3
ALDEHIDOS Y CETONAS
GRUPO CARBONILO Los compuestos carbonílicos son importantes en la naturaleza. La mayor parte de moléculas biológicas importantes contienen grupos carbonilo, al igual que agentes fármacos y compuestos sintéticos utilizados en la vida diaria. d iaria. Un grupo carbonilo tiene algunas características del doble enlace C = C. En un grupo carbonilo, uno de los enlaces es fuerte y el otro es un enlace más débil. Los ángulos de enlace alrededor del átomo de Carbono del grupo Carbonilo son de 120° aproximadamente. R'
R
&+ C
&O
120º
A pesar de que tienen muchas semejanzas, el grupo carbonilo y el doble enlace C=C son diferentes. El grupo carbonilo es polar. El átomo de oxígeno tiene una electronegatividad mayor mayor que el átomo de C; por lo tanto los electrones del doble enlace no son compartidos equitativamente, debido a su polaridad los compuestos orgánicos que contienen este grupo funcional son solubles en agua. La consecuencia más importante es la reactividad química del doble enlace carbono-oxígeno. Los aldehídos y las cetonas contienen el grupo carbonilo, C=O, y a menudo se denominan colectivamente compuestos carbonílicos. El grupo carbonilo es el que determina en gran medida la química de aldehídos y cetonas. No es de sorprender que aldehídos y cetonas se asemejen en la mayoría de sus propiedades. propiedades. Sin embargo, el grupo carbonílico de los aldehídos contiene, además, un hidrógeno, hidrógeno, mientras el de cetonas tiene dos grupo grupo orgánicos. Esta diferencia estructural estructural afecta a sus propiedades propiedades de dos formas: formas: (a) los aldehídos aldehídos se oxidan con facilidad; las cetonas sólo lo hacen con dificultad; (b) los aldehídos suelen ser más reactivos que las cetonas en adiciones nucleofílicas, reacciones estas últimas características de los compuestos carbonílicos.
ALDEHÍDOS Y CETONAS IMPORTANTES Formaldehído - Metanal (HCOH). Gas inodoro que se disuelve fácilmente en el agua, solución al 40% se conoce como FORMOL, desinfectante, que se utiliza para embalsamar y para conservar tejidos. El gas metanal y el polímero para formaldehido se
utiliza como insecticida, fumigante, antiséptico. Grandes cantidades de formaldehido se utiliza para preparar resinas sintéticas. El formaldehido es un gas (p.e. – 21ºC), 21ºC), por este motivo se utiliza como solución acuosa (Formalina), en forma de uno de sus polímeros sólidos: para formaldehido, (CH2O)m, o trioxano, (CH2O)3. Cuando se necesita formaldehído seco (por ejemplo, para una reacción de un reactivo de Grignard), se obtiene calentado para formaldehido o trioxano. O CH2OCH2OCH2O Paraformaldehído
H2C O
CH2 O
CH2 Trioxano
Se utiliza fundamentalmente para la obtención de resinas fenólicas y en la elaboración de explosivos (pentaeritrol y el tetranitrato de pentaeritrol, TNPE) así como en la elaboración de resinas alquílicas y poliuretano expandido. También se utiliza en la elaboración de uno de los llamados plásticos técnicos que se utilizan fundamentalmente en la sustitución de piezas metálicas en automóviles y maquinaria, así como para cubiertas resistentes a los choques en la manufactura de aparatos eléctricos. Estos plásticos reciben el nombre de POM (polioximetileno)
Acetaldehído o etanal. Producción de ácido acético, acetato de etilo, caucho sintético. El acetaldehído es un líquido volátil e incoloro, de olor irritante. Es una materia prima muy versátil que se utiliza en la fabricación de muchos compuestos. Si el acetaldehído se calienta con un catalizador ácido, se polimeriza para dar un líquido llamado paraldehído.
El paraldehído se utilizó como sedante e hipnótico; su uso decayó debido a su olor desagradable desagradable y al descubrimiento de sustitutos más eficaces .
Cinemaldehído. CH=CH-CHO
Constituyente del aceite de canela
Diacetilo o glioxal, CH 3-CO-CO-CH3 se encuentra en pequeñísimas cantidades en el reino animal y en el vegetal. A él se debe la fragancia del humo del tabaco, del café tostado, leche, mantequilla y queso.
utiliza como insecticida, fumigante, antiséptico. Grandes cantidades de formaldehido se utiliza para preparar resinas sintéticas. El formaldehido es un gas (p.e. – 21ºC), 21ºC), por este motivo se utiliza como solución acuosa (Formalina), en forma de uno de sus polímeros sólidos: para formaldehido, (CH2O)m, o trioxano, (CH2O)3. Cuando se necesita formaldehído seco (por ejemplo, para una reacción de un reactivo de Grignard), se obtiene calentado para formaldehido o trioxano. O CH2OCH2OCH2O Paraformaldehído
H2C O
CH2 O
CH2 Trioxano
Se utiliza fundamentalmente para la obtención de resinas fenólicas y en la elaboración de explosivos (pentaeritrol y el tetranitrato de pentaeritrol, TNPE) así como en la elaboración de resinas alquílicas y poliuretano expandido. También se utiliza en la elaboración de uno de los llamados plásticos técnicos que se utilizan fundamentalmente en la sustitución de piezas metálicas en automóviles y maquinaria, así como para cubiertas resistentes a los choques en la manufactura de aparatos eléctricos. Estos plásticos reciben el nombre de POM (polioximetileno)
Acetaldehído o etanal. Producción de ácido acético, acetato de etilo, caucho sintético. El acetaldehído es un líquido volátil e incoloro, de olor irritante. Es una materia prima muy versátil que se utiliza en la fabricación de muchos compuestos. Si el acetaldehído se calienta con un catalizador ácido, se polimeriza para dar un líquido llamado paraldehído.
El paraldehído se utilizó como sedante e hipnótico; su uso decayó debido a su olor desagradable desagradable y al descubrimiento de sustitutos más eficaces .
Cinemaldehído. CH=CH-CHO
Constituyente del aceite de canela
Diacetilo o glioxal, CH 3-CO-CO-CH3 se encuentra en pequeñísimas cantidades en el reino animal y en el vegetal. A él se debe la fragancia del humo del tabaco, del café tostado, leche, mantequilla y queso.
Alizarina: Colorante de gran importancia, i mportancia, derivado del antraceno.
Acido Pirúvico. Producto de diez reacciones químicas de la glucosa. Vainillina. Se lo obtiene de la remolacha, en resinas y en bálsamos. OH O CH3 CHO
La vanilina, vanillina, vainillina, metil vanilina, metil vanillina, metil vainillina o 3metoxi-4-hidroxibenzaldehído, es un compuesto orgánico con la fórmula molecular C8H8O3. Sus grupos Sus grupos funcionales incluyen el aldehído, el aldehído, éter éter y el fenol. el fenol. Es Es el compuesto primario de la vaina de la vainilla. vainilla. La vainilla sintética se emplea como agente saborizante en alimentos, bebidas alimentos, bebidas y elementos farmacéuticos. Es una de las sustancias olorosas más apreciadas para crear aromas artificiales. Es un compuesto cristalino de color blanco soluble en cloroformo en cloroformo y éter con fórmula química (CH 3O)(OH)C6H3CHO. La metil vainillina es un compuesto empleado en la industria de la alimentación así como la etil vanillina. El extracto de vainilla natural es una mezcla de cientos de compuestos diferentes que van incorporados a la vainilla. La vainilla artificial es una solución de vainillina pura, generalmente de origen sintético debido en parte a la escasez y lo caro que resulta el empleo de vainilla natural, ha existido un largo interés en la preparación sintética de su componente predominante. La primera vez que se sintetizó comercialmente la vanillina comenzó su proceso con un compuesto natural denominado eugenol. En eugenol. En la actualidad la vainillina artificial está elaborada de guayacol de guayacol petroquímico, petroquímico, o o procedente de lignina, de lignina, un un constituyente natural de la madera la madera lo que le convierte en un subproducto un subproducto de la industria la industria papelera. La vainillina artificial basada en la lignina se dice que suele tener un perfil de sabores más rico que aquellos procedentes de aceites esenciales; esenciales; la diferencia es debida a la presencia de acetovanillona en la versión de lignina del producto, una impureza no encontrada en la vainillina sintetizada del guayacol
Acetona. La cetona industrial más importante es la acetona, un líquido incoloro y volátil que hierve a 56° C. Se utiliza como solvente de resinas, plásticos y barnices; además es miscible con agua en todas las proporciones. La acetona se produce en el cuerpo humano como un subproducto del metabolismo de las grasas; su concentración normal es menor que 1 mg/100 mL de sangre. Sin embargo, en la diabetes mellitus, la acetona se produce en cantidades mayores, provocando un aumento drástico de sus niveles en el cuerpo. Aparece en la orina y en casos graves se puede incluso detectar en el aliento. La
dimetil cetona se usa industrialmente para eliminar las ceras de los aceites lubricantes, durante la refinación; también es un solvente común en los quita esmaltes de las uñas.
Quinonas. Para obtener una quinona debe 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 conjugada y, por tanto, muy estable. estable.
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.
Las quinonas pueden ser poli cíclicos:
Existen quinonas de origen natural con propiedades bactericidas
Las quinonas pueden reducirse a fenoles con reductores suaves.
Por tanto la transformación fenol-quinona es una reacción redox reversible que puede efectuarse en un sentido u otro dependiendo de las condiciones de reacción. El mecanismo de la oxidación de fenoles a quinonas (o de la reducción de quinonas a fenoles) puede explicarse mediante cesión o aceptación de dos electrones en pasos consecutivos. Los sustituyentes dadores de electrones dificultan la reducción de la quinona. Los sustituyentes electronegativos favorecen su reducción.
La hidroquinona requiere un medio ligeramente básico para su oxidación. La pérdida de un protón produce el fenolato correspondiente, con una densidad electrónica elevada. Si en el medio se encuentra un oxidante adecuado, el fenolato le cederá un electrón, formándose un radical. Este radical, que aún posee un grupo OH, es relativamente ácido y puede ceder otro protón al medio. Así se forma un intermedio de reacción (aniónradical) que no resulta demasiado alto en energía debido a la elevada deslocalización de la carga que posee (pueden escribirse dos formas resonantes totalmente equivalentes). La pérdida de un nuevo electrón da lugar a la quinona. Observando el mecanismo en sentido contrario, la quinona puede aceptar electrones desde un reductor y mediante protonaciones sucesivas a partir de un medio prótico, dar lugar a la hidroquinona. El alcanfor es una cetona que se encuentra en forma natural y se obtiene de la corteza del árbol del mismo nombre. Tiene un olor fragante y penetrante; conocido desde hace mucho tiempo por sus propiedades medicinales, es un analgésico muy usado en linimentos. Otras dos cetonas naturales, β -ionona y muscona , se utilizan en perfumería. La beta ionona es la esencia de violetas. La muscona, obtenida de las glándulas odoríferas del venado almizclero macho, posee una estructura de anillo con 15 carbonos.
Muchos aldehídos y cetonas forman parte de los aromas naturales de flores y frutas, por lo cual se emplean en la perfumería para la elaboración de aromas como es el caso del benzaldehído (olor de almendras amargas), el piperonal (esencia de sasafrás), el aldehído cinámico (esencia de canela). De origen animal existe la muscona y la civetona que son utilizados como fijadores porque evitan la evaporación de los aromas además de potenciarlos por lo cual se utilizan en la industria de la perfumería.
NOMENCLATURA DE ALDEHIDOS O ll CH3-C-H Etanal o acetaldehído O ll CH2=CH-C-H
2-Propenal o Alilal O ll H-C-H
Formaldehido
O ll CH3-CH2-C-H Propanal o propionaldehído CH3 OH O l l ll CH3-CH2-CH-CH-CH2-C-H
4-metil -3-Hidroxi-hexanal O ll CH3-CH2-CH2-C-H
Butiraldehido
CHO
CH3CH2CH2CHO
Valeraldehido
Benzanal o Benzaldehído
Nombres Comunes de Ácidos y Aldehídos Nombre Nombre común del Nombre común Fórmula IUPAC del Fórmula ácido del aldehído aldehído orgánico Ácido HCOOH Formaldehido metanal HCOH fórmico Ácido CH3COOH Acetaldehído etanal CH3CHO acético Ácido CH3CH2COOH Propionaldehído propanal CH3CH2CHO propiónico Ácido CH3CH2CH2COOH Butiraldehído butanal CH3CH2CH2CHO butírico Ácido CH3(CH2)3COOH Valeraldehído pentanal CH3(CH2)3CHO valérico Ácido C6H5COOH Benzaldehído benzanal C6H5CHO benzoico En el sistema IUPAC, el sufijo que caracteriza los aldehídos es al, que sustituye la o final del nombre de los hidrocarburos de los que se derivan. Si el compuesto contiene sustituyentes o enlaces múltiples, su posición se indica por números, siendo siempre el número 1 el correspondiente al carbono del grupo carbonilo. En la nomenclatura común, los aldehídos se nombran por medio de una raíz y el sufijo aldehído. Las raíces de estos nombres son las mismas que tienen los nombres comunes de los ácidos de igual número de carbonos. (Ácido acético, por ejemplo). También en la nomenclatura común se utilizan letras griegas en vez de números para especificar las posiciones de los sustituyentes: CH3 – CH2 – CH – CH2 – CHO I OH -Hidroxivaleraldehído Para aldehídos más complejos en los cuales el grupo funcional está unido a un anillo se usa el sufijo – car baldehído .
Algunos nombres comunes de aldehídos aceptados por la IUPAC son:
Dibujar la estructura de los siguientes aldehídos y cetonas : a) Etanal (acetaldehído)
g) 2,5-Dioxooctanodial
b) 3-Metilbutanal
h) 1,3-Ciclohexanodiona
c) Benzaldehído
i) 3-Metil-3-pentenal
d) 4-Hidroxiciclohexanocarbaldehído
j) 3-Oxobutanal
e) 3-Hidroxi-4-metil-5-oxociclohexanocarbaldehído
k) 3-Hidroxiciclopentanona
f) 2-Metil-2,5-octanodiona
l) 4-Etoxi-5-fenil-3oxoheptanal
Solución.
NOMENCLATURA DE CETONAS CH3-CO-CH3 Propanona CH3-CH2-CO-CH2-CH3 3-Pentanona CH3-CO-CH2-CO-CH2-CH3
CH2=CH-CH2-CO-CH3 4-en-2-pentanona CH3 -CH2-CHOH-CO-CH3 3-Hidroxi-2-pentanona CH3 – CH2 – CO – CH3
2,4-Hexadiona
metil – etil cetona O
O
O
Ciclo hexanona
CH3
metil p-benzoquinona
Las cetonas se nombran reemplazando por – ona la terminación – o de los alcanos correspondientes. La cadena seleccionada para el nombre principal debe ser la más larga que contenga al grupo cetona, y la numeración debe empezar en el extremo más cercano al carbono carbonílico.
Cuando es necesario hacer referencia al grupo R-CO- como un sustituyente, se utiliza el término acilo. CH 3 – CO – Cl
Cloruro de acetilo o Cloruro de etanoilo
COOH
CO-CH3
Ácido m-etanoil benzoico
Si están presentes otros grupos funcionales y el oxígeno doblemente unido debe considerarse un sustituyente, entonces se usa el prefijo oxo. Por ejemplo: CH3 – CH2 – CO – CH2 – COO – CH2 – CH3
3-Oxopentanoato de etilo
PROPIEDADES FISICAS DE ALDEHÍDOS Y CETONAS
Con la excepción del metanal o formaldehído, que es un gas, los aldehídos y las cetonas de bajo peso molecular son líquidos. Del C 13, aproximadamente en adelante son sólidos. Los aldehídos y las cetonas tienen puntos de ebullición más bajos que los alcoholes o Ac. Carboxílicos con masas moleculares similares. Pues el grupo carbonilo no forma puentes de hidrógeno entre sí, como si lo hace el grupo hidroxilo de los alcoholes. Sin embargo, los puntos de ebullición de estos compuestos no alcanzan a ser tan bajos como los de los hidrocarburos, a causa de la polaridad de sus moléculas, que hace que las fuerzas de atracción intermoleculares sean de alguna consideración. Como consecuencia de lo anterior, sus puntos de ebullición son inferiores a los de alcoholes y ácidos carboxílicos comparables. Así, por ejemplo, comparemos el n-butiraldehído (p.e. 76ºC) y la etil metil cetona (p.e. 80ºC) con el n-pentano (p.e. 36ºC) y el éter etílico (p.e. 35ºC) por un lado, y con alcohol n-butílico (p.e. 118ºC) y ácido propiónico (p.e. 141ºC), por el otro.
Los aldehídos y las cetonas de bajo peso molecular son solubles en agua. El átomo de O carbonílico, parcialmente negativo, atrae al átomo de Hidrógeno del H 2O parcialmente positivo. Los compuestos carbonílicos de alto peso molecular son insolubles en agua, debido a que los grupos alquilo y arilo incrementan el carácter no polar de la molécula. Los aldehídos menores poseen olores penetrantes, pero a medida que se avanza en la serie, su olor se va haciendo más agradable. Algunas cetonas también presentan olores fragantes.
Las moléculas de aldehídos y cetonas forman puentes de Hidrógeno con el agua, pero no pueden formarlos entre sí cuando están en estado puro.
Tabla de propiedades físicas de aldehídos y cetonas Solubilidad en agua Nombre T ebullición (°C) Aldehídos Metanal Etanal Propanal Butanal Benzanal Vainillina Cetonas Propanona Butanona 2-pentanona Acetofenona Benzofenona
-21 20 49 76 178 285
16g/100 cm3 7g/100 cm3 ligeramente 1g/100 cm3
56 80 102 202 306
26g/100 cm3 6,3g/cm3 insoluble insoluble
MÉTODOS DE PREPARACIÓN: ALDEHIDOS. 1. Oxidación de Alcoholes Primarios: Dicromato de sodio con ácido sulfúrico, Permanganato medio ácido, anhídrido crómico en ácido sulfúrico. KMnO4 H 2 SO 4
R – CHO R – CH2OH
CH3-CH2-OH + KMnO4 + H2SO4 CH3-CHO + K 2SO4 + MnSO4 + H2O Los alcoholes primarios en presencia de agua oxidan a ácidos carboxílicos, lo que obliga a utilizar reactivos anhidros como el complejo de cromo con piridina en diclorometano.
Mecanismo:
Para obtener mejores rendimientos en los procesos de oxidación de alcoholes primarios se utiliza un complejo óxido crómico-piridina, el cuál no permite que el aldehído se oxide a CrO3.
N
2
ácido carboxílico. CH3CH2CH2OH
CrO3.
+
2
N CH 2Cl 2 25º C
CH3CH2CHO
Los alcoholes alílicos y bencílicos se transforman en aldehídos o cetonas por oxidación con dióxido de manganeso en acetona. Esta reacción tiene una elevada selectividad y no oxida alcoholes que no se encuentren en dichas posiciones .
2. Oxidación con ácido peryódico de glicoles. Los glicoles se pueden romper de forma oxidativa con ácido peryódico (HIO 4) para formar las correspondientes cetonas y aldehídos. Esta ruptura se puede combinar con la hidroxilación de alquenos por el tetraóxido de osmio o permanganato de osmio frío, utilización del reactivo de Bayer para dar el glicol y la ruptura del glicol con ácido peryódico.
CH3 CH CH CH 2CH3 OH OH
+
HIO4
→
CH3CHO
+
CH3CH2CHO
+
HIO3
3. Oxidación del Alquenos. R-CH=CH-R` + KMnO4(c) + H2SO4(c)
R-CHO + R`-CHO + -----
La ozonólisis se ha usado en la determinación de estructuras de compuestos insaturados, debido a que da resultado la degradación de moléculas grandes en fragmentos más pequeños fácilmente identificables. La ozonólisis consta de dos reacciones separadas: (1) oxidación del alqueno para dar un ozónido, y (2) oxidación o reducción del ozónido para dar los productos finales. CH3CH=CHCH2CH3
O3 Zn , H , H 2O
CH3CHO + CH3CH2CHO
La ozonólisis de alquenos cíclicos produce compuestos dicarbonílicos:
Los alquenos terminales rompen formando metanal, que separa fácilmente de la mezcla por su bajo punto de ebullición.
Los alquenos simétricos son muy efectivos en la síntesis de aldehídos y cetonas al generar un sólo producto final.
Los alquenos terminales generan como subproducto metanal, que separa fácilmente por su elevada volatilidad.
4. Hidratación de Alquinos aldehídos. Los alquinos reaccionan con ácido sulfúrico acuoso en presencia de un catalizador de mercurio para formar enoles. El enol isomeriza (tautomeriza) rápidamente en las condiciones de reacción para dar aldehídos o cetonas. –
Etapa 1. Adición electrófila. El protón se adiciona al triple enlace, uniéndose al carbono menos sustituido.
Etapa 2. El agua captura el carbocatión formado en el paso anterior.
Etapa 3. Desprotonación del agua, formándose el enol.
Etapa 4. Tautomería ceto-enol
También se puede utilizar como catalizadores Acetato mercúrico y NaBH4 H 2 SO 4 HgSO 4 H 2O 2
CH3-CH2-CH2-CCH + H2O CH3-CH2-CH2-CH2- CHO
5. Oxidación de los Metil Bencenos CH2Cl
2
+
CHO
CaCO3
→
+
2
CaCl2 + H2O
CHO
CH3
CrO3 H 2SO4
METODOS DE PREPARACIÓN DE CETONAS 6.
Oxidación de Alcoholes Secundarios R-CHOH-R`
KMnO4 H 2 SO 4
R-CO-R` + -----
Los alcoholes secundarios dan cetonas por oxidación. Se emplean como oxidantes permanganato, dicromato, trióxido de cromo.
La oxidación supone la pérdida de dos hidrógenos del alcohol. Los alcoholes terciarios no pueden oxidar puesto que carecen de hidrógeno sobre el carbono.
Los alcoholes alílicos y bencílicos se transforman en aldehídos o cetonas por oxidación con dióxido de manganeso en acetona. Esta reacción tiene una elevada selectividad y no oxida alcoholes que no se encuentren en dichas posiciones.
7.
Hidratación del Alquinos cetonas –
H 2 SO 4 HgSO4
CH3-CH2-CC-CH2-CH3 + H2O CH3-CH2-CO-CH2-CH2-CH3 Hidratación de alquinos, produce enoles que tautomerizan a compuestos carbonilos. Ésta hidratación puede ser Markovnikov utilizando agua, sulfúrico y sulfato de mercurio. La hidroboración-oxidación produce la adición anti-Markovnikov.
8.
Oxidación de Alquenos CH3 – C = C – CH3 + KMnO4 + H2 SO4 CH3 – CO – CH3 + K 2SO4 +MnSO4 + H2O l l CH3 CH3
9. Acilación de Friedel Crafts. Una de las modificaciones más importantes de la reacción de Friedel-Crafts utiliza los cloruros de ácido, en vez de los halogenuros de alquilo. Un grupo acilo, RCO-, se une a un anillo aromático para formar una cetona. El proceso se llama acilación. Como es usual en la reacción de Friedel-Crafts, el anillo aromático que sufre la sustitución debe ser, por lo menos, tan reactivo como el halobenceno; requiere la catálisis con cloruro de aluminio u otro ácido de Lewis. –
O Ar
H
+
R
C
AICI3
Ar
CI
C
R + HCI
O Una cetona
Un cloruro de ácido
El mecanismo más probable para la acilación de Friedel-Crafts es similar al del carbocatión para la alquilación de Friedel-Crafts, y comprende los pasos siguientes: (1)
RC O + AICI4-
RCOCI + AICI3
(2) ArH + RC
O
Ar
H COR
(3)
Ar
H COR
+ AICI4-
C R + HCI + AICI3
Ar
O
Esto concuerda con el esquema de la sustitución aromática electrofílica; esta vez es el ión acilo, R-C=O, el reactivo atacante. El ión acilo es considerablemente más estable que los carbocationes ordinarios, puesto que en él cada átomo tiene un octeto electrónico. También puede ser que el electrófilo sea un complejo entre el cloruro de ácido y el ácido de Lewis: R C
+ O AICI
3
CI
En este caso, y desde el punto de vista del cloruro de ácido, la reacción es una sustitución nuleofílica del arilo catalizada por ácidos, donde el anillo aromático actúa como nucleófilo. AlCl3
CH3-CH2-CO-Cl + CH3-CH3
CH3-CH2-CO- CH2-CH3 + HCl
AlCl3
CO-Cl
+ CH4
CH3CH2CH2CH2CH2CH2COCl
+
C6H5 CO
(CH3)2CuLi
→
CH3 + HCl
CH3(CH2)4COCH3
+
CH3 Cu + LiCl
Para planificar la síntesis de di aril cetonas, Ar-CO- Ar’, es muy importante elegir la combinación adecuada de Ar-COCl y Ar’-H. En la preparación de la mnitrobenzofenona, por ejemplo, puede estar presente el grupo nitro en el cloruro de ácido, pero no en el anillo que se somete a sustitución, ya que como grupo desactivante muy fuerte impide la reacción de Friedel-Crafts .
O2 N AICI3
C
Benceno O2 N
O m-Nitrobenzofenona
O2N COCI
PCI5
Cloruro de m-nitrobenzoilo
CH3
Acido m-nitrobenzoico HNO3, H2SO4 KMnO4
AICI3
O2N Nitrobenceno
+
COOH Acido benzoico
Tolueno No hay reacción
COOH
COCI Cloruro de benzoilo
La alquilación de Friedel-Crafts es uno de los principales métodos para preparar cetonas en las que el grupo carbonilo se encuentra unido al anillo aromático. Una vez formadas, estas cetonas pueden convertirse en alcoholes secundarios por reducción, en alcoholes terciarios por reacción con reactivos de Grignard y en muchos otros compuestos importantes, como veremos después.
10. Síntesis de cetonas a partir de cianuros. Un reactivo de Grignard u organolítico ataca al nitrilo para formar la sal magnésica de una imina. La hidrólisis ácida de la imina da lugar a la cetona.
REACCIONES QUÍMICAS 1.
F ormación de Cianohi dri nas
Estos compuestos orgánicos son importantes porque forman parte del mecanismo de defensa de ciertos animales, por ejemplo el milpiés o cochinilla de tierra lleva su propio generador de gas venenoso en forma de madelonitrilo, una cianohidrina almacenada en sus glándulas defensivas. OH I enzima C6H5 CH CN C6H5 CHO + HCN En plantas del género Prunus (ciruelos, cerezos y duraznos) las cianohidrinas se biosintetizan y almacenan como derivados de azúcares en las almendras de los huesos. Las cianohidrinas son intermediarios muy útiles en síntesis. Por ejemplo el grupo CN se puede hidrolizar a grupo carboxilo o se puede reducir a grupo – CH2 - NH2 M ecanismo de la reacción: El mecanismo de la reacción transcurre en dos etapas:
Etapa 1. Los iones cianuro actúan como nucleófilos atacando al carbono carbonilo. El ácido cianhídrico es demasiado débil para generar cantidades importantes de cianuro, por ello, se añade cianuro de sodio o potasio al medio, garantizando la cantidad suficiente de cianuro para que la reacción transcurra en buen rendimiento.
Etapa 2. En este paso el ión alcóxido [4] se protona arrancando hidrógenos al ácido Cianhídrico. En esta etapa se regeneran los iones cianuro.
Reaccion es quími cas de las cianohidr inas.
a) Obtenci ón de ácidos car boxílicos . OH OH I I ÁCIDO CH3 - C - CN + 2H2O CH3 - C - COOH I I CH3 CH3 b) Obtención de aminas . CH3 – CH OH – CN + 2H2
Pd T 10 0C P 1a10 ATM
+ NH3
CH3 – CH OH – CH2 NH2 1-amino-2-propanol
a) Obtención de α- amino ácidos. Cuando se usa NH 4 CN, el producto de hidrólisis resultante es un aminoácido. O ll CH3- C-H + NH4CN + H2O 2.
ACIDO
CH3 – CH – COOH + NH3 l NH2
F ormación de Acetales y H emi acetales.
Los compuestos llamados hemiacetales y acetales se forman reaccionando los aldehídos y cetonas con alcoholes en presencia de HCl anhidro. CH3 – CHO + CH3OH CH3 – CH – OCH3 Hemiacetal I OH M ecanismo de la r eacción de for mación del hemiacetal:
Etapa 1. Protonación del oxígeno carbonílico.
Etapa 2. Ataque nucleófilo del metanol al carbonilo protonado.
Etapa 3. Desprotonación del hemiacetal
F ormación del acetal
CH3 – CH – OCH3 + I OH
CH3OH
CH3 – CH – OCH3
M ecanismo para la formación de acetales
Etapa 1. Protonación del grupo hidroxilo
Etapa 2. Pérdida de agua.
Etapa 3. Ataque del alcohol al carbocatión.
I OCH3
+ H2O
Etapa 4. Desprotonación del acetal
Algunos azúcares como glucosa, ribosa y fructosa, existen en la naturaleza como Hemiacetales cíclicos. F or mación de acetales cíclicos.
Los 1,2- y 1,3-dioles reaccionan con aldehídos y cetonas formando acetales cíclicos. Los equilibrios se desplazan hacia el producto final eliminando el agua formada por destilación azeotrópica con benceno o tolueno.
M ecani smo de r eacción.
Etapa 1. Protonación del carbonilo
Etapa 2. Ataque nucleófilo del diol al carbonilo.
Etapa 3. Equilibrio ácido base entre el éter y el alcohol
Etapa4. Perdida de agua
Etapa 5. Ciclación
Etapa 6. Desprotonación del acetal cíclico
Acetales como productos protectores. Los acetales pueden emplearse, por su
estabilidad, como grupos protectores del carbonilo. El acetal es un éter, muy estable en medios básicos, aunque rompe en presencia de medios ácidos. En muchos procesos de síntesis el grupo carbonilo es incompatible con el reactivo utilizado. En estos casos debe protegerse para evitar que reaccione. La inestabilidad del acetal en medio ácido puede emplearse para desproteger el carbonilo. Ejemplo:
Esta transformación requiere una sustitución, empleando como nucleófilo un acetiluro de sodio. El nucleófilo puede atacar también al grupo carbonilo, para evitar se debe protegerlo.
[1] Protección de la cetona. [2] Ataque del acetiluro al carbono del bromo. [3] Desprotección del carbonilo. Segundo ejemplo:
Es necesario proteger la cetona antes de formar el organometálico para evitar la dimerización del compuesto.
[1]Protección de la cetona. [2] Formación del magnesiano. [3] Apertura del oxaciclopropano. [4] Desprotección y protonación del alcóxido. Para productos cetónicos, se utilizan los términos hemicetal y cetal.
3.
Reacción con el agua. El agua puede añadirse al grupo carbonilo para dar un 1,1diol, llamado gem-diol o hidrato.
Se conocen hidratos estables, pero son la excepción más que la regla. El hidrato de un cloral (un hipnótico) es un ejemplo de un hidrato estable. La formalina también contiene un hidrato estable del formaldehído. O CCl 3 - C - H
+ H2O
Cloral
Hidrato de cloral
O H-C - H
Metanal
OH CCl 3 - C - C - H OH
OH + H2O
H - C H- OH
Formalina
Tanto el metanal como el cloral son más reactivos que muchos otros aldehídos y cetonas debido a la gran cantidad de carga positiva sobre el carbono carbonílico.
M ecani smo de la reacción.
Etapa 1. La primera y más rápida consiste en la protonación del oxígeno carbonílico. Esta protonación produce un aumento de la polaridad sobre el carbono y favorece el ataque del nucleófilo. Protonación del oxígeno carbonílico.
Etapa 2. Ataque nucleófilo del agua al carbonilo protonado. Etapa lenta.
Etapa 3. Desprotonación del hidrato. Formación del hidrato.
Desplazamiento de los equilibrios. Las hidrataciones de aldehídos y cetonas son reversibles. El equilibrio se encuentra desplazado hacia la derecha en el caso de los aldehídos y hacia la izquierda en el de las cetonas. Esto se explica por la diferencia de reactividad ya que los aldehídos son más reactivos que las cetonas, debido a la cesión de carga por parte de las cadenas hacia el grupo carbonilo que disminuye su reactividad. 4. Condensación Aldólica. Compuesto - hidroxí aldehído. Una reacción de condensación es aquella en que dos o más moléculas se combinan dando una molécula mayor con o sin pérdida de otra molécula pequeña. El aldehído inicial debe tener un hidrógeno α unido al grupo carbonilo para que pueda formar el ión enolato en medio
básico. CH3 – C HO + CH2 – C HO NaOH CH3 – CH – CH2 – CHO I I H OH O O C-H + CH 3-C - CH3
Benzanal
Acetona
O OH CHCH2C CH3
4-fenil-4-hidroxi-butanona
Una importante reacción reversible de condensación de aldol en sistemas biológicos es la rotura reversible del difosfato de fructosa catalizado por la enzima ALDOLASA.
Aldehídos y cetonas [1] condensan en medios básicos formando aldoles [2]. Esta reacción se denomina condensación Aldólica.
El aldol [2] formado deshidrata en el medio básico por calentamiento para formar un α,β-insaturado [3].
El mecanismo de la condensación Aldólica transcurre con formación de un enolato, que ataca al carbonilo de otra molécula. En esta condensación se forma un enlace carbonocarbono entre el carbonilo de una molécula y el carbono α de la otra.
Etapa 1. Formación del enolato.
La base desprotona el carbono alfa del etanal [1] generando el enolato [4] estabilizado por resonancia.
Etapa 2. Ataque nucleófilo del enolato sobre el carbonilo.
Etapa 3. Protonación del alcóxido
Etapa 4. Deshidratación del aldol
1. Reacción de Cannizzaro. Un aldehído sin hidrógenos α no puede auto-adicionarse para dar un producto aldólico. Si un aldehído sin hidrógenos α se calienta con solución de hidróxido de sodio caliente,
se produce una reacción de desproporción en la cual la mitad de las moléculas del aldehído se oxida a ácido carboxílico y la otra mitad se reduce a un alcohol. 2
O
O
C-H
C-O +
CH2OH
2. Reducción CH3 – CO - CH3 + LiAlH4 + H2O
ETER
CH3 – CHOH - CH3
En la utilización de glucógeno por el cuerpo, y la conversión de glucógeno en energía, la reducción de ácido pirúvico en ácido láctico es una de las etapas importantes. CH3 – CO – COOH
HIDROGENAC ION LACTICA
O
CH3 – CHOH – COOH OH
3. Reducción de compuestos Carbonilo.- La reducción de aldehídos y cetonas puede originar dos tipos diferentes de productos, según el reactivo utilizado. Clemensen - C=O
+ ZnHg + 4HCl -CH2- + ZnCl2 + HgCl2 + H2O
Wolff-Kishner. En esta reacción, el aldehído o cetona se transforma primero en una hidrazona por reacción con la hidrazina. La hidrazona resultante se trata con una base fuerte, tal como t-butóxido de potasio en dimetil-sulfóxido como disolvente, o se puede utilizar directamente soluciones concentradas de hidróxido de sodio con calor.
Formación de Tioacetales. Método para obtener alcanos en medio neutros. CH 3
S
O + HS-CH 2-CH2-HS
CH3 S
HCl
+ H2O
Tiocetal de 3-metil Ciclo hexanona
S CH3 S
+ 2Ni(RANEV)
ETANOL NEUTRAS
CH3
+ 2NiS + CHᴟCH
4. Oxidación de aldehídos. Los aldehídos oxidan fácilmente y se convierten en el ácido carboxílico respectivo, en contraste con las cetonas que son difíciles de oxidar, en presencia de los agentes oxidantes habituales de gran poder como el permanganato de potasio, dicromato de potasio y otros. La reacción global de oxidación de un aldehído es la siguiente: CH3 CH2 CHO
+ KMnO4 + H2SO4 CH3 CH2 COOH
+ -------
Reacción de Tollens. El reactivo de Tollens, el agente de oxidación suave usado en esta prueba, es una solución alcalina de nitrato de plata, es transparente e incolora. Para evitar la precipitación de iones de plata como oxido de plata a un pH alto, se agregan
unas gotas de una solución de amoniaco, que forma con los iones plata un complejo soluble en agua:
Al oxidar un aldehído con el reactivo de Tollens, se produce el correspondiente ácido carboxílico y los iones plata se reducen simultáneamente a plata metálica. Por ejemplo, el acetaldehído produce ácido acético, la plata suele depositarse formando un espejo en la superficie interna del recipiente de reacción. La aparición de un espejo de plata es una prueba positiva de un aldehído. Si se trata el acetaldehído con el reactivo de Tollens, la reacción es la siguiente:
El aldehído se oxida a ácido carboxílico; es un agente reductor. Los iones de plata se reducen a plata metálica; son agentes oxidantes. El plateado de espejos se suele hacer con el reactivo de Tollens. En el procedimiento comercial se utiliza glucosa o formaldehído como agente reductor. CH3 CH2 CHO
+ 2 Ag(NH 3)+2 CH3 CH2 COO NH4 + 2Ag + 3NH3 Incolora
Reacción de Fehling. El reactivo de Fehling permite determinar la presencia de aldehídos en una muestra desconocida. Se prepara de tal manera que es una mezcla de color azul que al añadirla a una muestra desconocida oxida a los grupos aldehídos y como resultado positivo de la prueba se observa un precipitado de color rojo ladrillo de óxido cuproso. El reactivo de Fehling consta de dos soluciones A y B que se mezclan en partes iguales en el momento de usarse. La solución A es sulfato cúprico pentahidratado, mientras que la solución B es de tartrato doble de sodio y potasio e hidróxido de sodio en agua. Cuando se mezclan las dos soluciones, se obtiene un complejo cúprico tartárico en medio alcalino, de color azul, de la siguiente manera: CH3 CH2 CHO
+ 2Cu+2 + 5OH- CH3 CH2 COO- + Cu2O + 3H2O Azul Rojo
5. Oxidación de Cetonas. KMn O4 HNO3 Na OH
CH3 – CH2 – CO – CH2 – CH3 CH3 – CH2 – COOH + CH3 – COOH + .
Prueba del haloformo O R-C-CH3 + I2 NaOH
CHI3
O + R -C-O-Na
CH3 - CO – CH3 + 3I2 + 4 NaOH → CH3 - COONa + CHI3 + 3 NaI + 3 H 2O
6. Reacción con amoníaco y aminas. A)Iminas. El amoníaco es un agente nucleofílico, y al igual que otros nucleofílos, ataca al carbono carbonílico de aldehídos y cetonas, la reacción se cataliza por trazas de ácidos. O
OH
R-C - H + H - NH2
R - CH - NH2
RCH=NH + H2O
Las iminas no sustituidas formadas a partir de amoniaco son inestables y se polimerizan cuando se dejan en reposo. Sin embargo, si en lugar de amoníaco se utiliza una amina primaria se forma una imina más estable (llamada a veces base de Schiff). CH3 CO CH 3 + H2NCH3
CH3 C = N CH3 + H2O CH3
O CH 3-C-CH2-CH3 + NH 3
N CH 3-C-CH2-CH3
La reacción de aldehídos o cetonas [1] con aminas primarias genera iminas [2]. La reacción se favorece en un medio ligeramente ácido (pH=4.5).
El control del pH es fundamental, puesto que se requiere la protonación del oxígeno del carbonilo para favorecer el ataque nucleófilo.
Mecanismo: Etapa 1. Protonación del grupo carbonilo que aumenta la polaridad positiva sobre el carbono y favorece el ataque nucleófilo.
Etapa 2. Ataque nucleófilo de la amina primaria al carbono carbonilo.
Etapa 3. Protonación del grupo hidroxilo para transformarlo en buen grupo saliente.
Etapa 4. Perdida de agua y formación de la imina protonada.
Etapa 5. Desprotonación del catión.
Formación de iminas cíclicas Las moléculas que contienen aminas primarias y carbonilos producen aminas cíclicas en medios ligeramente ácidos.
Isomería de las iminas Los aldehídos y cetonas asimétricas producen iminas isómeras, siendo mayoritario el isómero que presente menos repulsiones entre grupos.
B)
Formación de oximas O CH3-C-H + NH2OH
CH3-CH=N-OH + H2O Oxima de etanal
Las oximas [3] se obtienen por reacción de aldehídos o cetonas [1] e hidroxilamina [2] en un medio débilmente ácido. El mecanismo es análogo al de formación de iminas.
Las oximas de aldehídos y cetonas asimétricos presentan isomería Z/E dependiendo de la posición del grupo hidroxilo.
Mecanismo: Etapa 1. Protonación del carbonilo
Etapa 2. Ataque nucleófilo
Etapa 3. Equilibrio ácido-base
Etapa 4. Pérdida de agua
Etapa 5. Desprotonación del catión imonio
El mecanismo de esta reacción es idéntico a la formación de iminas, que vimos en el punto anterior.
C) Formación de semicarbazonas. O
O
C-H + H 2N-NH-C-NH 2 Semicarbazona
O CH=N-NH-C-NH 2 + H 2O Semicarbazona de benzanal
Las semicarbazonas [3] se obtienen por reacción de aldehídos o cetonas [1] con semicarbazida [2]. Veamos un ejemplo:
El mecanismo es análogo al de formación de iminas, oximas.
D) Formación de hidrazonas . Las hidrazonas [3] se obtienen por reacción de aldehídos o cetonas [1] con hidrazina [2]. Igual que en el caso de las iminas y oximas requiere pH=4.
El mecanismo es análogo al de formación de iminas.
Mecanismo: Etapa 1. Protonación del carbonilo
Etapa 2. Ataque nucleófilo
Etapa 3. Equilibrio ácido-base
Etapa 4. Pérdida de agua
Etapa 5. Desprotonación
E) Formación de azinas . La hidrazina [2] reacciona con dos moléculas de aldehído [1] para formar azinas [3].
El mecanismo es análogo al de formación de iminas, oximas e hidrazonas.
F)
Ensayo de la 2,4-Dinitrofenilhidrazina NO2
O
CH2-CH3
CH3-C-CH2-CH3 + H2N-NH-
NO2
CH3-C=N-NHNO2
, dinitrofenilhidrazina
24
+ H2O NO2
, dinitrofenilhidrazona de butanona
24
Se trata de un ensayo analítico específico de aldehídos y cetonas. Los carbonilos [1] reaccionan con 2,4-Dinitrofenilhidrazina [2] formando fenilhidrazonas [3] que precipitan de color amarillo. La aparición de precipitado es un indicador de la presencia de carbonilos en el medio.
El mecanismo de la reacción es análogo al de formación de iminas.
7. Transaminación biológica. La iminas son intermediarias importantes en la biosíntesis de α-aminoácidos, que se emplean en el organismo para la síntesis de proteínas. Si la dieta no contiene las proporciones requeridas de los aminoácidos necesarios, en algunos casos el organismo convierte un aminoácido no necesario en otro necesario por una reacción de transaminación. El proceso involucra la transferencia de un grupo amino del aminoácido no necesario a un cetoácido. CO 2H
CO2H
CO 2H
H 2N - C - H + C = O R
R´
C=O + enzimas transa min asas
R
CO2H H 2N - C - H R´
8. Enaminas Los aldehídos y cetonas reaccionan con aminas primarias para dar iminas. Con aminas secundarias, dichos compuestos carbonílicos conducen a iones iminio, que
posteriormente reaccionan para dar enaminas (vinil-aminas). La enamina se forma por perdida de un protón del átomo de carbono β respecto al nitrógeno, con la consecuente formación de un doble enlace entre los átomos α y β. H
O CH 3 - C - H + (CH3) 2NH
CH2 - CH = N(CH 3)2 + H2O
↔
CH2 = CH N(CH3)2
Mecanismo de formación de enaminas. Después del ataque inicial de la amina secundaria al carbonilo, se elimina agua formándose el doble enlace entre el carbono carbonilo y el alfa del carbonilo de partida.
Etapa 1. Protonación del carbonilo
Etapa 2. Ataque nucleófilo de la amina secundaria
Etapa 3. Equilibrio ácido-base
Etapa 4. Pérdida de agua
Etapa 5. Eliminación
Los impedimentos estéricos hacen que las enaminas menos sustituidas sean las más estables
EJERCICIO
9. Aminación reductiva O CH3-C-CH3 + NH2-CH3 + H2
10. Reacción con reactivos de Grignard
Ni T 10 0º C
O H - C - H + CH 3 - MgCl + H 2O
CH3-CH2OH + Mg(OH)Cl
ÉTER
OH
O CH 3 - C - H + CH 3 - Mg Cl + H 2O
ÉTER
CH 3 - CH - CH 3 + Mg(OH)Cl OH
O
CH 3 - C - CH 3 + Mg(OH)Cl
CH 3 - C - CH3 + CH 3 MgCl + H 2O
ÉTER
CH 3
11. Reacción de Wittig. Se puede obtener alquenos puros con estructura conocida. Preparación de los il ur os
(C6H5)3P + CH3-Br
NaH THF
CH3-CH2-CHO + (C6H5)3P-CH2CH3-Br
(C6H5)3P-CH3-Br NaH THF
CH3-CH2-CH=CH-CH3 + (C6H5)3P=O + HBr
La reacción de Wittig emplea iluros de fósforo [2] para transformar aldehídos y cetonas [1] en alquenos [3]. Como subproducto se obtiene el óxido de trifenilfosfina [4].
En el mecanismo de la reacción el iluro y el carbonilo se combinan para formar un oxafosfetano que rompe dejando libre el alqueno final.
Etapa 1. El etanal y el iluro se combinan formando el fosfetano.
Etapa 2. El fosfetano rompe formando el alqueno y oxido de trifenilfosfina.
Los iluros de fósforo se preparan mediante reacción de halo alcanos y trifenilfosfina, seguido de desprotonación del carbono con base fuerte (organometálicos de litio).
EJERCICIO.
12. Oxidación de Baeyer Villiger. La reacción de cetonas [1] con peroxoácidos [2] produce esteres [3]. El oxígeno del peroxoácido se inserta entre el carbono carbonilo y el carbono alfa de la cetona. Esta reacción fue descrita por Adolf von Baeyer y Víctor Villiger in 1899.
A partir de cetonas cíclicas se obtienen esteres cíclicos (lactonas).
El mecanismo de Baeyer Villiger comienza con el ataque nucleófilo del peroxoácido sobre el carbonilo, seguido de la migración del sustituyente desde el grupo carbonilo al oxígeno del peroxoácido.
Etapa 1. Adición del peroxoácido al carbonilo.
Etapa 2. Migración del sustituyente desde carbono carbonilo hacia el oxígeno (rojo)
Cuando la cetona tiene dos sustituyentes diferentes migra mejor el más sustituido. Existe un orden de migración que nos ayuda a decidir que sustituyente pasa a unirse al oxígeno del peroxoácido. Orden de mi gración : H > carbono terciario > ciclohexilo > carbono secundario » fenilo
> carbono primario > metilo.
Como puede observarse en el orden de migración, el grupo que mejor migra, por su pequeño tamaño, es el hidrógeno, por ello, al tratar aldehídos con peroxoácidos se produce la migración del hidrógeno formándose ácidos carboxílicos.
El MCPBA (Ácido meta-cloroperoxibenzoico) es un peroxoácido ampliamente utilizado en la epoxidación de alquenos y también en Baeyer-Villiger. La fórmula del MCPBA se muestra a continuación.
Ejercicios de recapitulación a. Escribir el mecanismo para la formación el acetal entre etanal y 1,2-propanodiol. SOLUCIÓN:
b. A continuación se dan nombres comunes y las fórmulas estructurales de algunos compuestos carbonílicos. Indique el nombre correspondiente según la IUPAC.
c. En un experimento de laboratorio se había propuesto la preparación de pentanodial por oxidación de 5-hidroxipentanal con clorocromato de piridinio (PCC) en diclorometano. El producto que se obtuvo en el experimento no fue el propuesto sino γ-valerolactona (oxaciclohexan-2-ona). Explicar el resultado proponiendo un mecanismo que lo justifique. SOLUCIÓN:
