticos: 3 y 5 Cetonas simétricas: 4 y 6
Cetonas: 4,5,6 Cetona cíclica: 6 Metil cetona: 5
Fenona: 5 Aldehido α,β-insaturado: 2
2. Nomenclatura de Aldehídos y Cetonas
(IUPAC) [Consultar el documento del Departamento para mas detalles]
Aldehidos: se nombran reemplazando la terminación –o
del nombre del alcano correspondiente por –al
• La cadena principal debe contener el grupo –CHO
• Este grupo tiene más prioridad que cetonas,alcoholes,
fenoles, alquenos, alquinos, halógenos y nitro
• El carbono del grupo – CHO se numera como C1
Etanal Propanal 2-etil-4-metil-pentanal
Acetaldehido propionaldehido
Nomenclatura de Aldehídos
• En el caso de que haya dos funciones
aldehído en la molécula y éstas sean la
función principal, se indican en el nombre con
la terminación –dial, por ejemplo:
• Pentanodial
• La posición de los grupos aldehído no se
indica porque solamente pueden estar al
inicio y al final de la cadena, dada su
estructura.
H H
OO
Nomenclatura de Aldehídos
• Para nombrar aldehídos cíclicos se usa el sufijo
Carbaldehido
Ciclohexanocarbaldehido Naftaleno-2-carbaldehido
Nomenclatura de Aldehídos
• El sufijo carbaldehído también se emplea
cuando hay más de dos grupos –CHO en la
misma molécula y no hay ninguna otra
función de mayor prioridad.
• Tome en cuenta que en ese caso, el carbono
del grupo aldehído NO se toma en cuenta
para contar los carbonos de la cadena
principal.
C HOO HC
C HO
1,3,5-pentanotricarbaldehído
Nomenclatura de Aldehidos
• Cuando el aldehido (o la cetona) no es la función
principal y se encuentra formando parte de la cadena
principal, se puede usar la palabra oxo para indicar el
grupo C=O, con su número locante correspondiente.
• Igualmente se usa oxo para indicar la cetona cuando
en una cadena hay un grupo cetona y un aldehído,
siendo el aldehido prioritario:
Ácido 6-oxohexanoico Ácido 3,7-dioxoheptanoico
5-oxohexanal
Nomenclatura de Aldehídos
• Cuando el –CHO no es la función principal, y no
puede incluirse dentro de la cadena o anillo principal,
se le da el nombre de grupo metanoil, formilo o
formil.
C HO
CO O HOH
C HO
C O O H
Ácido 4-formil-6-hidroxihexanoico
Ácido 2-formilbenzoico
Ácido 2-formilbencenocarboxílico
Ácido 6-hidroxi-4-metanoilhexanoico
Ácido 2-metanoilbencencocarboxílico
Nomenclatura de Aldehídos (clase
funcional)
• La nomenclatura de
clase funcional utiliza
como raíz los nombres
de los ácidos
carboxílicos y como
sufijo –aldehído:
• CH3COOH ácido acético
• CH3CHO
acetaldehido
(etanal)
Ácido
propiónico
C3
Propionaldehido
Ácido butírico
C4
butiraldehído
Ácido valérico
C5
valeraldehído
Ácido
benzoico
benzaldehído
C HO
C HO
CHO
CHO
Nomenclatura de Aldehídos (clase
funcional)
• En este sistema, la posición de los
sustituyentes se indica con letras griegas:
α,β,γ,δ,ε, etc. contando a partir del carbono
vecino al grupo aldehido:
• CH3CH2CH(CH3)CH2CHO β-metilvaleraldehido
• (2-metilpentanal)
• Cuando se usan nombres comunes no es correcto
identificar las posiciones de los sustituyentes con
números, pues se estarían mezclando dos sistemas
de nomenclatura diferentes.
Nomenclatura de Aldehídos (común)
C H2O H
H O H
C HOD-(+)-gliceraldehído (2R)-2,3-dihidroxipropanal
Nomenclatura de Cetonas
Cetonas: se nombran reemplazando la –o del nombre del
alcano correspondiente por –ona
• La cadena principal es la más larga que contenga el
grupo ceto.
• La numeración inicia de manera de asignar el número
más bajo al carbono del gruoo C=O
3-hexanona
Hexan-3-ona
4-hexen-2-ona
Hexa-4-en-2-ona
2,4-hexanodiona
Hexano-2,4-diona
Nomenclatura de Cetonas
Algunos nombres comunes aceptados por IUPAC
Acetona Acetofenona Benzofenona
Nomenclatura de Cetonas (clase
funcional)
• En el sistema de clase funcional las cetonas
se nombran enunciando los nombres de cada
uno de los grupos carbonados unidos al
carbono carbonilo, seguidos por la palabra
cetona, de manera similar a la nomenclatura
de éteres.
• CH3CH2-O-CH2CH3 éter dmetílico
• CH3CH2-CO-CH2CH3 dietil cetona
• CH3CH2-O-(CH2)3CH3 butil etil cetona
Nomenclatura de Cetonas
Si R-C=O es un sustituyente, se usa el nombre del grupo acilo y se
añade el sufijo –il
El prefijo oxo- se usa si la función cetona no es el grupo de mayor
prioridad y se considera un sustituyente en la cadena
3-oxohexanoato de
metilo
Grupo acilo Acetil Formil benzoil
Nomenclatura de Quinonas
• Cetonas que provienen de la oxidación de
fenoles reciben el nombre de quinonas
• P-quinona hidroquinona
• Orto-quinona catecol
• Coenzima Q (mitoquinona)
O
O
O H
O H
O
O
OH
OH
O
O
CH3
CH3
HMeO
MeO
n
n=6-10
(ubiquinona)
3. Propiedades físicas de aldehídos y
cetonas
=>=>
• Debido a su momento dipolar, tienen mayor punto
de ebullición que alcanos y éteres de igual peso
molecular. El formaldehido es un gas.
• No pueden formar puentes de hidrógeno entre sí,
por lo que su punto de ebullición es menor que el
de alcoholes
Solubilidad:
• El acetaldehído CH3CHO y la acetona (CH3)2CO son
miscibles con agua.
• Los electrones libres del oxígeno carbonilo pueden
formar puentes de hidrógeno con los grupos OH y NH de
alcoholes y aminas.
• La formalina o formol es una solución de formaldehido en
agua, al 37-40%
O
CO
C
OC
H H
H
H
H
H
heatH C
O
HH2O
H CH
OHHO
trioxane, m.p. 62C
formaldehyde,
b.p. -21Cformalin
=>
O
CO
C
OC
H H
H
H
H
H
heatH C
O
HH2O
H CH
OHHO
trioxane, m.p. 62C
formaldehyde,
b.p. -21Cformalin
O
CO
C
OC
H H
H
H
H
H
heatH C
O
HH2O
H CH
OHHO
trioxane, m.p. 62C
formaldehyde,
b.p. -21Cformalin
=>
4. Preparación de aldehídos y cetonas
1. Oxidación de alcoholes 1s y 2s
2. Oxidación de fenoles (SÓLO para obtener
quinonas)
3. Acilación de Friedel-Crafts
4. Hidratación de alquinos
5. Ozonólisis de alquenos
Reacciones de los alcoholes y fenoles:
oxidación.
• Una de las reacciones
más útiles de los
alcoholes es la oxidación.
• Las reacciones de
oxidación y reducción en
Química Orgánica nos
permiten transformar los
grupos funcionales.
Oxidaciones y reducciones en
Química Orgánica
Debemos recordar que
• La oxidación resulta en un aumento en el
número de enlaces C-Z (generalmente Z = O,
pero puede tratarse de cualquier elemento
mas electronegativo que el carbono) o bien
en una disminución en el número de
enlaces C-H.
• La reducción resulta en una disminución en
el número de enlaces C-Z o bien en un
aumento en el número de enlaces C-H.
Oxidación de alcoholes: mecanismo de la
reacción con H2CrO4
El mecanismo implica la formación de un éster crómico.
Luego, se elimina un H+ y se forma el enlace C=O.
Si el alcohol es secundario, se obtiene una cetona.
Si el alcohol es primario, se obtiene un aldehido.
Oxidación de alcoholes
Alcoholes terciarios
Los alcoholes terciarios no pueden oxidarse porque carecen
de un hidrógeno en posición alfa que puedan eliminar.
Alcoholes primarios
En un alcohol primario, el carbono que soporta el
grupo OH tiene un estado de oxidación formal -1
por lo que aún tiene múltiples posibilidades de
oxidación.
Muchos reactivos de oxidación son sales
inorgánicas, como KMnO4, K2Cr2O7, sólo
solubles en agua. El agua produce hidratos
con los adehídos, provocando que la
oxidación de la 2ª etapa (aldehídos a ácidos
carboxílicos) sea más fácil que la 1ª.
Por lo tanto, es difícil detenerse en el aldehído. Hay que utilizar reactivos especiales,
solubles en disolventes orgánicos, para evitar la presencia de agua y evitar así la oxidación
posterior del aldehido formado..
4.1 Oxidación de alcoholes
• Aldehídos: oxidación de alcoholes primarios con
clorocromato de piridinio (PCC por sus siglas en inglés)
El oxidante es selectivo debido a que el medio de reacción es
anhidro.
4.1 Oxidación de Alcoholes
Aldehídos se oxidan fácilmente a ácidos carboxílicos
pero las cetonas son relativamente inertes
• El hidrógeno de –CHO se abstrae durante la oxidación
• El agente oxidante más común es CrO3
• KMnO4 y HNO3 caliente se usan ocasionalmente
Oxidación biológica de alcoholes
Base:
NAD+ NADH
[Base-H]+
El etanol se metaboliza en el hígado a acetaldehido por acción de la
alcohol deshidrogenasa, que necesita la coenzima dinucléotido de
nicotinamida y adenina NAD. El hidrógeno del etanol se transfiere
como hidruro, reduciendo NAD+ a NADH
El acetaldehido se oxida posteriormente a acetato.
La oxidación de alcohol a acetaldehido puede darse en el citosol a través de
alcohol deshidrogenasa (ADH), citocromo P-450 2E1, o catalasa peroxisomal
(en ese orden de importancia).
4.2 Oxidación de alcoholes:
Preparación de Cetonas.
• Alcoholes secundarios se oxidan por varios rectivos de
cromo para dar cetonas
• También se puede usar otro tipo de oxidantes, como
permanganato de potasio, óxido cúprico o hipoclorito de
sodio.
• Las cetonas, a diferencia de los aldehídos, son
resistentes a oxidaciones posteriores.
4.3 Oxidación de Fenoles a Quinonas
• Los fenoles se oxidan fácilmente a quinonas usando
oxidantes como la sal de Fremy, nitrosodisulfonato
de potasio, (KSO3)2NO
• Se puede usar también Ag2O y K2Cr2O7 como
agentes oxidantes, pero el permanganato de potasio
destruye el anillo aromático y no debe usarse.
• El mecanismo de oxidación es diferente al de los
alcoholes, llevándose a cabo de forma radicalar.
O H
O H
O
O
Sal de Frem y
SnCl2, H
2O
4.3 Oxidación de fenoles a quinonas
Para obtener una quinona puede partirse de un fenol doble. Su
oxidación se produce en condiciones muy suaves ya que las
quinonas, aunque no son aromáticas, poseen una estructura
muy conjugada y, por tanto, muy estable.
4.4 Acilación de Fiedel y Craft
Cetonas aromáticas se obtienen por reacciones
de acilación Friedel-Crafts
Preparación de benzaldehído por
acilación de Friedel-Crafts
• El único aldehído aromático que se puede
obtener por una reacción de acilación es el
benzaldehído:
• La reacción anterior recibe el nombre de
síntesis de Gatterman-Koch.
H
O
+ CO
AlCl3/Cu
2Cl
2
+ HCl
4.5 Hidratación de alquinos:
Preparación de Cetonas
• La reacción de alquinos terminales con agua
en presencia de ácido y sulfato mercúrico
produce metilcetonas:
• La reacción puede aplicarse también a
alquinos internos simétricos, pero otros
alquinos darán mezclas de cetonas.
O
+ H2O
H2SO
4
HgSO4
Hidratación de alquinos: Preparación de
Aldehídos por hidroboración oxidación
• La reacción de alquinos terminales con
Sia2BH seguido de H2O2 en medio alcalino
(hidroboración-oxidación usando un borano
impedido) produce aldehídos.
O
Sia2BH1)
2) H2O
2/OH
4.6 Oxidación de alquenos: ruptura
oxidativa con ozono (ozonólisis)
• Los alquenos reaccionan con ozono para
romperse en el sitio del doble enlace y dar
como producto, dos compuestos carbonilo: O
O
1) O3
CH3SCH
32)
O
O
O
O
CH2
1) O3
2) Zn,HO Ac
+ +
El segundo paso de la reacción puede modificarse, de modo que en
vez de aldehídos se obtengan ácidos carboxílicos.
4.6 Oxidación de alquenos:
ruptura oxidativa con KMnO4
• Además del ozono, puede usarse
permanganato de potasio acuoso y caliente
para lograr la ruptura oxidativa de alquenos,
pero como los aldehidos son fácilmente
oxidables, se obtienen ácidos carboxílicos:
KMnO4 acuoso
calor
5. Reactividad en el grupo carbonilo
Adición al doble enlace C=O
Sustitución del hidrógeno
del carbono α
5. Reactividad del grupo carbonilo
• Reaccionará con nucleófilos en el carbono
• Se forma un producto tetraédrico, el carbono pasa a sp3
• Es una reacción de adición nucleofílica
• Los aniones H- y R- son bases muy fuertes, malos grupos salientes y no son desplazados por el reactivo.
=>=>
5.1 Adición Nucleofílica de H2O:
Hidratación
Aldehídos y cetonas reaccionan en forma reversible con
agua para dar 1,1-dioles, or dioles geminales (gem)
• El equilibrio favorece al carbonilo por razones estéricas
con la excepción del formaldehído
Adición Nucleofílica de H2O:
Hidratación
Compuesto Keq Conversión a
hidrato (%)
Velocidad
relativa
formaldehido 2300 >99.9 2200
acetaldehido 1.0 50 1.0
2,2-
dimetilpropanal 0.2 17 0.09
acetona 0.0014 0.14 0.0018
hexafluoroace
tona 22000 100
Adición Nucleofílica de H2O:
Hidratación
• Otros hidratos estables, esta vez por factores
electrónicos (más importantes que los
factores estéricos), son
• Hidrato de cloral
• Ninhidrina
H
O
Cl
ClC l
H
O H
Cl
C lC l O H
H2O
O
O
O
O
O
O H
O H
H2O
Es una reacción en dos etapas,
en donde la primera es la
determinante de la reacción.
El cambio de hibridación sp2
sp3 se desarrolla parcialmente
en el primer estado de
transición.
5.2 Reacciones de Adición
Nucleofílica a Aldehidos y Cetonas
Reacción de adición Nucleofílica
• :Nu– se acerca al enlace C=O en un ángulo de 75° y se une al carbono electrofílico del C=O
• El carbono Carbonilo se rehibridiza a sp3
• El par de electrones se mueve del enlace C=O al oxígeno electronegativo produciendo un ion alcóxido tetraédrico como
intermediario • El Intermediario se protona
para dar el alcohol neutro
Reacciones de Adición Nucleofílica a
Aldehidos y Cetonas
Alternativamente, el alcóxido tetraédrico intermediario (o el
alcohol intermediario) puede eliminar H2O y formar un
enlace C=Nu
Adición Nucleofílica a Aldehidos y
Cetonas: reactividad relativa
Los Aldehídos son más reactivos frente a la adición
nucleofílica que las cetonas
• Los Aldehídos tienen menos impedimento estérico que
las cetonas
Adición Nucleofílica a Aldehidos y
Cetonas: reactividad relativa
• El efecto estérico sobre la reactividad relativa
es más evidente en la formación del
intermediario, cuando el carbono carbonilo se
ha rehibridado a sp3.
• En la geometría tetraédrica, los grupos
unidos al carbono están más próximos unos
de otros y el volumen que ocupe cada uno
será significativo.
Adición Nucleofílica a Aldehidos y
Cetonas: reactividad relativa
• Los Aldehídos son más reactivos que las cetonas por
factores electrónicos
• C=O de aldehído se polariza mas que el C=O de cetona
Adición Nucleofílica a Aldehidos y
Cetonas: reactividad relativa
• Los efectos electrónicos también resultan de
los efectos inductivos de grupos unidos al
carbono carbonilo.
• Los aldehídos y cetonas aromáticos son
menos reactivos que los alifáticos, debido a
que el anillo aromático ejerce un efecto
inductivo donador de electrones sobre el
carbono carbonilo, reduciendo así su afinidad
por los nucleófilos.
Adición nucleofílica a aldehídos y
cetonas.
1. Adición de –CN: formación de cianhidrinas
2. Adición de reactivos de Grignard: Formación
de alcoholes con más átomos de carbono
que el compuesto carbonilo original.
3. Adición de hidruros: formación de alcoholes
con el mismo número de carbonos que el
compuesto carbonilo original.
4. Adición de alcoholes: formación de
hemiacietales y acetales
5. Adición de amoniaco y compuestos
derivados del mismo.
5.3 Adición nucleofílica de HCN:
formación de cianohidrinas
• Su utilidad radica en las transformaciones
que pueden hacerse después sobre el
producto.
• La reactividad del sustrato sigue el orden
HCHO>RCHO>ArCHO>R2CO>>Ar2CO,
cetonas impedidas
CH3CH2
C
O
CH3 + C
CH3CH2 CH3
HOCN
HCN
=>
CH3CH2
C
O
CH3 + C
CH3CH2 CH3
HOCN
HCN
=>
Formación de cianohidrinas:
condiciones de reacción
• La reacción es lenta cuando se usa HCN
puro.
• La reacción es rápida cuando se tiene el
equilibrio HCN/CN, lo que se logra con la
adición de una pequeña cantidad de base.
• El pH de la reacción en óptimas condiciones
es cercano a 8.
5.4 Adición Nucleofílica de Reactivos de
Grignard e Hidruros : Formación de Alcoholes
El reactivo de Grignard reacciona con el grupo C=O de
aldehídos o cetonas para dar un intermediario
tetraédrico que es un alcóxido de magnesio
El intermediario se hidroliza para producir un alcohol
neutro
El reactivo de Grignard reacciona como un carbanión
Adición Nucleofílica de Reactivos de
Grignard: Formación de Alcoholes
Adición Nucleofílica de Hidruros :
Formación de Alcoholes
De manera análoga, la reacción de aldehídos y cetonas
con hidruros puede representarse como la adición
nucleofílica de un ion (:H–) al carbono C=O
• LiAlH4 y NaBH4 actúan como donadores de ion hidruro
Adición Nucleofílica de Hidruros :
Formación de Alcoholes
• El NaBH4 es más fácil de manejar y por lo mismo
se emplea más que el LiAlH4
• Es muy selectivo y generalmente no reacciona
con grupos carbonilo menos reactivos que
aldehídos y cetonas.
• Esto significa que reducirá aldehídos y/o cetonas
pero no afectará a ácidos carboxílicos y/o
ésteres:
O
O
O Me
OH
O
O MeN aBH4
1)
H3O +2)
Adición Nucleofílica de Hidruros :
Formación de Alcoholes
• El LiAlH4 no es selectivo y es un reductor
muy poderoso, que reducirá también los
grupos carbonilo menos reactivos que
aldehídos o cetonas:
• Los aldehídos reaccionan para dar alcoholes
primarios y las cetonas, secundarios.
O
O
O Me
OH
OH
LiAlH4
1)
H3O +2)
5.5 Adición Nucleofílica de H2O:
Hidratación
La adición nucleofílica de agua a un aldehido o cetona es
lenta en condiciones neutras pero es catalizada por
ácido y base
• Mecanismo de hidratación catalizada por Base
• El ion hidróxido es buen nucleófilo
Adición Nucleofílica de H2O:
Hidratación
• Mecanismo catalizado por ácido
• El oxígeno protonado hace al carbono C=O mas
electrofílico
Adición Nucleofílica de H2O:
Hidratación
En general, el equilibrio favorece el aldehído o cetona
frente a nucleófilos como H2O, CH3OH, HCl, HBr, or
H2SO4
5.6 Adición Nucleofílica de
Alcoholes: Formación de Acetales
Aldehidos y cetonas reaccionan de manera reversible con dos
equivalentes de un alcohol, en presencia de catálisis ácida para
producir acetales, R2C(OR′)2, a veces llamados cetales si se
derivan de una cetona
Adición Nucleofílica de Alcoholes:
Mecanismo de Formación de Acetales
• Se necesita catálisis ácida
• La adición nucleofílica reversible de alcohol al grupo carbonilo da un hemiacetal
• Hemiacetal: un hidroxi éter análogo al gem diol formado por adición de agua
• El ácido protona el grupo hidroxilo formando –OH2+
• Pérdida de :OH2 forma un ion oxonio, R2C=OR+
• Adición Nucleofílica de una segunda molécula de alcohol da un acetal protonado
• Deprotonación produce un acetal neutro y regenera el catalítico
• Protonación del alcohol
• Ataque del alcohol nucleofílico
OH
+
+ OH
H+
O
=>
HO OCH3+
HO OCH3
H
HOCH3
OH
+ HOCH3H2OCH3+
+
=>
HO OCH3+
HO OCH3
H
HOCH3
OH
+ HOCH3H2OCH3+
+
Adición Nucleofílica de Alcoholes:
Formación de Acetales
• Adiciones nucleofílicas intramoleculares son
comunes en carbohidratos (azúcares) dando
hemiacetales cíclicos
Adición Nucleofílica de Alcoholes:
Formación de Acetales
Un equivalente de un diol como el etilenglicol da un
acetal cíclico
Los acetales se forman únicamente en presencia de catálisis ácida,
mientras que los hemiacetales pueden formarse por ataque de un
ion hidróxido o alcóxido al carbono carbonilo, pero la reacción se
detiene la formación del hemiacetal.
Si se trabaja con un alcohol monohidroxílico, como etanol, se
consumen dos moles de alcohol por mol de carbonilo.
• Protonación del –OH y pérdida de agua
• Ataque de un segundo equivalente de alcohol
+
OCH3HO OCH3
H+
H+
HO OCH3
HOH+
=>
OCH3CH3OOCH3CH3O
H
+
OCH3+
HOCH3
HOCH3
=>
OCH3CH3OOCH3CH3O
H
+
OCH3+
HOCH3
HOCH3
Ejemplo 2 Prediga el producto de reacción entre una
cetona y un alcohol
Muestre la estructura del acetal que se obtendría
por la reacción catalizada con ácido de pentan-
2-ona con propano-1,3-diol
Recuerde que
• La reacción entre un aldehido o cetona con 2
equivalentes de un alcohol monohidroxílico o
con un equivalente de un diol, produce un
acetal, en el cual el oxígeno del carbonilo es
reemplazado por dos grupos –OR del alcohol
• La reacción requiere catálisis ácida
Resolución
Aplicación de la formación de acetales
Reacciones de protección
• Si se desea modificar una parte de una
molécula sin alterar un grupo carbonilo, éste
se puede proteger, es decir, se transforma en
otro grupo funcional menos reactivo.
• Los acetales, al ser éteres, son estables en
medio básico, pero se regeneran al grupo
carbonilo en medio ácido.
• Los aldehídos forman acetales más
fácilmente que las cetonas.
• Generalmente se usa un diol como reactivo
protector.
Ejemplo
O
C
O
H
CH2 CH2
HO OH
O
CO
O
H+
=>
O
C
O
H
CH2 CH2
HO OH
O
CO
O
H+
=>
O
CO
O
CH3MgBr
CO
O
O CH3MgBr
+ _
H3O+
C
O
H
HO CH3
=>
O
CO
O
CH3MgBr
CO
O
O CH3MgBr
+ _
H3O+
C
O
H
HO CH3
=>
5.7 Adición Nucleofílica de Amoniaco y
derivados de amoniaco: Formación de
Iminas y Enaminas
Aminas primary, RNH2, se adicionana a aldehídos y
cetonas para dar iminas, R2C=NR
• Las iminas son intermediarios biológicos importantes
Adición Nucleofílica de Aminas:
Formación de Iminas y Enaminas
• Las iminas son básicas, como las aminas.
• Las iminas sustituidas se conocen como
bases de Schiff.
• La formación de iminas y enaminas son
ejemplos de reaciones conocidas como
condensaciones, que son reacciones en las
que dos (o más) moléculas orgánicas se
unen y eliminan una molécula de agua u otra
molécula pequeña, como producto
secundario de la reacción.
Adición Nucleofílica de Aminas:
Formación de Iminas y Enaminas
Aminas secundarias, R2NH, se adicionan a aldehidos y
cetonas para dar enaminas, R2N-CR=CR2
• en + amina = amina insaturada
Mecanismo de formación de iminas
• La adición nucleofílica de una
amina primaria para dar un
intermediario tetraédrico:
carbinolamina
• Eliminación de agua para
formar un nuevo enlace C=Nu
Mecanismo de formación de enaminas
• Adición nucleofílica de una amina
secundaria para dar un
intemediario tetraédrico:
carbinolamina
• Eliminación de agua produce un
ion iminio
• Pérdida de un protón del átomo
de carbono a- produce la
enamina
Adición Nucleofílica de Aminas:
Formación de Iminas y Enaminas
La reacción de formación de iminas y
enaminas alcanza el máximo a pH = 4 - 5
• a pH > 5 es lenta porque no hay suficiente H+
presente en solución para protonar el –OH de la
carbinolamina y producir el grupo saliente –OH2+
• a pH < 4 es lenta porque el nucleófilo básico se
encuentra protonado y no puede ocurrir la adición
nucleofílica inicial.
Las iminas son útiles para la obtención de
aminas (aminación reductiva)
Ejemplo Predecir el producto de reacción entre una
cetona y una amina
Muestre los productos que se obtendrían de la
reacción catalizada por ácido entre 3-pentanona
con metilamina, CH3NH2, y con dimetilamina,
(CH3)2NH
Recordar que
• Un aldehido o cetona reacciona con una amina
primaria, RNH2, para producir una imina, en la
cual el átomo de oxígeno del carbonilo ha sido
reemplazado por el grupo =N-R de la amina.
• La reacción de un aldehido o cetona que
posean átomos de hidrógeno en el carbono –
α, con una amina secundaria, R2NH, produce
una enamina, en la cual el átomo de oxígeno
ha sido reemplazado por el grupo –NR2 de la
amina, y el doble enlace se ha movido a
ocupar la posición entre el carbono carbonilo y
el carbono α-
Ejemplo resuelto
Formación de iminas estables
• Estructura Nombre Nombre del
del reactivo producto
HO-NH2 hidroxilamina oxima
H2N-NH2 hidrazina hidrazona
PhNH-NH2 fenilhidrazina fenilhidrazona
2,4-dinitrofenil 2,4-dinitrofenil
hidrazina hidrazona
(2,4-DNFH)
semicarbazida semicarbazona
NO2
O2N
NH- NH2
NH2
N H N H2
O
Formación de iminas estables.
Derivados de compuestos carbonilo
Furfural 2,4-DNFH
Benzofenona Hidroxilamina Oxima
NO2
O2N
N H- N H2
O
O
O
NN H-
NO2
O2N
H2O+ +
O NHO H
H2O+
NH2O H
+
2,4-dinitrofenilhidrazona
obtenida de un compuesto
carbonilo saturado, su color
es amarillo brillante
2,4-dinitrofenilhidrazona
obtenida de un
compuesto carbonilo
aromático, su color es
naranja
5.8 Oxidaciones y reducciones de
aldehidos y cetonas
5.9 Oxidaciones y reducciones de carbonilos. • Los aldehídos, al tener un –H unido al carbono
carbonilo, son suceptibles de oxidarse a ácidos
carboxílicos:
Oxidación de Aldehídos
Se lleva a cabo a través de intermediarios 1,1-dioles
denominados hidratos
• Los hidratos se forman por la adición reversible de
agua al grupo carbonilo
Oxidación de aldehídos
• Oxidantes suaves pueden usarse para
obtener ácidos carboxílicos y hay varias
reacciones de esta clase que pueden usarse
como pruebas rápidas para distinguir entre
aldehídos y cetonas, las cuales normalmente
resisten oxidación.
• El reactivo de Tollens se prepara al
momento de usarse y consiste en Ag(NH3)2+.
El reactivo oxida al aldehído y la plata se
reduce a plata elemental.
Oxidación de aldehídos
R C
O
H + 2 + 3 + 2+ 4+Ag(NH3)2+
OH_ H2O
2 Ag R C
O
O_
NH3 H2O
La reacción con el reactivo de Tollens distingue fácilmente entre
aldehídos y cetonas, ya que el aldehído reduce el reactivo y esto queda
evidenciado por la aparición de un espejo de plata (o un precipitado
negro, si el tubo de ensayo no está lo suficientemente limpio)
R C
O
H + 2 + 3 + 2+ 4+Ag(NH3)2+
OH_ H2O
2 Ag R C
O
O_
NH3 H2O
=>
Otras reacciones coloreadas para
identificar aldehídos
• El reactivo de Schiff es otra opción para
diferenciar entre aldehidos y cetonas
Reducciones de aldehídos y cetonas
• Ambas funciones pueden reducirse a
alcoholes por reacción con hidruros, como se
vio anteriormente.
• También pueden reducirse a alcoholes
mediante una reacción de hidrogenación
catalítica.
• Considerar que si hay enlaces C=C, éstos
son más reactivos que los enlaces C=O
frente a la reacción de hidrogenación
catalítica.
Hidrogenación catalítica de aldehídos y
cetonas
• El catalizador usado más comúnmente es el
níquel Raney.
• Otros catalíticos usados son Platino (Pt) y
rodio (Rh).
• Los aldehídos darán alcoholes primarios y las
cetonas darán alcoholes secundarios:
ORaney Ni
OH
H
=>
Reducción de quinonas
• De la misma forma en que se pueden
obtener por medio de oxidantes suaves, para
reducirlas bastan reactivos reductores
suaves:
Reducción de aldehídos y cetonas:
desoxigenación
• En una desoxigenación, se reemplaza el
átomo de oxígeno de un aldehído o cetona
con dos átomos de hidrógeno, reduciendo el
grupo carbonilo completamente hasta el
grupo metileno:
• Se usa esta reacción para convertir
acilbencenos provenientes de acilaciones de
Friedel-Crafts, en alquilbencenos.
R R´
O
R R´
H H
Desoxigenación: Reducción de
Clemmensen
• Aplicable a compuestos que no son sensibles
a los ácidos en caliente.
C
O
CH2CH3 Zn(Hg)
HCl, H2O
CH2CH2CH3
CH2 C
O
H HCl, H2O
Zn(Hg)CH2 CH3
=>
Desoxigenación: reducción de Wolff -
Kishner
• Se usa para compuestos que no resisten el
tratamiento con ácido en caliente, y que
resisten el tratamiento con bases fuertes,
como KOH o t-butóxido de potasio y calor
CH2 C
O
HH2N NH2
CH2 C
NNH2
H KOH
heat
CH2 CH3
=>
5.9 Otras Reducciones
• Las reacciones de adición nucleofílica son
características de aldehídos y cetonas.
• El intermediario Tetraédrico producido por
adición del nucleófilo no puede expulsar un
grupo saliente estable, como sí es el caso de
los derivados de ácidos carboxílicos:
Reacción de Cannizzaro • Excepción a las reacciones características de
aldehídos y cetonas
• OH¯ se adiciona al aldehido para dar el intermediario
tetraédrico.
• El ion H:¯ se expulsa como grupo saliente.
Reacción de Cannizzaro
• El sustrato es ÚNICAMENTE un aldehído
SIN hidrógenos en el carbono alfa.
• Se utiliza base concentrada (25-35%), por lo
que no debe haber otros grupos sensibles a
estas condiciones.
• Es una reacción de desproporción: la mitad
del sustrato se oxida y la otra, se reduce.
Reacción de Cannizzaro cruzada
• Se lleva a cabo entre un aldehído sin
hidrógenos en el carbono α y el
formaldehído.
• El formaldehído, al ser más reactivo
reacciona primero con el ion –OH y cede el
–H al otro aldehído.
• El formaldehído siempre se oxidará a
ácido fórmico en esta reacción.
Ejemplo
O
H
O
H H
O
H
O
H H O H
O
H
O H
H H O
O
+
O H+
+
Reducciones Biológicas El mecanismo de la reacción de Cannizzaro es análogo a la
reducción biológica en organismos vivos por nicotinamida
adenina dinucleótido, NADH, una coenzima que necesita
estar unida a una ezima para funcionar.
Reducciones biológicas
NADH dona H:¯ a aldehídos y cetonas, de manera
similar al alcóxido tetraédrico, intermediario en la
reacción de Cannizzaro
Las reducciones con NADH son enantioselectivas y
la configuración final del producto depende de la
enzima que cataliza el proceso.
5.10 Aldehídos y cetonas α,β-
insaturados
• La insaturación imparte a estos compuestos
características diferentes de reactividad
frente a algunos nucleófilos.
• La polarización del enlace C-O y la
deslocalización de electrones pi permite
varias estructuras de resonancia:
Adición conjugada a carbonilos α,β-
insaturados
Nucleófilos pueden unirse directamente al grupo carbonilo de aldehídos y cetonas, en lo que se conoce como una adición 1,2-
Nucleófilos pueden también adicionarse al enlace C=C conjugado adyacente al grupo carbonilo en compuestos α,β-insaturados en una adición conjugada or adición 1,4-
• El átomo de carbono vecino al carbono carbonilo es el carbono α y el siguiente es el carbono β
• El producto inicial de la adición conjugada es un ion enolato estabilizado por resonancia
Adición conjugada a carbonilos α,β-
insaturados
Adición conjugada a carbonilos a,b-
insaturados
El doble enlace conjugado de un carbonilo a,b-
unsaturado es activado frente a la adición
nucleofílica por el grupo carbonilo
Adición conjugada a carbonilos a,b-
insaturados
• Se da en mayor proporción cuando el
nucleófilo es débilmente básico.
• Comparación entre adiciones 1,2- y 1,4:
O
Y
O H
O
YH
O
+ H-Y
rápida
+ H-Y
lenta
m enos
estable
m ás
estable
Adición conjugada a aldehidos y
cetonas: adición de aminas
Aminas primarias y secundarias
reaccionan con aldehidos y cetonas a,b-
insaturados para dar b-amino aldehídos
y b-amino cetonas
• Se da tanto la adición 1,2- como la 1,4-
• Estas adiciones son reversibles
Adición conjugada a aldehídos y
cetonas: adición de aminas
• El producto de adición conjugada, mas
estable, se acumula
Adición conjugada a aldehídos y
cetonas: adición de -CN
• El producto obtenido en mayor cantidad es
un β-ciano aldehido o una β-ciano cetona:
O
H
O
O
C N
H
OC N
KCN, E tanol
HO Ac
KCN, E tanol
HO Ac
Adición conjugada a aldehídos y cetonas:
adición de reactivos organometálicos
• Los reactivos de Grignard reaccionan
exclusivamente con el carbono carbonilo.
• Alquilcupratos de litio, conocidos como
reactivos de Gillman reaccionan en el
carbono beta.
• Los reactivos se preparan de la siguiente
manera, en condiciones anhidras:
• R-X + 2 Li R-Li + LiX
• 2 R-Li + CuX R2CuLi + LiX
Adición conjugada a aldehídos y
cetonas: adición de reactivo de Gillman
OO
+ LiCu(CH3)
2
1. éter anhidro
H3O2.
La utilidad de la reacción radica en modificar el esqueleto carbonado
del carbonilo, aumentando el número de átomos de carbono.
O O+ LiCu(CH2CH
3)
Reducción de aldehídos y cetonas α,β-
insaturados
• Dado que los enlaces C=C son más reactivos
que los C=O frente a la hidrogenación
catalítica, no es posible usar este método
para reducir exclusivamente al grupo
carbonilo de aldehídos y cetonas α,β-
insaturados.
• El uso de hidruros, como LiAlH4 y NaBH4
puede resultar en redución del doble enlace
conjugado.
Donadores de hidruro selectivos
• El 9-borabiciclo[3.3.1]nonano (9-BBN) es un
donador de hidruro que reacciona
preferentemente con el carbono carbonilo y
no con el doble enlace en compuestos con
insaturaciones en posición α,β.
B-H
Oxidación de aldehídos insaturados
Dado que los enlaces C=C son sensibles
a los ácidos, al oxidar aldehídos
insaturados, no puede utilizarse
oxidantes ácidos, como el ácido crómico,
y deberá recurrirse al uso de oxidntes
alcalinos, tales como el reactivo de
Tollens o el óxido de plata:
Referencias
• McMurry, J. (2008). Química Orgánica. 7ª.
Edición. Thomson.
• Wade, L. (2012). Química Orgánica. 7ª.
Edición. Pearson
• Morrison y Boyd. (1990). Química Orgánica.
5ª. Edición. Addison Wesley
• Shriner, R. et al. (2013). Identificación
Sistemática de Compuestos Orgánicos.
Wiley.