Captulo 14Aldehdos y Cetonas:Reacciones de Adicin Nucleoflica

Chapter 14 Aldehydes and Ketones: Nucleophilic Additions Reactions 2006 Thomson Higher Education

5. Reactividad en el grupo carboniloAdicin al doble enlace C=O

Sustitucin del hidrgeno del carbono

5. Reactividad del grupo carbonilo Reaccionar con nuclefilos en el carbono

=>

Se forma un producto tetradrico, el carbono

pasa a sp3 Es una reaccin de adicin nucleoflica Los aniones H- y R- son bases muy fuertes, malos grupos salientes y no son desplazados por el reactivo.

5.1 Adicin Nucleoflica de H2O: HidratacinAldehdos y cetonas reaccionan en forma reversible con agua para dar 1,1-dioles, or dioles geminales (gem) El equilibrio favorece al carbonilo por razones estricas con la excepcin del formaldehdo

Adicin Nucleoflica de H2O: HidratacinCompuesto Keq Conversin a hidrato (%) Velocidad relativa

formaldehido

2300

>99.9 50 17 0.14 100

2200 1.0 0.09 0.0018

acetaldehido 1.02,20.2 dimetilpropanal

acetona

0.0014

hexafluoroace 22000 tona

Adicin Nucleoflica de H2O: Hidratacin Otros hidratos estables, esta vez por factores

electrnicos (ms importantes que los factores estricos), son Hidrato de cloral O H O2

OH H OH

Cl H Cl

Cl Cl Cl

NinhidrinaO H 2O

Cl

O OH OH O

O

O

Perfil de energa de la reaccin de hidratacin de aldehidos

Es una reaccin en dos etapas, en donde la primera es la determinante de la reaccin.El cambio de hibridacin sp2 sp3 se desarrolla parcialmente en el primer estado de transicin.

5.2 Reacciones de Adicin Nucleoflica a Aldehidos y CetonasReaccin de adicin Nucleoflica

:Nu se acerca al enlace C=O en un ngulo de 75 y se une al carbono electroflico del C=O El carbono Carbonilo se rehibridiza a sp3 El par de electrones se mueve del enlace C=O al oxgeno electronegativo produciendo un ion alcxido tetradrico como intermediario El Intermediario se protona para dar el alcohol neutro

Reacciones de Adicin Nucleoflica a Aldehidos y CetonasAlternativamente, el alcxido tetradrico intermediario (o el alcohol intermediario) puede eliminar H2O y formar un enlace C=Nu

Adicin Nucleoflica a Aldehidos y Cetonas: reactividad relativaLos Aldehdos son ms reactivos frente a la adicin nucleoflica que las cetonas Los Aldehdos tienen menos impedimento estrico que las cetonas

Adicin Nucleoflica a Aldehidos y Cetonas: reactividad relativa El efecto estrico sobre la reactividad relativa

es ms evidente en la formacin del intermediario, cuando el carbono carbonilo se ha rehibridado a sp3. En la geometra tetradrica, los grupos unidos al carbono estn ms prximos unos de otros y el volumen que ocupe cada uno ser significativo.

Adicin Nucleoflica a Aldehidos y Cetonas: reactividad relativa Los Aldehdos son ms reactivos que las cetonas por

factores electrnicos

C=O de aldehdo se polariza mas que el C=O de cetona

Adicin Nucleoflica a Aldehidos y Cetonas: reactividad relativa Los efectos electrnicos tambin resultan de

los efectos inductivos de grupos unidos al carbono carbonilo. Los aldehdos y cetonas aromticos son menos reactivos que los alifticos, debido a que el anillo aromtico ejerce un efecto inductivo donador de electrones sobre el carbono carbonilo, reduciendo as su afinidad por los nuclefilos.

Adicin nucleoflica a aldehdos y cetonas.1. Adicin de CN: formacin de cianhidrinas

2. Adicin de reactivos de Grignard: Formacin

de alcoholes con ms tomos de carbono que el compuesto carbonilo original. 3. Adicin de hidruros: formacin de alcoholes con el mismo nmero de carbonos que el compuesto carbonilo original. 4. Adicin de agua y alcoholes: formacin de hidratos, hemiacietales y acetales 5. Adicin de amoniaco y compuestos derivados del mismo.

5.3.1 Adicin nucleoflica de HCN: formacin de cianohidrinas Su utilidad radica en las transformaciones

que pueden hacerse despus sobre el producto. La reactividad del sustrato sigue el orden HCHO>RCHO>ArCHO>R2CO>>Ar2CO, cetonas impedidasO CH3CH2 C HO CH3 + HCN CH3CH2 C CH3 CN

=>

Formacin de cianohidrinas: condiciones de reaccin La reaccin es lenta cuando se usa HCN

puro. La reaccin es rpida cuando se tiene el equilibrio HCN/CN, lo que se logra con la adicin de una pequea cantidad de base. El pH de la reaccin en ptimas condiciones es cercano a 8 o 9.

5.3.2 Adicin Nucleoflica de Reactivos de Grignard: Formacin de AlcoholesEl reactivo de Grignard reacciona con el grupo C=O de aldehdos o cetonas para dar un intermediario tetradrico que es un alcxido de magnesio El intermediario se hidroliza para producir un alcohol neutro El reactivo de Grignard reacciona como un carbanin

Adicin Nucleoflica de Reactivos de Grignard: Formacin de Alcoholes

5.3.3: Adicin Nucleoflica de Hidruros : Formacin de AlcoholesDe manera anloga, la reaccin de aldehdos y cetonas con hidruros puede representarse como la adicin nucleoflica de un ion (:H) al carbono C=O LiAlH4 y NaBH4 actan como donadores de ion hidruro

Adicin Nucleoflica de Hidruros : Formacin de Alcoholes El NaBH4 es ms fcil de manejar y por lo mismo

se emplea ms que el LiAlH4 Es muy selectivo y generalmente no reacciona con grupos carbonilo menos reactivos que aldehdos y cetonas. Esto significa que reducir aldehdos y/o cetonas pero no afectar a cidos carboxlicos y/o steres:

Adicin Nucleoflica de Hidruros : Formacin de Alcoholes El LiAlH4 no es selectivo y es un reductor

muy poderoso, que reducir tambin los grupos carbonilo menos reactivos que aldehdos o cetonas:O O O M e 1 ) L iA lH 4 HO 2 ) H 3O+

HO

Los aldehdos reaccionan para dar alcoholes

primarios y las cetonas, secundarios.

5.3.4 Adicin Nucleoflica de H2O: HidratacinLa adicin nucleoflica de agua a un aldehido o cetona es lenta en condiciones neutras pero es catalizada por cido y base Mecanismo de hidratacin catalizada por Base

El ion hidrxido es buen nuclefilo

Adicin Nucleoflica de H2O: Hidratacin Mecanismo catalizado por cido El oxgeno protonado hace al carbono C=O mas electroflico

Adicin Nucleoflica de H2O: HidratacinEn general, el equilibrio favorece el aldehdo o cetona frente a nuclefilos como H2O, CH3OH, HCl, HBr, or H2SO4

5.3.4 Adicin Nucleoflica de Alcoholes: Formacin de AcetalesAldehidos y cetonas reaccionan de manera reversible con dos equivalentes de un alcohol, en presencia de catlisis cida para producir acetales, R2C(OR)2, a veces llamados cetales si se derivan de una cetona

Adicin Nucleoflica de Alcoholes: Mecanismo de Formacin de Acetales Se necesita catlisis cida La adicin nucleoflica reversible de alcohol al grupo

carbonilo da un hemiacetal Hemiacetal: un hidroxi ter anlogo al gem diol formado por adicin de agua El cido protona el grupo hidroxilo formando OH2+ Prdida de :OH2 forma un ion oxonio, R2C=OR+ Adicin Nucleoflica de una segunda molcula de alcohol da un acetal protonado Deprotonacin produce un acetal neutro y regenera el cataltico

Protonacin del alcoholO H+ + OH OH +

Ataque del alcohol nucleoflicoOH + HOCH3 H HO HO OCH3 + HOCH3 OCH3 + H2OCH3 +

=>

Adicin Nucleoflica de Alcoholes: Formacin de Acetales Adiciones nucleoflicas intramoleculares son

comunes en carbohidratos (azcares) dando hemiacetales cclicos

Adicin Nucleoflica de Alcoholes: Formacin de AcetalesUn equivalente de un diol como el etilenglicol da un acetal cclico

Si se trabaja con un alcohol monohidroxlico, como etanol, se consumen dos moles de alcohol por mol de carbonilo. Los acetales se forman nicamente en presencia de catlisis cida, mientras que los hemiacetales pueden formarse por ataque de un ion hidrxido o alcxido al carbono carbonilo, pero la reaccin se detiene la formacin del hemiacetal.

Protonacin del OH y prdida de aguaHO H+ OCH3 + HO H OCH3 + + HOH OCH3

Ataque de un segundo equivalente de alcoholHOCH3 OCH3 HOCH3 + + CH3O H OCH3 CH3O OCH3

=>

Ejemplo 2Prediga el producto de reaccin entre una cetona y un alcoholMuestre la estructura del acetal que se obtendra por la reaccin catalizada con cido de pentan2-ona con propano-1,3-diol

Recuerde que La reaccin entre un aldehido o cetona con 2

equivalentes de un alcohol monohidroxlico o con un equivalente de un diol, produce un acetal, en el cual el oxgeno del carbonilo es reemplazado por dos grupos OR del alcohol La reaccin requiere catlisis cida

Resolucin

Aplicacin de la formacin de acetales Reacciones de proteccin Si se desea modificar una parte de una

molcula sin alterar un grupo carbonilo, ste se puede proteger, es decir, se transforma en otro grupo funcional menos reactivo. Los acetales, al ser teres, son estables en medio bsico, pero se regeneran al grupo carbonilo en medio cido. Los aldehdos forman acetales ms fcilmente que las cetonas. Generalmente se usa un diol como reactivo protector.

EjemploO O CH2 HO C OO + _ MgBr O CH 3 CH3MgBr C O O C O H3O O+

CH2 OH+

H

H

C O

O

=>HO CH3

C O

H

=>

5.3.5 Adicin Nucleoflica de Aminas: Formacin de Iminas y EnaminasAminas primarias, RNH2, se adicionan a aldehdos y cetonas para dar iminas, R2C=N El grupo C=N es el anlogo nitrogenado del grupo carbonilo Las iminas son intermediarios biolgicos importantes

Adicin Nucleoflica de Aminas: Formacin de Iminas y Enaminas Las iminas son bsicas, como las aminas.

Las iminas sustituidas se conocen como

bases de Schiff. La formacin de iminas y enaminas son ejemplos de reaciones conocidas como condensaciones, que son reacciones en las que dos (o ms) molculas orgnicas se unen y eliminan una molcula de agua u otra molcula pequea, como producto secundario de la reaccin.

Adicin Nucleoflica de Aminas: Formacin de Iminas y EnaminasAminas secundarias, R2NH, se adicionan a aldehidos y cetonas para dar enaminas, R2N-CR=CR2 en + amina = amina insaturada

Mecanismo de formacin de iminas

La adicin nucleoflica de una amina primaria para dar un intermediario tetradrico: carbinolamina Eliminacin de agua para formar un nuevo enlace C=Nu

Mecanismo de formacin de enaminas

Adicin nucleoflica de una amina secundaria para dar un intemediario tetradrico: carbinolamina Eliminacin de agua produce un ion iminio Prdida de un protn del tomo de carbono a- produce la enamina

Adicin Nucleoflica de Aminas: Formacin de Iminas y EnaminasLa reaccin de formacin de iminas y enaminas alcanza el mximo a pH = 4 - 5 a pH > 5 es lenta porque no hay suficiente H+

presente en solucin para protonar el OH de la carbinolamina y producir el grupo saliente OH2+ a pH < 4 es lenta porque el nuclefilo bsico se encuentra protonado y no puede ocurrir la adicin nucleoflica inicial.

Las iminas son tiles para la obtencin de aminas a partir de compuestos carbonilo (aminacin reductiva)

EjemploPredecir el producto de reaccin entre una cetona y una aminaMuestre los productos que se obtendran de la reaccin catalizada por cido 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 tomo de oxgeno del carbonilo ha sido reemplazado por el grupo =N-R de la amina. La reaccin de un aldehido o cetona que posean tomos de hidrgeno en el carbono , con una amina secundaria, R2NH, produce una enamina, en la cual el tomo de oxgeno ha sido reemplazado por el grupo NR2 de la amina, y el doble enlace se ha movido a ocupar la posicin entre el carbono carbonilo y el carbono -

Ejemplo resuelto

Formacin de iminas estables Estructura

Nombre hidroxilamina hidrazina fenilhidrazina2,4-dinitrofenil hidrazina (2,4-DNFH)

del reactivo HO-NH2 H2N-NH2 PhNH-NH2N H- N H 2 O2N NO2

Nombre del producto oxima hidrazonafenilhidrazona 2,4-dinitrofenil hidrazona semicarbazona

O H2 N N H N H2

semicarbazida

Ensayo con 2,4-DNFHDebido a que la 2,4-DNFH tiene un peso molecular elevado, reaccionar con aldehidos y cetonas para dar derivados slidos, utilizados para confirmar la identidad del compuesto carbonilo o para detectar su presencia.

Carbonilos con dobles enlaces conjugados darn precipitados color rojo o rojo naranja y carbonilos saturados o sin enlaces conjugados, darn precipitados amarillo o amarillo naranja

Formacin de iminas estables. Derivados de compuestos carboniloN H- N H 2 O O

+O2N NO 2 O

N N HO2N

+NO 2

H 2O

FurfuralO

2,4-DNFHNHO H

+

N H 2O H

+

H 2O

Benzofenona

Hidroxilamina

Oxima

5.4 Oxidaciones y reducciones de aldehidos y cetonas

5.4 Oxidaciones y reducciones de carbonilos. Los aldehdos, al tener un H unido al carbono

carbonilo, son suceptibles de oxidarse a cidos carboxlicos:

5.4.1Oxidacin de AldehdosSe lleva a cabo a travs de intermediarios 1,1-dioles denominados hidratos Los hidratos se forman por la adicin reversible de agua al grupo carbonilo

Oxidacin de aldehdos Oxidantes suaves pueden usarse para

obtener cidos carboxlicos y hay varias reacciones de esta clase que pueden usarse como pruebas rpidas para distinguir entre aldehdos y cetonas, las cuales normalmente resisten oxidacin. El reactivo de Tollens se prepara al momento de usarse y consiste en Ag(NH3)2+. El reactivo oxida al aldehdo y la plata se reduce a plata elemental.

Ensayo de TollensLa reaccin con el reactivo de Tollens distingue fcilmente entre aldehdos y cetonas, ya que el aldehdo reduce el reactivo y esto queda evidenciado por la aparicin de un espejo de plata (o un precipitado negro, si el tubo de ensayo no est lo suficientemente limpio)O R C H + 2 Ag(NH3)2 ++

_ 3 OH

O H2O 2 Ag + R C O

_ + 4 NH3 + 2 H2O

5.4.2 Reducciones de aldehdos y cetonas Ambas funciones pueden reducirse a

alcoholes por reaccin con hidruros, como se vio anteriormente. Tambin pueden reducirse a alcoholes mediante una reaccin de hidrogenacin cataltica. Considerar que si hay enlaces C=C, stos son ms reactivos que los enlaces C=O frente a la reaccin de hidrogenacin cataltica.

Hidrogenacin cataltica de aldehdos y cetonas El catalizador usado ms comnmente es el

nquel Raney. Otros catalticos usados son Platino (Pt) y rodio (Rh). Los aldehdos darn alcoholes primarios y las cetonas darn alcoholes secundarios:

O

OH Raney Ni H=>

Reduccin 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 Reduccin de aldehdos y cetonas: desoxigenacin En una desoxigenacin, se reemplaza el

tomo de oxgeno de un aldehdo o cetona con dos tomos de hidrgeno, reduciendo el grupo carbonilo completamente hasta el grupo metileno:O H R R R H R

Se usa esta reaccin para convertir

acilbencenos provenientes de acilaciones de Friedel-Crafts, en alquilbencenos.

Desoxigenacin: Reduccin de Clemmensen Aplicable a compuestos que no son sensibles

a los cidos en caliente.O C CH2CH3 Zn(Hg) HCl, H2OO CH2 C H

CH2CH2CH3

Zn(Hg) HCl, H2O

CH2

CH3

=>

Desoxigenacin: reduccin de Wolff Kishner Se usa para compuestos que no resisten el

tratamiento con cido en caliente, y que resisten el tratamiento con bases fuertes, como KOH o t-butxido de potasio y calor

CH2

C O

H

H2N

NH2

CH2

C

H

NNH2

KOH heat

CH2

CH3

=>

5.4.4 Otras Reducciones Las reacciones de adicin nucleoflica son

caractersticas de aldehdos y cetonas. El intermediario Tetradrico producido por adicin del nuclefilo no puede expulsar un grupo saliente estable, como s es el caso de los derivados de cidos carboxlicos:

Reaccin de Cannizzaro Excepcin a las reacciones caractersticas de

aldehdos y cetonas OH se adiciona al aldehido para dar el intermediario tetradrico. El ion H: se expulsa como grupo saliente.

Reaccin de Cannizzaro El sustrato es NICAMENTE un aldehdo

SIN hidrgenos en el carbono alfa. Se utiliza base concentrada (25-35%), por lo que no debe haber otros grupos sensibles a estas condiciones. Es una reaccin de desproporcin: la mitad del sustrato se oxida y la otra, se reduce.

Reaccin de Cannizzaro cruzada Se lleva a cabo entre un aldehdo sin

hidrgenos en el carbono y el formaldehdo. El formaldehdo, al ser ms reactivo reacciona primero con el ion OH y cede el H al otro aldehdo. El formaldehdo SIEMPRE se oxidar a cido frmico en esta reaccin.

EjemploO O O H OH H O O

+

+H OH

H

OH

H

O OH

+H O

OH

H

Reducciones BiolgicasEl mecanismo de la reaccin de Cannizzaro es anlogo a la reduccin biolgica en organismos vivos por nicotinamida adenina dinucletido, NADH

NADH dona H: a aldehdos y cetonas, de manera similar al alcxido tetradrico, intermediario en la reaccin de Cannizzaro

6. Aldehdos y cetonas ,-insaturados La insaturacin imparte a estos compuestos

caractersticas diferentes de reactividad frente a algunos nuclefilos. La polarizacin del enlace C-O y la deslocalizacin de electrones pi permite varias estructuras de resonancia:

Adicin conjugada a carbonilos ,insaturadosNuclefilos pueden unirse directamente al grupo carbonilo de aldehdos y cetonas, en lo que se conoce como una adicin 1,2Nuclefilos pueden tambin adicionarse al enlace C=C conjugado adyacente al grupo carbonilo en compuestos ,-insaturados en una adicin conjugada or adicin 1,4 El tomo de carbono vecino al carbono carbonilo es el carbono y el siguiente es el carbono El producto inicial de la adicin conjugada es un ion enolato estabilizado por resonancia

Adicin conjugada a carbonilos ,insaturados

Adicin conjugada a carbonilos a,binsaturadosEl doble enlace conjugado de un carbonilo a,bunsaturado es activado frente a la adicin nucleoflica por el grupo carbonilo

Adicin conjugada a carbonilos a,binsaturados Se da en mayor proporcin cuando el

nuclefilo es dbilmente bsico. Comparacin entre adiciones 1,2- y 1,4:O r p id a OH Y m enos e s ta b le

+

H -Y

O le n ta

O m s e s ta b le

+

H -Y

Y

H

6.1 Adicin conjugada a aldehidos y cetonas: adicin de aminasAminas primarias y secundarias reaccionan con aldehidos y cetonas a,binsaturados para dar b-amino aldehdos y b-amino cetonas Se da tanto la adicin 1,2- como la 1,4 Estas adiciones son reversibles

Adicin conjugada a aldehdos y cetonas: adicin de aminas El producto de adicin conjugada, mas

estable, se acumula

6.2 Adicin conjugada a aldehdos y cetonas: adicin de -CN El producto obtenido en mayor cantidad es

un -ciano aldehido o una -ciano cetona:O K C N , E ta n o l HOAc CN O

O H K C N , E ta n o l HOAc

CN

O H

6.3 Adicin conjugada a aldehdos y cetonas: adicin de reactivos organometlicos 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

Adicin conjugada a aldehdos y cetonas: adicin de reactivo de GillmanLa utilidad de la reaccin radica en modificar el esqueleto carbonado del carbonilo, aumentando el nmero de tomos de carbono.O O1 . te r a nhid ro

+

L iC u (C H 3 ) 2 2 . H 3O

O

+

L iC u (C H 2 C H 3 )

O

6.4 Reduccin de aldehdos y cetonas ,-insaturados Dado que los enlaces C=C son ms reactivos

que los C=O frente a la hidrogenacin cataltica, no es posible usar este mtodo para reducir exclusivamente al grupo carbonilo de aldehdos y cetonas ,insaturados. El uso de hidruros, como LiAlH4 y NaBH4 puede resultar en reducin 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 posicin ,.B- H

Oxidacin de aldehdos insaturadosDado que los enlaces C=C son sensibles a los cidos, al oxidar aldehdos insaturados, no puede utilizarse oxidantes cidos, como el cido crmico, y deber recurrirse al uso de oxidntes alcalinos, tales como el reactivo de Tollens o el xido de plata:

Referencias McMurry. Qumica Orgnica. 7. Edicin.

Thomson. Wade, L. Qumica Orgnica. 6a Edicin. Morrison y Boyd. Qumica Orgnica. 5a Edicin. Shriner, Fuson, Curtin. Identificacin Sistemtica de Compuestos Orgnicos. Limusa-Wiley.