aldehidos y cetonas reacciones de adicion nucleofilica

Luz Marina Jaramillo Ph. D. Depto. de Qumica

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


ALDEHIDOS Y CETONAS: REACCIONES DE ADICIN NUCLEOFILICA

INTRODUCCION

OBJETIVOS ESPECFICOS

6.1 EL GRUPO CARBONILO Y RASGOS ESTRUCTURALES DE

ALDEHIDOS Y CETONAS

6.2 PROPIEDADES FSICAS

6.3 REACCIONES DE ADICIN NUCLEOFILICA EN EL GRUPO

CARBONILO

6.3.1 Adicin de Agua

6.3.2 Adicin de Alcoholes: Acetales y Cetales

6.3.3 Adicin de Acido Cianhdrico

6.3.4 Adicin de Amonaco, Aminas Primarias y otros derivados de

Amonaco

6.3.4.1 Iminas

6.3.4.2 Transaminacin Biolgica

6.3.4.3 Hidrazonas, Fenil hidrazonas, Oximas, Semicarbazonas

6.3.5 Adicin de Reactivos de Grignard

6.3.6 Reduccin: Adicin de Hidrgeno

6.4 OXIDACIN

6.5 REACTIVIDAD DE LOS HIDRGENOS ALFA EN ALDEHIDOS Y

CETONAS

6.5.1 Tautomera Ceto-Enlica


6.5.2 Halogenacin Alfa. Reaccin Halofrmica

6.5.3 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

se utilizan en gran escala como disolvente. Las soluciones

acuosas concentradas de formaldehdo (HCHO) se utilizan para preservar tejidos

animales para su estudio biolgico. 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 cetonas

es insaturado adems de polar y 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 Describir en general, el comportamiento fsico de aldehdos y cetonas.

6.2 Explicar el mecanismo general de adicin nucleof1ica.

6.3 Escribir ecuaciones qumicas para ilustrar las reacciones de adicin de H2O,

alcoholes, cido cianhdrico, derivados del amonaco y reactivos de

Grignard.

6.4 Explicar el comportamiento cido de los hidrgenos carbonilo.

6.5 Dada la estructura de un aldehdo o cetona con hidrgeno , escribir la 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 Definir reaccin estereoespecfica y reaccin estereoselectiva.

6.10 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

7

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, enlace , polaridad y electrones no-compartidos) contribuyen a la reactividad del grupo carbonilo.

As, un compuesto carbonlico puede ser atacado indistintamente por un agente

electrofIico o nucleofIico.

8


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 dipolo-

dipolo, 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 el

9


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.

10

Tabla 6.1 Propiedades Fsicas de algunos Aldehdos y Cetonas

11


Tabla 6.1 Propiedades Fsicas de algunos Aldehdos y Cetonas (Continuacin)

12


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 de carga positiva sobre el carbono del grupo carbonilo

polarizados 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 estado de hibridacin del carbono cambia de sp2 -----> sp3. Se forma entonces,

un intermediario tetrahedral cuya geometra es mas apretada que la

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:

14


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:

15


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 Cl3CCHO.

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 (carbono adyacente al carbonilo).

CH3CHO < ClCH2CHO < CI2CHCHO < Cl3CCHO

Incremento de reactividad

Ejercicio 6.2

Coloque las siguientes cetonas en orden creciente de reactividad:

16


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

hemicetal

18


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

y para obtener buenos rendimientos es preciso usar un exceso del alcohol o el

compuesto carbonilo. Generalmente se usa HCI (conc.) 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), regenerando el alcohol y el

aldehdo.

As:

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 (1,2-

etanodiol) 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.

22


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 de D-(+)-glucosa con metanol produce el metil--D-glucsido:

24


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?

26


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).

27


El cido cianhdrico (p.e.26 C ) puede considerarse como un gas o un lquido de

bajo punto de ebullicin. Es un compuesto letal (es el gas empleado en las

cmaras de gas) ya que el CN - bloquea toda la cadena respiratoria y produce

la muerte por asfixia. Su olor a almendros es inconfundible pero cuando el

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

28


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:


29

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:

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

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.

31


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 aminas

primarias.

Ejemplos:

32


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:

33


6.3.4.2 Transaminacin Biolgica

Las iminas son intermediarias importantes en la biosntesis de -aminocidos (R-CH(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.

36


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.

37


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:

38


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 para la reaccin

de Grignard.

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+

41


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:

42


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:

43

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+ . El reactivo de Tollens (solucin alcalina de un complejo plata-amoniacal se utiliza como prueba para reconocimiento de aldehdos . El grupo aldehdo se oxida al anin

carboxilato, la Ag+ en el reactivo de Tollens se reduce a plata

44


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 (alfa) y el carbono al que estn unidos es el carbono :

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 en los aldehdos o cetonas ms simples son del orden de 19 -19 - 10 -20. O sea que son ms cidos que los

hidrgenos del acetileno

(Ka = 10-25) .

Por qu es cido un tomo de hidrgeno en posicin a un grupo

45


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 respecto a dos grupos carbonilo la acidez de aquel se incrementa an ms y puede dar lugar a una sal al tratarse

con bases fuertes como los alcxidos (R0-). As por ejemplo, el Ka de la 2,4-

pentanodiona es 10 -9 , mucho mas cido que el etanol

(Ka 10 -16) o que el agua (Ka 10-15) . El tratamiento de este compuesto -dicarbonlico con etxido de sodio (EtO Na+ ) o cualquier otra base fuerte, tal como hidruro de sodio (NaH) o amida de sodio (NaNH2)

conduce a la sal sdica o in enolato

Por supuesto que la mayor acidez de un compuesto dicarbonlico se debe al

grado de estabilizacin por resonancia del carbanin o in enolato resultante:

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 2,4-

pentanodiona) 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 , al oxgeno carbonlico. Como un tomo de hidrgeno est en diferentes posiciones, las dos formas tautmeras no

48


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 Ceto Forma Enol

Con los compuestos que tienen dos grupos carbonilos separados por un carbono saturado

(llamados compuestos -dicarbonlicos) , la

49

cantidad de enol presente en el equilibrio es mucho mayor. Por ejemplo, la 2,4-

butanodiona 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.

50


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 de un

intermediario enol (especficamente un enodiol) que se representa enseguida.

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 en el carbono . La reaccin requiere condiciones alcalinas o catlisis Acida.

Medio Bsico:

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).

53


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

Ejercicio 6.16

a) Qu especies estn implicadas en la etapa determinante de la velocidad de la -halogenacin de la acetona, catalizada por cido?

b) Escriba el mecanismo para la -bromacion catalizada por cido de ciclopentanona.

Ejercicio 6.17

a) Cul de los siguientes compuestos dara una prueba de

yodoformo pos i t i va.

b) Escriba la estructura de los cidos carboxlicos formados:

a) Aceto-fenona b) Pentanol

c) 2-Pentanona d) 2-Butanol

e) 1-Acetilnaftaleno f) 3-Pentanol

55


6.5.3 Condensacin Aldlica; Adicin de Iones Enolato a Aldehdos y

Cetonas

Un aldehdo o una cetona pueden reaccionar consigo mismo en presencia de base

diluida. ( 10% de NaOH) para producir un -hidroxialdehdo o una -hidroxicetona:

Esta clase de reaccin (una dimerizacin) se conoce como condensacin aldlica

("alcohol", debido a que el producto es un hidroxialdehdo o una hidroxicetona y

"condensacin" debido a que dos molculas se condensan en una). La reaccin

puede ocurrir en medio alcalino como ya se mencion, pero tambin ocurre en las

clulas vivientes catalizada por enzimas. La condensacin aldlica es una de las

reacciones para la construccin de las grandes molculas de los, organismos

vivos. Tambin se encontrar que es la reaccin inversa, en la bioqumica de los

carbohidratos.

El mecanismo de la adicin aldlica es de particular inters porque esta sola

reaccin ejemplifica dos importantes

56


caractersticas de los compuestos carbonlicos: la acidez de sus hidrgenos y la tendencia de los grupos carbonilo a efectuar reacciones de adicin nucleoflica. A

continuacin se ilustra el mecanismo general, con la condensacin de acetaldehdo.

Etapa 1

"ion enolato" Etapa 2

"ion enolato" Etapa 3

Como puede observase en el esquema anterior, la base (in hidrxdo) separa un protn

del carbono de una molcula de acetaldehdo, en la primera etapa. Se produce el carbanin (in enolato) estabilizado por resonancia. En la segunda etapa, el in enolato

acta como nuclefilo y ataca al carbono del carbonilo de una segunda molcula de

acetaldehdo, producindose

57


un in alcxido. En la tercera etapa, el in alcxido separa un protn del agua para formar

el alcohol. Esta etapa se lleva a cabo porque el in alcxido es una base mas fuerte que el

in hidrxido.

Ejercicio 6.18

Ilustre el mecanismo de autocondensacin de acetona en solucin alcalina de

hidrxido de sodio.

Otros ejemplos:

Es importante advertir que los aldehdos sufren condensaciones aldlicas con mayor

facilidad que las cetonas. Para los aldehdos la condensacin puede llevarse a cabo a

temperaturas entre 0-25 C en soluciones diluidas de NaOH. Para las cetonas hay que

usar temperaturas mas altas y un equipo especial.

Si el aldehdo o la cetona no tienen por lo menos un hidrgeno al grupo carbonilo no puede llevarse a cabo la autocondensacin. Por ejemplo:

58


Ejercicio 6.19

Cules de los siguientes aldehdos no pueden autocondensarse. Explique:

6.5.3.1 Deshidratacin de los Alcoholes

Un compuesto -hidroxicarbonlico sufre fcilmente deshidratacin (al calentar ligeramente el aldol en medio acido o bsico), porque el producto resultante contiene un

doble enlace conjugado con el grupo carbonilo.

Por consiguiente se puede obtener con facilidad un aldehdo ,-insaturado. como producto de la condensacin aldlica.

59


Si la condensacin se lleva a cabo con aldehdos y cetonas

aromticas, el producto aldol no llega a aislarse y slo se obtiene el compuesto ,-insaturado que tiene un alto grado de conjugacin (Por qu?). As, en la

autocondensacin de acetofenona se aisla directamente 1,3-difenil-2-buten-1-ona

6.5.3.2 Condensacin Aldlica Cruzada

Las adiciones aldlicas "mixtas" o "cruzadas" entre dos compuestos carbonilo

diferentes son de poca importancia sinttica (o preparativa) si ambos reactivos

tienen hidrgeno , porque tales reacciones producen una mezcla muy compleja de productos. Por ejemplo, si se llevara a cabo una adicin aldlica cruzada, entre

etanal y propanal se esperara obtener al menos cuatro productos. Dos por

condensacin de cada molcula de aldehdo consigo misma y dos por

condensacin cruzada.

60


Ejercicio 6.20

Escriba los cuatro posibles productos que se obtendran de la condensacin de

etanal y propanal:

Sin embargo, las reacciones aldlicas cruzadas son de uso prctico cuando uno de los

reactivos no tiene hidrgeno . Generalmente el compuesto carbonilo sin hidrgeno (un aldehdo) se coloca en el medio alcalino y luego se adiciona lentamente el otro reactivo

que tiene hidrgenos . De esta forma se asegura, que la concentracin del reactivo con hidrgenos sea baja y slo se encuentre como in enolato el cual atacar al compuesto carbonilo sin hidrgenos

La Tabla 6.3 muestra varios ejemplos de este tipo:

61


Tabla 6.3 Condensaciones Aldlicas Cruzadas

Ejercicio 6.21

Prediga los principales productos de:

62


6.5.3.3 Adiciones Aldlicas en Bioqumica

En las clulas vivas de las plantas y animales se llevan a cabo varias adiciones de tipo

aldlico. Una reaccin "in .vivo" de gran importancia en la sntesis de la glucosa implica la

adicin aldlica cruzada entre el 3-fosfato de R-gliceraldehdo y el fosfato de

dihidroxiacetona para producir 1,6-difosfato de D-fructosa. La enzima que cataliza esta

reaccin tiene el nombre apropiado de aldolasa. La reaccin es completamente

estereoselectiva y estereoespecfica; slo produce 1,6-difosfato de D-fructosa, aunque

tericamente es posible que se formen otros tres estereoismeros.

Una reacc in estereoselectiva es la que da predominantemente un enantimero de un par posible o un diasteremero de varios diasteremeros posibles.

Una reaccin estereoespecfica es aquella en la que molculas estereoqumicamente diferentes reaccionan en forma distinta.

La ltima definicin significa que para el caso de la reaccin enzimtica que estamos

tratando, solo una clase de enantimero del gliceraldehdo reacciona, el enatimero R.

Adems, ste solamente produce un estereoismero la D-fructosa.

63


La reaccin de la aldolosa, como otras adiciones aldlicas es reversible. La clula

puede entonces utilizar la reaccin para sintetizar glucosa (va 1,6-difosfato de

fructosa) o puede utilizarla para degradar glucosa (va 3-fosfato de gliceraldehdo y

fosfato de dihidroxiacetona) a dixido d carbono y agua. Puesto que la glucosa

tiene una energa qumica potencial mucho mayor que el dixido de carbono y el

agua, la sntesis de glucosa da a la clula un mtodo para almacenar energa.

6.6 PRUEBAS QUMICAS DE RECONOCIMIENTO DE ALDEHIDOS Y CETONAS

Los aldehdos y cetonas se caracterizan por la adicin de reactivos nucleoflicos al

grupo carbonilo, en especial los derivados de amoniaco (Sec. 6.3.4). As, por

ejemplo un aldehdo o una cetona reaccionar con la 2,4-dinitrofenilhidracina para

formar un slido insoluble, amarillo o rojo.

Los aldehdos se caracterizan y distinguen en particular de las cetonas por su

facilidad de oxidacin: los aldehdos dan la

64


prueba positiva con el reactivo de Tollens (Sec. 6.4), mientras que las cetonas

(excepto las -hidroxicetonas: ) la dan negativa.

Otros dos ensayos para distinguir los aldehdos son las soluciones de Fehling y

de Benedict. Ambos son alcalinos y contienen el in cobre (II), Cu2+, estabilizado

por un agente acomplejante. Este agente es el ion tartrato para Fehling y el ion

citrato para Benedict:

Un aldehdo reduce el in Cu2+ acomplejado, para formar xido cuproso

(precipitado rojo). No obstante estas tres reacciones no son exclusivas de

aldehdos sino de sustancias susceptibles a una oxidacin suave.

Lo que se observa cuando el ensayo es positivo es un cambio del color azul intenso

de la solucin del ion Cu2+ a un color naranja-rojo del precipitado de xido de cobre

(I). Los sistemas principales que dan este resultado son -hidroxialdehdos, -cetoaldehdos y hidroxicetonas.

65


-hidroxialdehdo -cetoaldehdo -hidroxicetona

Los -hidroxialdehidos y -hidroxicetonas son comunes a la-familia de los azcares (la Glucosa es un -hidroxialdehdo, la Fructosa es una -hidroxicetona).

El ensayo de Benedict es un mtodo comn para detectar la presencia de glucosa en la

orina. Normalmente, la orina no contiene glucosa, pero en ciertas condiciones, tal como la

diabetis s la contiene. Un ensayo positivo para glucosa vara desde un color verde

brillante (0.25% de glucosa), a un amarillo naranja ( 1% de glucosa) hasta un rojo-ladrillo

(2% de glucosa).

Dentro de las cetonas los metilcetonas se caracterizan por la prueba del yodoformo

(Sec. 6.5.2).

Por otro lado, los aldehdos y cetonas, que tienen hidrgenos , reaccionan con Br2/CCl4, reaccin que, por lo general, es demasiado lenta para confundirla con una prueba de

insaturacin, adems de que libera H-Br.

Ejercicio 6.2.1

Cmo diferenciara los siguientes pares de compuestos mediante pruebas qumicas

sencillas?

a) Ciclohexanona y ciclohexanol

66



b) 2-pentanona y 3-pentanona

c) pentanol y 2-pentanona

d) 2-penteno y 2-pentanona

67

aldehidos y cetonas reacciones de adicion nucleofilica

Documents