Aldehidos y Cetonas Reacciones de Adicion Nucleofilica

UNIVERSIDAD DEL VALLE VICERRECTORIA ACADMICA DIRECCIN DE EDUCACIN DESESCOLARIZADA

CURSO DE

QUMICA ORGNICA GENERAL

AUTORA: LUZ MARINA JARAMILLO PhD Profesora Titular Facultad de Ciencias - Departamento de Qumica

Santiago de Cali, 2002

Luz Marina Jaramillo Ph. D. Depto. de Qumica

ALDEHIDOS Y CETONAS: REACCIONES DE ADICIN NUCLEOFILICA

INTRODUCCION OBJETIVOS ESPECFICOS 6.1 EL GRUPO CARBONILO Y RASGOS ESTRUCTURALES DE ALDEHIDOS Y CETONAS 6.2 6.3 PROPIEDADES FSICAS REACCIONES DE ADICIN NUCLEOFILICA EN EL GRUPO CARBONILO 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.4 Adicin de Agua Adicin de Alcoholes: Acetales y Cetales Adicin de Acido Cianhdrico Adicin de Amonaco, Aminas Primarias y otros derivados de Amonaco 6.3.4.1 6.3.4.2 6.3.4.3 6.3.5 6.3.6 6.4 6.5 Iminas Transaminacin Biolgica Hidrazonas, Fenil hidrazonas, Oximas, Semicarbazonas Adicin de Reactivos de Grignard Reduccin: Adicin de Hidrgeno OXIDACIN REACTIVIDAD DE LOS HIDRGENOS ALFA EN ALDEHIDOS Y CETONAS 6.5.1 Tautomera Ceto-Enlica


6.5.2 6.5.3

Halogenacin Alfa. Reaccin Halofrmica Condensacin Aldlica: Adicin de Iones Enolato o Aldehdos y Cetonas

6.6

PRUEBAS QUMICAS PARA RECONOCIMIENTO DE ALDEHIDOS Y CETONAS


INTRODUCCIN

Los aldehdos y

las cetonas son compuestos de importancia extraordinaria.

Algunos como

la bien

conocida

acetona

o la etil metiIcetona Las soluciones

se utilizan en gran escala como disolvente. animales para su estudio biolgico.

acuosas concentradas de formaldehdo (HCHO) se utilizan para preservar tejidos Productos naturales complejos como los carbohidratos contienen el grupo carbonilo junto con grupos hidroxilo. Tambin varias hormonas esferoidales contienen la funcin carbonilo junto a otros grupos funcionales. El grupo carbonilo (C=O) que caracteriza la familia de los aldehdos y es insaturado adems de polar y cetonas

sus reacciones pueden entenderse fcilmente

con las teoras electrnicas que se han introducido en los captulos precedentes. Una de las reacciones mas importantes sobre el grupo carbonilo de los aldehdos y cetonas es la llamada adicin nucleoflica al doble enlace carbono-oxigeno. Veremos cmo estas reacciones de adicin constituyen la base de una gran variedad de procesos para obtencin de diversos compuestos orgnicos as como numerosos ejemplos importantes de mecanismos de reaccin. Se ha llegado a decir que la qumica de los compuestos carbonilo es virtualmente, la espina dorsal de la qumica orgnica sinttica.


OBJETIVOS ESPECFICOS

Al finalizar el estudio de este material el estudiante estar en capacidad de: 6.1 6.2 6.3 Describir en general, el comportamiento fsico de aldehdos y cetonas. Explicar el mecanismo general de adicin nucleof1ica. Escribir ecuaciones qumicas para ilustrar las reacciones de adicin de H2O, alcoholes, cido cianhdrico, derivados del amonaco y reactivos de Grignard. 6.4 6.5 Explicar el comportamiento cido de los hidrgenos carbonilo. , escribir la

Dada la estructura de un aldehdo o cetona con hidrgeno

estructura del producto de condensacin aldlica bajo tratamiento con solucin diluida de hidrxido de sodio. 6.6 Explicar con ecuaciones qumicas las etapas en el mecanismo de la condensacin aldlica. 6.7 Dada la estructura de un determinado aldehdo o cetona y condiciones especificas de reaccin, escribir la estructura del producto o productos que se forman. 6.8 Describir cuatro propiedades comunes a aldehdos y cetonas, cuatro propiedades qumicas particulares para aldehdos y cuatro para cetonas.


6.9 6.10

Definir

reaccin

estereoespecfica y reaccin estereoselectiva.

Explicar y representar con ecuaciones qumicas las pruebas qumicas que permiten diferenciar aldehdos de cetonas y aldehdos y cetonas de otros compuestos orgnicos.


DESARROLLO DEL CONTENIDO

6.1 EL GRUPO CARBONILO Y RASGOS ESTRUCTURALES DE ALDEHIDOS Y CETONAS Los aldehdos y cetonas son slo dos de las muchas clases de compuestos orgnicos que contienen un agrupamiento qumico de extrema importancia, el doble enlace

carbono-oxigeno,

grupo carbonilo.

El carbono carbonlico de un aldehdo est unido a un hidrgeno y a un grupo alquilo (o arilo), resultando las frmulas generales:

Una cetona contiene dos grupos alquilo (o arilo) unidos al carbono carbonlico:

Cetona aliftica

Cetonas aromticas

El grupo carbonilo est formado por un tomo de carbono con hibridacin sp2 , unido a un tomo de oxgeno mediante un enlace (sigma) y otro (pi) . (Ver Figura 1.14 para

la representacin de los orbitales). Los enlaces

del grupo

7Luz Marina Jaramillo Ph. D. Depto. de Qumica

carbonilo estn situados en un plano formando ngulos de enlace de aproximadamente 120 alrededor del carbono con hibridacin sp2 (Figura 6.1) .

Figura 6.1 Estructura del Grupo Carbonilo

El grupo carbonilo es polar: el carbono tiene una carga positiva parcial bastante pronunciada, debido a que los electrones que forman el enlace , y especialmente los que constituyen el enlace estn desplazados hacia el tomo de oxgeno que

es mas electronegativo que el carbono y entonces resulta con una carga negativa parcial. Adems el tomo de oxgeno tiene dos pares de electrones no compartidos.

Todos estos hechos estructurales (coplanaridad, enlaceelectrones As, un

,

polaridad

y

no-compartidos) contribuyen a la reactividad del grupo carbonilo. compuesto carbonlico puede ser atacado indistintamente por un agente

electrofIico o nucleofIico.


Muchas reacciones del grupo carbonilo implican una protonacin inicial del tomo de oxigeno. Esta protonacin conduce a un aumento de la carga positiva

Estructuras resonantes sobre carbono carbonlico, de tal forma que dicho tomo es atacado mas fcilmente por agentes nucleoflicos dbiles.

6.2 PROPIEDADES FSICAS

Ya que el grupo carbonilo es polar se originan atracciones intermoleculares dipolodipolo, lo cual se traduce en que los aldehdos y cetonas tengan puntos de ebullicin ms altos que los hidrocarburos del mismo peso molecular. Sin embargo, puesto que los aldehdos y las cetonas no pueden formar enlaces de hidrgeno fuertes entre s, sus puntos de ebullicin son menores que los de los alcoholes correspondientes.

El oxigeno de carbonilo permite que los aldehdos y cetonas formen fuertes enlaces de hidrgeno con el agua. Por tanto varios aldehdos y cetonas de bajo peso molecular presentan una apreciable solubilidad en agua. Es as como la acetona y el9Luz Marina Jaramillo Ph. D. Depto. de Qumica

acetaldehdo son solubles en agua en todas las proporciones. La Tabla 6.1 indica las propiedades fsicas de varios aldehdos y cetonas seleccionados. Los aldehdos de peso molecular bajo tienen olores irritantes, pero los compuestos de peso molecular alto especialmente aldehdos aromticos de fuentes naturales tienen olores muy agradables.

Benzaldehdo (de las almendras amargas)

vainillina (de la vainilla)

Salicilaldehdo

Cinamaldehdo (canela)

Piperonal

Varias cetonas extradas de fuentes naturales tambin tienen olores agradables. Tales aromas los hace provechosos al campo de la perfumera y como agentes que dan sabor. Por ejemplo la civetona y la muscona son cetonas cclicas de anillos grandes, empleados en fabricacin de perfumes.


Tabla 6.1 Propiedades Fsicas de algunos Aldehdos y Cetonas


Tabla 6.1 Propiedades Fsicas de algunos Aldehdos y

Cetonas (Continuacin)


La -ionona es una esencia fragante responsable del olor de las violetas.

-Ionona El aldehdo citral (un monoterpeno) se encuentra en los aceites de los frutos

ctricos.

6.3 REACCIONES DE ADICIN NUCLEOFILICA EN EL GRUPO CARBONILO

La concentracin polarizados

de carga positiva sobre el carbono del

grupo carbonilo

lo convierte en un centro electrofIico apto para ser atacado por

reactivos nucleofIicos (ricos en electrones o bases de Lewis), de all que la reaccin caracterstica de los aldehdos y cetonas es la Adicin Nucleoflica. 13


Un primer mecanismo general se d cuando el nuclefilo es fuerte:

(R puede ser H)

Intermediario tetrahdrico

En este tipo de adicin el nuclefilo utiliza su par de electrones para formar un enlace al carbono del carbonilo. A medida que esto sucede uno de los pares de electrones del enlace carbono-oxigeno se desplaza hacia el oxigeno y el mas apretada que la estado de hibridacin del carbono cambia de sp2 -----> sp3. Se forma entonces, un intermediario tetrahedral cuya geometra es geometra trigonal del sustrato original. La fuerza directriz que permite esta etapa es la tendencia del oxgeno a adquirir electrones o su capacidad para soportar una carga negativa. En la segunda etapa, el oxgeno se asocia con un electrfilo (por lo general un protn). Un sequndo mecanismo general que opera en las adiciones nucleoflicas al grupo carbonilo es el catalizado por cidos:


Este mecanismo se presenta cuando los aldehdos o cetonas se tratan con reactivos que son cidos fuertes pero nuclefilos dbiles. En la primera etapa (1) un protn (o cido de Lewis) se asocia con el oxgeno del carbonilo debilitando el enlace entre carbonooxgeno y facilitando an mas el ataque al carbono

electroflico del carbonilo por el nuclefilo que puede ser una especie neutra. En la segunda etapa (2) el nuclefilo ataca rpidamente al carbono que tiene ahora, mas concentrada la carga positiva. Por lo general, los aldehdos sufren la adicin nucleoflica con mayor facilidad que las cetonas. Esta diferencia puede atribuirse en parte, a la magnitud de la carga positiva sobre el carbono carbonlico y al grado de aglomeracin de los grupos en el estado de transicin, lo que a su vez depende de factores electrnicos y estricos . Los aldehdos tienen solamente un grupo alquilo o arilo unido al carbono carbonilo por tanto resisten mayor aglomeracin en el estado de transicin. Por otro lado, una cetona con dos grupos alquilo o arilo tiene mas impedimento estrico y al mismo tiempo tiene la carga positiva sobre el carbono mas estabilizada por los sustituyentes alquilo o arilo. Ambos efectos se refuerzan y la cetona resulta menos reactiva. En general el orden de reactividad puede expresarse como:


El formaldehdo, que no tiene grupos alquilo, es el mas reactivo de todos los aldehdos y cetonas.

Ejercicio 6.1

Coloque los siguientes aldehdos en orden creciente de reactividad: CH2CHO, ClCH2CHO, Cl2CH2CHO y Solucin: El cloro siendo un tomo electronegativo incrementa la carga positiva en el carbono carbonilo. Por consiguiente lo hace mas reactivo a medida que aumenta el nmero de tomos de cloro unidos al carbono CH3CHO < ClCH2CHO < (carbono adyacente al carbonilo). Cl3CCHO.

CI2CHCHO < Cl3CCHO

Incremento de reactividad

Ejercicio 6.2

Coloque las siguientes cetonas en orden creciente de reactividad:


Solucin: En este caso ser mas fcil tener en cuenta los factores estricos ya que en todas las cetonas la contribucin de los dos grupos alquilo a la dispersin (o estabilizacin) de la carga positiva es mas o menos comparable. Por el contrario la diferencia en el volumen de los grupos alquilo sustituyentes si incide efectivamente en la reactividad. De all el siguiente orden correcto de reactividad decreciente: O O O O ll II II II CH3CCH3 > CH3CCH2CH3 > (CH3) 2CH-C-CH3 > (CH3) 3C-C-CH3 Decrecimiento en la reactividad

Entre los reactivos que pueden adicionarse al grupo carbonilo encontramos: H20, alcoholes, cido cianhdrico, derivados de amonaco, etc. para formar respectivamente: hidratos, acetales y cetales, cianhidrinas, iminas, enaminas, fenilhidrazonas, semicarbazonas, etc.

6.3.1 Adicin de Agua - Formacin de Hidratos

El H2O se adiciona en forma reversible a los aldehdos formando hidratos. La cantidad hidratada de formaldehdo en solucin acuosa es elevada. No obstante la mayora de los aldehdos de peso molecular mas alto no forman hidratos apreciablemente. Desde luego, los hidratos (dioles geminales), son muy inestables y difciles de purificar.

17


Una

de

las excepciones

es

el hidrato

de

cloral

formando a partir del

tricloroacetaldehdo (un aldehdo muy reactivo)

el cual es un compuesto estable que se usa como narctico e hipntico.

6.3.2

Adicin de Alcoholes:

Acetales y Cetales

La adicin de un mol de alcohol en presencia de un catalizador cido, a un aldehdo o cetona forma hemiacetales o hemicetales respectivamente.

La mayora de estos compuestos (especialmente si son de cadena abierta) no son suficientemente estables para ser aislados. De tal manera que la reaccin contina con otra molcula de alcohol, la cual desplaza una molcula de agua del hemiacetal y hemicetal18


para producir gem-diteres conocidos como acetales o cetales.

Las ce tonas en su mayora no experimentan fcilmente esta reaccin. Mecanismo General La formacin de un acetal o cetal implica una serie de equilibrios alcohol o el

y para obtener

buenos rendimientos es preciso usar un exceso del Generalmente se usa HCI (conc.)

compuesto carbonilo.

o se burbujea HCI

gaseoso a travs de la solucin alcohlica del aldehdo.

19


Los acetales se parecen a los teres en su reactividad. Son estables en medio bsico pero reaccionan con los cidos (reaccin de hidrlisis), aldehdo. As: regenerando el alcohol y el

La formacin de cetales no se favorece cuando las cetonas se tratan con alcoholes simples y HCl gaseoso. Sin embargo, cuando se trata con un exceso de etilenglicol (1,2etanodiol) y una pequesima cantidad de cido se favorece la formacin de cetales cclicos.

Tambin los aldehdos producen fcilmente acetales cclicos con etilenglicol. La formacin de acetales (y especialmente los cclicos) se emplean con frecuencia en qumica preparativa como grupos protectores.

Un grupo protector es una agrupacin molecular cuya misin es la de proteger de una determinada reaccin a un grupo funcional, mientras que dicha reaccin tiene lugar en otra parte de la molcula.

El grupo protector debe ser inerte a la mencionada reaccin, pero 20


debe ser fcilmente eliminable. Es por ello que los acetales y cetales resultan buenos grupos protectores cuando se requiere hacer reacciones (en medio bsico) sobre otros grupos funcionales en la molcula. Si se desea por ejemplo obtener 2,3-dihidroxipropanal (gliceraldehdo) a partir de propenal (acrolena) por oxidacin del doble enlace con solucin acuosa alcalina fra de permanganato, existe el peligro de oxidacin del grupo aldehdo al carboxilato. Por tanto es necesario proteger el grupo carbonilo. Veamos: Proteccin:

Acrolena Oxidacin del doble enlace y regeneracin del grupo aldehdo:

Gliceraldehdo Como ya se mencion, la mayora de los hemiacetales son bastante inestables para ser aislados y, en general, el equilibrio entre un aldehdo, un hemiacetal y un acetal generalmente se desplaza hacia la forma aldehdo. Existe una excepcin importante a esta regla general. Una molcula que tiene un grupo OH en posicin o (posiciones relativas 1,4 1,5) respecto a un grupo

21


carbonilo aldehdico o cetnico, puede experimentar una reaccin intramolecular para formar un anillo hemiacetlico de cinco o seis miembros. Estos hemiacetales cclicos se favorecen sobre las formas aldehcas de cadena abierta. Ejemplo:

- Hemiacetales Cclicos La mayora de los azcares simples (monosacridos) que son polihidroxi-aldehdos (aldosas) o polihidroxicetonas (cetosas) tienen grupos hidroxilo en posiciones y

respecto a grupos carbonilo. Por lo tanto los azcares forman hemiacetales cclicos en disolucin acuosa y se establece un equilibrio entre la forma de cadena abierta y la cclica. La D (+)glucosa en solucin acuosa est en equilibrio con sus dos formas cclicas llamadas anmero y de la D-( + )-glucosa.


La ciclacin se produce entre el hidroxilo del C-5 y el grupo carbonilo del C-1 para formar un anillo de 6 miembros. Resultan dos formas cclicas ya que el >C=O planar puede ser atacado por encima o por debajo.

Cada anmero puede existir en forma cristalina y producir una rotacin especfica [ ]D20C caracterstica. Para el anmero [ ]D = +112 y el anmero [ ]D = +19 . Si cualquiera de ellos se disuelve en agua, al cabo de un tiempo se establece un equilibrio entre las dos formas cclicas y la rotacin especfica cambia gradualmente hasta un valor constante de +52.5. Es lo que se conoce como el fenmeno de "mutarotacin". Para otros monosacridos pueden obtenerse estructuras como estas:

23


-

Glicsidos

La formacin de acetales o cetales mixtos por la interaccin de monosacridos con alcoholes, en presencia de cantidades catalticas de cidos minerales, es una reaccin importante. As la reaccin del anmero glucsido: de D-(+)-glucosa con metanol produce el metil- -D-


Por lo general, los acetales y cetales de los carbohidratos se llaman glicsidos. Pero reciben nombres particulares, por ejemplo, un acetal de glucosa se denomina glucsido, los acetales de la galactosa son galactsidos, de la fructosa, fructsidos, de la manosa, mansidos, etc. Puesto que los glicsidos son acetales, en medios acuosos, neutros o bsicos no existen en equilibrio con una forma de cadena abierta. Bajo estas condiciones los glicsidos no presentan mutarotacin. El enlace qlicosdico es el enlace entre el oxgeno de un monosacrido y el carbono de un radical R. La mayor parte de los azcares se presentan en la naturaleza en forma de glicsidos, o sea, unidos a fragmentos de tipo no azcar como esteroides. Los disacridos son glicsidos en los cuales el grupo R es otro monosacrido. Un

ejemplo es la maltosa donde el oxgeno del C-4 de una unidad de glucosa se ha unido al C-1 del hemiacetal cclico de otra molcula de glucosa:

25


Obsrvese que el disacrido maltosa an tiene un carbono C-1 hemiacetal que le permitira reaccionar con otra molcula de -D-glucosa. El trisacrido formado podra

seguirse extendiendo hasta formar un polisacrido (carbohidrato) de cadena larga como el almidn. Es as entonces, como se forman los carbohidratos naturales de largan cadenas que constituyen las reservas de energa de los cuerpos vivos .

Ejercicio 6.3

Cul de las siguientes estructuras contiene un grupo hemiacetlico y

cul contiene un

grupo acetlico o cetlico? Seale con un crculo e identifique cada grupo.

Ejercicio 6.4

Escriba las estructuras del alcohol y del aldehdo o cetona necesarios para preparar cada uno de los compuestos indicados en el problema anterior.

Ejercicio 6.5

a) Qu reaccin conocida ilustra la ecuacin siguiente?


b) A qu familia de compuestos pertenece 1? c) Qu d 1 por tratamiento con cido? con base?

Ejercicio 6.6

Ilustre con estructuras los hemiacetales cclicos que resultan de los siguientes monosacridos:

6.3.3 Adicin de Acido Cianhdrico

De la misma manera que el agua y los alcoholes, el cido cianhdrico se puede adicionar al grupo carbonilo de un aldehdo o una cetona, formando una clase de compuestos denominados cianhidrinas (2-hidroxinitrilos).


El cido cianhdrico (p.e.26 C ) puede considerarse como un gas o un lquido de bajo punto de ebullicin. la muerte por asfixia. Es un compuesto letal (es el gas empleado en las Su olor a almendros es inconfundible pero cuando el cmaras de gas) ya que el CN - bloquea toda la cadena respiratoria y produce olfato humano lo detecta su concentracin ya es letal. En operaciones normales de laboratorio puede utilizarse como un gas tomando precauciones extremas. Pero es quizs mas seguro obtenerlo "in situ" en la mezcla de reaccin, a partir de las sales cianuro de potasio (KCN) y cianuro de sodio (NaCN) con un cido mineral fuerte. Las reacciones que involucren el in cianuro siempre deben realizarse en campanas extractoras eficientes. El in cianuro (CN ) es un nuclefilo fuerte para aadirse al grupo carbonilo.

Las cianhidrinas son intermediarios muy tiles en sntesis. Por ejemplo, el grupo cianuro puede hidrolizarse (en medio cido) a un grupo carboxilo o se puede reducir a un grupo CH2NH2


Ejemplos:

Una mezcla diastereomrica de dos cidos tartricos fue obtenida a travs de la siguiente secuencia de reacciones realizada en 1917 a partir del D-(+)gliceraldehdo. La primera etapa de esta secuencia es la formacin de una mezcla de cianhidirinas diastereomricas:


La mezcla de los cidos dicarboxlicos produjo uno pticamente inactivo (III) y otro que rotaba el plano de la luz polarizada hacia la izquierda (IV). Al cido (-)-tartrico as obtenido, se le asign la configuracin IV y, puesto que estaba relacionado con el D-gliceraldehdo se design cido D-(-)-tartrico. El cido tartrico result as, el eslabn estereoqumico entre los carbohidratos y el patrn de referencia, gliceraldehdo. Es posible entonces, aumentar la cadena carbonada de un monosacrido (aldosa) y convertirlo en otro de mayor nmero de carbonos, usando la reaccin de las cianhidrinas. Varios rboles frutales del gnero Prunus (ciruelas, cerezas, ciruelos, melocotones, etc.) contienen cianhidrinas. Tales cianhidrinas se biosintetizan y almacenan corno derivados en las almendras o corazn de tales frutas. El olor y el sabor de las almendras amargas se debe en parte al benzaldehdo y a la cianhidrina de benzaldehdo y aunque el HCN tiene una estructura muy diferente expide un olor similar. La amigdalina es un glucsido y a la vez una cianhidrina que se encuentra en las semillas de los albaricoques:


Ya que las cianohidrinas se pueden hidrolizar enzimticarnete a HCN, no se deben comer en exceso las almendras de los albaricoques, cerezas y otras especies de Prunos.

6.3.4 Adicin de Amoniaco, Aminas Primarias y otros derivados del Amonaco

El amoniaco, las aminas primarias y otros de sus derivados son agentes nucleoflicos, y al igual que otros nuclefilos, pueden atacar al carbono carbonilo de aldehdos y cetonas. La reaccin debe catalizarse por trazas de cidos. En principio puede imaginarse la primera etapa de la reaccin como una simple adicin del grupo amino al grupo carbonilo. El producto de adicin obtenido es inestable y puede formar un doble enlace >C=N donde inicialmente se encontraba el grupo carbonilo >C=O, por eliminacin de una molcula de agua. Mecanismo General :

6.3.4.1 Iminas

Cuando los aldehdos y cetonas reaccionan con amoniaco o aminas primarias bajo condiciones suavemente acidas se forman las iminas.


Las iminas formadas a partir de amonaco son inestables y se polimerizan cuando se dejan en reposo. Pero las iminas obtenidas de aminas primarias (R-NH2) llamadas tambin bases de Schiff son mas estables, aunque algunas veces son slo intermediarios en ciertas reacciones. Los aldehdos aromticos (tal como benzaldehdo) o arilaminas (como anilina) dan las iminas mas estables, aunque se pueden usar otros aldehdos, cetonas y primarias. Ejemplos: aminas


Todas estas reacciones son equilibrios y deben catalizarse por cidos diluidos. El pH ptimo para la velocidad de esta reaccin es entre 3 y 4. Cerno se mostr en el mecanismo general, se trata de un proceso en dos etapas, conocido a menudo como reaccin de adicin-eliminacin. La primera etapa es el ataque rpido y reversible del grupo amino al carbonilo para formar el derivado hemiaminal (anlogo a un hemiacetal pero con nitrgeno). La segunda etapa controla la velocidad de la reaccin, es la eliminacin de agua y se requiere protonacin del grupo hidroxilo. De all que sea necesaria la catlisis acida: Etapa1, adicin:

Etapa 2, eliminacin:


6.3.4.2 Transaminacin Biolgica

Las iminas son intermediarias importantes en la biosntesis de -aminocidos (RCH(NH2)CO2H). Si la dieta no contiene las proporciones requeridas de los aminocidos necesarios, en algunos casos el organismo convierte un aminocido no necesario en otro indispensable a travs de una transaminacin. El proceso involucra la transferencia de un grupo amino del aminocido no necesario a un cetocido. Esto es:

Se cree que la reaccin procede a travs de una serie de equilibrios donde intervienen iminas intermediarias. El proceso es catalizado por las enzimas transaminasas.

6.3.4.3 Oximas, Arilhidrazonas, Semicarbazonas

Los aldehdos y cetonas tambin pueden reaccionar con otros derivados del amonaco donde G no es un grupo alquilo (R) o arilo (Ar). En la Tabla 6.2 se d la reaccin general con cada uno de estos derivados, la clase de producto que se forma y ejemplos de cada una.

34


Todas ellas ocurren bajo catlisis cida y siguen el mismo patrn mecanstico general presentado arriba. Los productos formados son slidos muy estables con puntos de fusin caractersticos, por lo que se utilizan con frecuencia para identificacin de ciertos aldehdos y cetonas.

Tabla 6.2

Reaccin de Aldehdos y Cetonas con Derivados de Amoniaco

Reaccin General Aldehdo o cetona Derivado de Amonaco Producto


Tabla 6.2 Reaccin de Aldehdos y Cetonas con Derivados de Amoniaco (Continuacin)

Aldehdo o cetona

Derivado de Amonaco

Producto

6.3.5 Adicin de Reactivos de Grignard: Formacin de Alcoholes

Los reactivos de Grignard preparados a partir de halogenuros de alquilo con Mg en ter seco se adicionan fcilmente al carbonilo de un aldehdo o cetona para formar alcoholes.


Reaccin general:

Esta reaccin ocurre porque el enlace

del reactivo de Grignard es bastante

polar por el carcter electropositivo del metal. De tal manera que el carbono de la posicin alqulica o arlica acta entonces, como un nuclefilo (base de Lewis) sobre el carbono electroflico del carbonilo, para formar un enlace

El alcxido de magnesio (una sal blanca) se hidroliza fcilmente hasta el alcohol con una solucin ligeramente acdica. La reaccin de Grignard es considerada como uno de los mtodos sintticos (o preparativos) mas populares entre los qumicos orgnicos para obtener alcoholes de mayor nmero de carbonos. Con el formaldehdo se obtienen alcoholes primarios, con el resto de los

aldehdos, alcoholes secundarios y con las cetonas alcoholes terciarios.


El reactivo de Grignard es inestable y debe obtenerse "in situ" por tratamiento del halogenuro de alquilo o arilo con Mg en ter seco y bajo atmsfera de N2 ya que el reactivo de Grignard se descompone fcilmente en presencia de O2 H2O de la atmsfera. Con el H20 y otros compuestos que contengan hidrgeno activo como alcoholes, fenoles, aminas y tioles el reactivo de Grignard se hidroliza fcilmente. Esto es:

Por tanto, el compuesto carbonilo que se aada a la mezcla de reaccin con el reactivo de Grignard no puede contener otros grupos funcionales como -NH, -O-H, -S-H.Ejemplos:


Usando la sntesis de Srignard es posible entonces planificar la preparacin de alcoholes de mayor nmero de carbonos, alquenos y an alcanos partiendo slo de alcoholes mas simples. Uno de los alcoholes puede transformarse en un halogenuro de alquilo usando halogenuros de hidrgeno (H-X) o halogenuros de fsforo (PCl3, PCl5, PBr3) . El otro alcohol se oxidara bajo condiciones suaves hasta aldehdo (si es un alcohol 1) o hasta cetona (si es un alcohol 2), de esta forma tendramos los reactantes de Grignard. para la reaccin

Ejercicio 6.7

Sugiera una sntesis para el cido lctico:

a partir de

39


etanol y HCN. Solucin : Vemos que el cido lctico tiene un carbono ms que el etanol, como carboxilato. La adicin de cianhidrina a un carbonilo >C=O y posterior hidrlisis de nitrilo resultante produce un cido carboxlico. As que el etanol debemos convertirlo en acetaldehdo por oxidacin suave:

PCC = CIorocrornato de Piridinio

Ejercicio 6.8

Escriba las estructuras de los compuestos precursores: carbonilo y amino para las siguientes iminas:

Ejercicio 6.9 Qu reactivos de Grignard utilizara para llevar a cabo las siguientes conversiones (o sntesis):


Ejercicio 6.10

Represente la estructura y proponga un nombre para el producto de cada una de las reacciones de Grignard siguientes:

Una

solucin acuosa de cloruro de amonio (NH4Cl)

es acdica

por la siguiente reaccin

de hidrlisis:

N+H4

+

H20

:NH3

+

H3O+


Ejercicio 6.11

Escriba un mecanismo por etapas para la formacin del siguiente cetal cclico:

Ejercicio 6.12

Escriba el producto orgnico principal para las siguientes reacciones:


6.3.6

Reduccin: Adicin de Hidrgeno

Los aldehdos y cetonas pueden convertirse respectivamente a alcoholes primarios o secundarios por reduccin del grupo carbonilo con H2 en presencia de un catalizador apropiado, bien empleando agentes reductores qumicos. La reduccin de un grupo carbonilo a alcohol implica la adicin de dos tomos de hidrgeno al enlace doble del carbonilo:

Hidrogenacin cataltica

Hidrogenacin Qumica Entre los agentes reductores qumicos mas comunes estn el hidruro de aluminio y litio (Li Al H4) y el borohidruro de sodio (Na BH4) . El primero se usa con el compuesto en solucin etrea seca y el segundo en metanol acuoso. Ejemplos:


Estos agentes reductores tienen la ventaja de ser selectivos, es decir, que slo reducen los carbonilos sin intervenir con dobles o triples enlaces presentes en la molcula.

6.4 OXIDACIN Los aldehdos se oxidan con facilidad a cidos carboxlicos, no as las cetonas. Por regla general casi cualquier reactivo que oxide un alcohol, oxida tambin un aldehdo. Las sales de permanganato y dicromato son los agentes oxidantes mas empleados, pero de ninguna manera son los nicos reactivos que se pueden utilizar.

Adems de la oxidacin con los agentes mencionados, los aldehdos se oxidan mediante agentes oxidantes suaves tales como Ag+ o Cu2+ . para reconocimiento de aldehdos . El grupo El reactivo de al anin Tollens (solucin alcalina de un complejo plata-amoniacal se utiliza como prueba aldehdo se oxida carboxilato, la Ag+ en el reactivo de Tollens se reduce a plata


metlica. Si la prueba es positiva aparece un espejo de plata sobre las paredes de tubo de ensayo:

espejo 6.5 REACTIVIDAD DE LOS HIDRGENOS ALFA EN ALDEHIDOS Y CETONAS

Los aldehdos y cetonas adems de estar propensos al ataque nucleoflico en el carbono del carbonilo, presentan una segunda caracterstica que es la marcada acidez de los hidrgenos en los carbonos adyacentes al grupo carbonilo. Estos hidrgenos se denominan por lo general hidrgenos estn unidos es el carbono : (alfa) y el carbono al que

Al decir que los hidrgenos- son cidos, significa que son mucho ms cidos que otros hidrgenos unidos al carbono. Las constantes de acidez (Ka) de los hidrgenos ms simples son del orden de 19 hidrgenos del acetileno (Ka = 10-25) . Por qu es cido un tomo de hidrgeno en posicin 45Luz Marina Jaramillo Ph. D. Depto. de Qumica-19

en los aldehdos o cetonas

- 10

-20.

O sea que son ms cidos que los

a un grupo

carbonilo? Hay dos razones:

La primera, es que el carbonilo

est adyacente a uno (o dos)

tomo(s) de carbono parcialmente positivo:

el carbono del carbonilo

. Por

efecto inductivo de atraccin de electrones el carbono

participa un poco de esta carga

positiva,

y el enlace -C-H se debilita.

En segundo lugar, y mas importante, est la estabilizacin por resonancia del anin que se produce y el cual se denomina in enolato o simplemente carbanin:

Puede observarse que es posible escribir dos estructuras en resonancia A y B para el anin. En la estructura A la carga negativa est sobre el carbono y en la estructura B est sobre el oxgeno. El hbrido de resonancia puede a su vez representarse como:

46


Por otro lado, si un tomo de hidrgeno est en posicin con bases fuertes como los alcxidos (R0-).

respecto a dos grupos Ka de la 2,4-

carbonilo la acidez de aquel se incrementa an ms y puede dar lugar a una sal al tratarse As por ejemplo, el

pentanodiona (Ka 10 -16) o que el agua

es 10 -9 , (Ka sodio

mucho mas cido que el El tratamiento o amida de sodio de

etanol este

10-15) . (NaH)

compuesto base fuerte, conduce a

-dicarbonlico con la

etxido

de sodio

(EtO Na+ ) o cualquier otra (NaNH2)

tal como hidruro de

sal sdica o in enolato

Por

supuesto que

la mayor

acidez

de un

compuesto dicarbonlico se debe o in enolato resultante:

al

grado de estabilizacin por resonancia del carbanin

C, D y E son estructuras contribuyentes al hbrido:

47


Es corriente que por comodidad slo representemos en las ecuaciones una de las estructuras contribuyentes o localizadas (caso de la sal sdica de 2,4pentanodiona) pero no debe olvidarse que la carga negativa puede estar deslocalizada en dos o tres tomos.

Ejercicio 6.13

Escriba las estructuras en resonancia de los iones enolato que se forman cuando las siguientes dionas se tratan con alcxidos de sodio:

6.5.1 Tautomera Ceto-Enlica

An en ausencia de una base fuerte se puede evidenciar la acidez de un tomo de hidrgeno alfa( ).Un compuesto carbonlico con un tomo de hidrgeno alfa cido, puede existir en dos formas llamadas tautmeros: Una forma tautmera ceto y otra enol. El tautmero enol, (de -eno + ol), que es un alcohol vinilco, se forma por transferencia de un hidrgeno cido, situado sobre un carbono carbonlico. Como un tomo de hidrgeno dos formas tautmeras no 48 , al oxgeno

est en diferentes posiciones, las


son estructuras en resonancia, son dos estructuras diferentes en equilibrio. (Recuerde que las estructuras en resonancia se diferencian solamente en la posicin de los electrones).

En los compuestos monocarbonlicos sencillos como la acetona y el acetaldehdo las cantidades de la forma enol presente en el equilibrio es muy pequea. En la acetona es inferior al 1%, en el acetaldehdo la concentracin del enol es demasiado pequea para ser detectada. Forma CetoForma Enol

Con los compuestos que tienen dos grupos carbonilos separados por un carbono saturado (llamados compuestos -dicarbonlicos) , la


cantidad de enol presente en el equilibrio es mucho mayor. Por ejemplo, la 2,4butanodiona existe en forma enol en una proporcin de 76%:

Ejercicio 6.14 Cules de cada uno de los siguientes pares de compuestos son tautmeros y cules son estructura en resonancia?

Enoles en Bioqumica Una reaccin importante en la sntesis y degradacin de los azcares implica la interconversin de una cetona de tres carbonos y un aldehdo de tres carbonos.


Esta notable reaccin es catalizada por una enzima llamada isomerasa del fosfato de triosa. Aunque no se comprendan en su totalidad los detalles de la reaccin enzimtica, hay evidencia sustancial de que la interconversin se lleva a cabo a travs intermediario enol (especficamente un enodiol) que se representa enseguida. de un

Ejercicio 6.15

La primera etapa en el metabolismo de los carbohidratos (almidones y azcares) es la degradacin de estos a glucosa en vas digestivas (Esta degradacin corresponde a la hidrlisis de los enlaces acetlicos). Luego, en las clulas de un organismo, la glucosa se convierte al final en C02 y H20 y tal conversin se inicia con la formacin de glucosa- fosfato, seguida de su isomerizacin a fructosa- -fosfato.

51


A travs de cual intermediario (escriba su estructura) ocurre esa interconversin?

6.5.2

Halogenacin Alfa. Reaccin Halofrmica

Las cetonas se halogenan rpidamente condiciones alcalinas o catlisis Acida. Medio Bsico:

en el carbono

. La reaccin requiere

El mecanismo implica dos etapas. La primera etapa (la etapa lenta) implica la formacin del carbonin o in enolato. En la segunda etapa, el ion enolato experimenta rpidamente reaccin con el halgeno para dar la cetona -halogenada y un in halogenuro:

52


Uno de los inconvenientes de la reaccin de -halogenacin de una cetona promovida por base, es que un segundo tomo de halgeno se introduce con mayor facilidad que el primero:

por tanto el rendimiento del producto monohalogenado resulta seriamente afectado.

Si la cetona es una metilcetona:

, la halogenacin puede continuar

hasta el

producto

trihalgeno

,

el

cual,

bajo las condiciones alcalinas es

inestable y reacciona con OH para formar un carboxilato y haloformo.

Esta reaccin es la base del ensayo qumico prueba del yodoformo para metilcetonas. El grupo metilo de una metilcetona se yoda totalmente (en varias etapas) hasta la formacin de un slido amarillo, el yodoformo (CHI3).


An los alcoholes secundarios con un grupo metilo terminal dan la prueba del yodoformo positiva porque bajo las condiciones de la reaccin se oxidan a cetonas:

El bromo y el cloro tambin reaccionan con metil cetonas para dar, respectivamente, bromoformo

Documents

Aldehidos y Cetonas Reacciones de Adicion Nucleofilica