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Chapter 14

Aldehydes and Ketones:

Nucleophilic Additions Reactions

Capítulo 14

Aldehídos y Cetonas:

Reacciones de Adición Nucleofílica

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.

Perfil de energía de la reacción de hidratación de aldehidos

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 agua y alcoholes: formación de

hidratos, hemiacietales y acetales

5. Adición de amoniaco y compuestos

derivados del mismo.

5.3.1 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 o 9.

5.3.2 Adición Nucleofílica de Reactivos de

Grignard: 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

5.3.3: 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:

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)

5.3.4 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

5.3.4 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

=>

5.3.5 Adición Nucleofílica de Aminas:

Formación de Iminas y Enaminas

Aminas primarias, RNH2, se adicionan a aldehídos y

cetonas para dar iminas, R2C=N

El grupo C=N es el análogo nitrogenado del grupo

carbonilo

• 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 a partir de compuestos carbonilo

(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

Ensayo con 2,4-DNFH

Debido a que la 2,4-DNFH

tiene un peso molecular

elevado, reaccionará con

aldehidos y cetonas para

dar derivados sólidos,

utilizados para confirmar la

identidad del compuesto

carbonilo o para detectar

su presencia.

Carbonilos con dobles enlaces

conjugados darán precipitados color

rojo o rojo naranja y carbonilos

saturados o sin enlaces conjugados,

darán precipitados amarillo o amarillo

naranja

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

+

5.4 Oxidaciones y reducciones de

aldehidos y cetonas

5.4 Oxidaciones y reducciones de carbonilos. • Los aldehídos, al tener un –H unido al carbono

carbonilo, son suceptibles de oxidarse a ácidos

carboxílicos:

5.4.1Oxidación 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.

Ensayo de Tollens

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

5.4.2 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:

5.4.3 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

=>

5.4.4 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+

+O

O

Reducciones Biológicas El mecanismo de la reacción de Cannizzaro es análogo a la

reducción biológica en organismos vivos por nicotinamida

adenina dinucleótido, NADH

• NADH dona H:¯ a aldehídos y cetonas, de manera similar al alcóxido

tetraédrico, intermediario en la reacción de Cannizzaro

6. 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

6.1 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

6.2 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

6.3 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)

6.4 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. Química Orgánica. 7ª. Edición.

Thomson.

• Wade, L. Química Orgánica. 6a Edición.

• Morrison y Boyd. Química Orgánica. 5a

Edición.

• Shriner, Fuson, Curtin. Identificación

Sistemática de Compuestos Orgánicos.

Limusa-Wiley.