CAPÍTULO 18
ALDEHÍDOS Y CETONAS
(Reacciones de Sustitución Alfa al carbonilo)
Y
ALDEHÍDOS Y CETONAS a,b-INSATURADOS
(Síntesis y Reacciones de sistemas a,b-insaturados)
En éste capítulo discutiremos la reactividad de aldehídos y cetonas en la posición alfa (a), es decir el carbono contiguo al grupo funcional. El carácter polar del grupo carbonilo tiene un efecto acidificante sobre los hidrógenos a y permite la formación de alcoholes a,b-insaturados (enoles) y sus aniones correspondientes (iones enolatos).
Los pKa de aldehídos y cetonas van de 19 a 21, valores considerablemente inferiores a los pKa del eteno (44) o etino (25), aunque mayores que los de los alcoholes (15-19) ¿Cuál es la razón de la relativa acidez de los aldehídos y cetonas? Existen dos razones fundamentales: una es el efecto inductivo atrayente de electrones del carbono carbonílico, polarizado positivamente y otra de mayor importancia, es que los iones enolatos formados se hallan estabilizados por resonancia.
A continuación veremos las reacciones del carbono a, fruto de la enolización como también los métodos sintéticos y reacciones de sistemas a,b-insaturados de cetonas y aldehídos.
Reacciones de Sustitución Alfa de Grupos Carbonilos de Cetonas y Aldehídos:
Las reacciones de sustitución alfa ocurren en la posición contigua al grupo carbonilo -la posición alfa (a)- e implican la sustitución de un átomo de hidrógeno alfa por algún otro grupo. Se verifican a través de la formación de un enol o ion enolato como intermedios. Su estudio se iniciará aprendiendo un poco más de estas dos especies.
Tautomería Ceto-Enol.
Los compuestos carbonílicos que tienen átomos de hidrógenos en sus carbonos alfa se interconvierten en forma rápida con sus correspondientes enoles (eno + ol, alcohol insaturado). Esta rápida interconversión entre dos especies químicamente distintas es una clase especial de isomería conocida como tautomería. A los isómeros individuales se les llama tautómeros.
En el equilibrio, la mayoría de los compuestos carbonílicos existen casi exclusivamente en la forma ceto, y suele ser difícil aislar el enol en forma pura. Por ejemplo, a temperatura ambiente la ciclohexanona contiene sólo alrededor de 0.0001% de su tautómero enol, y la acetona sólo alrededor de 0.0000001% de su enol. El porcentaje del tautómero enol es aún menor en los ácidos carboxílicos y en sus derivados de acilo, como ésteres y amidas. Si bien los enoles son difíciles de aislar y en el equilibrio están presentes sólo en pequeña cantidad, son extremadamente importantes e intervienen en gran parte de la química de los compuestos carbonílicos.
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Ciclohexanona
99.999 9% 0.000 1% |
Acetona
99. 999 999 % 0.000 001% |
La tautomería ceto-enol de los compuestos carbonílicos eatá catalizada tanto por ácidos como por bases. La catálisis ácida implica la protonación del átomo de oxígeno del carbonilo (una base de Lewis), para formar un catión intermediario que puede perder un protón del carbono a y producir enol neutro.
La formación de un enol catalizada por base ocurre vía una reacción ácido-base entre el catalizador y el compuesto carbonílico. Este último actúa como un ácido prótico débil y dona a la base uno de sus hidrógenos a. Entonces el anión resultante -un ion enolato- vuelve a protonarse para producir un compuesto neutro.
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Mecanismo de la formación del enol catalizada por Ácido |
Mecanismo de la formación del enol catalizada por Base
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Preparación de Enolatos:
Cuando cetonas y aldehídos se tratan con bases fuertes, éstas provocan la desprotonación del carbono a; debido al carácter ácido de estos hidrógenos. Los pKa de aldehídos y cetonas van de 19 a 21, valores considerablemente inferiores a los pKa de alquenos y alquinos, aunque mayores a los de los alcoholes. Los aniones formados por desprotonación, los iones enolato, se hallan estabilizados por resonancia.
Producir cantidades estequiométricas de un enolato a partir de un aldehído es difícil debido a las reacciones secundarias (condensación aldólica). Las cetonas, sin embargo, pueden desprotonarse con diisopropilamiduro de litio o hidruro potásico.
RESUMEN DE LAS REACCIONES
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I.- Síntesis y reacciones de enolatos y enoles
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Ejemplos |
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1.- Preparación de enolatos
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2.- Alquilación de enolatos
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3.- Alquilación vía enaminas
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4.- Equilibrio ceto-enol
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En medio Ácido
En medio Básico
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5.- Halogenación (vía enolato)
(vía enol)
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6.- Condensaciones aldólicas
Condensación aldólica mixta (un aldehído no enolizable)
Condensación entre cetonas
Condensación aldólica intramolecular:
Se forman anillos sin tensión, preferentemente (cinco y seis átomos).
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II.- Síntesis aldehídos y cetonas a,b-insaturadas
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Ejemplos |
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6.- Condensaciones aldólicas.
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Ver ejemplos anteriores |
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7.- Bromación-deshidrobromación de aldehídos y cetonas.
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8.- Reacción de Wittig con iluros estabilizados.
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9.- Oxidación de alcoholes alílicos.
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10.- Isomerización de aldahídos b,g-insaturados.
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III.- Reacciones de aldehídos y cetonas a,b-insaturados.
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Ejemplos |
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11.- Hidrogenación. (Reducciones)
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12.- Adición de halogenos.
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13.- Adición de cianuro de hidrógeno.
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14.- Adición de agua, alcoholes y aminas.
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15.- Adición de reactivos organometálicos.
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16.- Condensación con derivados de aminas.
G = -OH, -NH2, -NHR, etc.
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17.- Reacción de Michael.
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18.-Anelación de Robinson.
Consiste en una : Michael y a continuación una Aldólica - intramolecular.
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Alquilación Sencilla y Doble de Enolatos.
La mayoría de alquilaciones tiene lugar sobre el carbono a, la reacción constituye un procedimiento general de introducción de un sustituyente alquilo en la posición contigua a un carbonilo. Uno de los problemas de este tipo de reacción es controlar la dialquilación. En las condiciones de reacción, la cetona monoalquilada puede ser desprotonada por el enolato de partida y ser objeto de alquilaciones sucesivas. Otra complicación es la que surge al alquilar cetonas asimétricas, ambas posiciones a pueden sufrir el ataque del electrófilo.
Ejemplos:
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27% 38% |
53% 47% |
Mecanismo de la alquilación de la ciclohexanona:
Alquilación vía Enaminas.
Las enaminas son ricas en electrones debido a la presencia del sustituyente nitrógeno. La resonancia entre el par de electrones solitario de dicho nitrógeno y el doble enlace posibilita el que éste pueda ser atacado por electrófilos. En efecto, las enaminas en presencia de haloalcanos se alquilan en el carbono a dando sales de iminio. El tratamiento acuoso de éstas las hidroliza por un mecanismo inverso al formulado para su formación. El resultado final es una cetona alquilada y la amina secundaria original.
Ejemplos:
Enamina de ciclohexanona 2-Butilcicloxexanona (44%)
2,2-Dimetilbutanal (70%)
Mecanismo de la alquilación vía enamina para la 3-Pentanona:
2-Metilpentanona
Halogenación de Aldehídos y Cetonas a través de intermedios de tipo enolato o enol.
Los aldehídos y cetonas reaccionan con halógeno mediante el carbono a al grupo carbonilo. En presencia de ácido, por ejemplo, la halogenación suele detenerse tras la incorporación del primer halógeno. La velocidad de halogenación catalizada por ácidos es independiente de la concentración de halógeno, lo cual sugiere un primer paso determinante de la velocidad que involucra al sustrato carbonílico. Dicho paso es la enolización. El halógeno ataca a continuación al doble enlace para dar un halocarbocatión intermedio, estabilizado por el oxígeno. La desprotonación subsiguiente de dicha especie proporciona el producto.
Ejemplos:
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Propanona Bromopropanona |
2-Metilciclohexanona 2-Cloro-2-metilciclohexanona |
Mecanismo de la bromación catalizada por ácido de la propanona (acetona):
ETAPA 1.- Enolización
ETAPA 2.- Ataque del halógeno
ETAPA 3.- Desprotonación
La entrada de un segundo halógeno es prácticamente nula. Para poder repetir la enolización, el compuesto halocarbonílico debe enolizarse de nuevo por el mecanismo habitual catalizado por ácidos. Sin embargo, la capacidad atrayente de electrones del halógeno hace que la protonación, el primer paso de la enolización, sea más difícil que en el compuesto carbonílico original. Los rendimientos de la monohalogenación suelen ser altos.
La halogenación catalizada por bases es totalmente diferente. En este caso lo difícil es detener la reacción, por lo que no suele tener utilidad. Con metilcetonas, sin embargo, el sustituyente trihalometil resultante actúa como grupo saliente en condiciones básicas y el producto final es en muchos casos un ácido carboxílico y el trihalometano (Reacción del haloformo).
3-Metil-2-butanona 1,1,1-Tribromo-3-Metil-2-butanona Ácido 2-Metilpropanoico Bromformo
Mecanismo de bromación catalizada por base de una metil cetona:
ETAPA 1.- Formación del enolato
ETAPA 2.- Ataque nucleófilo sobre el bromo
ETAPA 3.- Bromación completa
ETAPA 4.- Formación de ácido carboxílico
Condensación Aldólica.- Ataque de enolatos sobre la función carbonilo.
Los enolatos pueden atacar al carbono carbonílico para dar compuestos hidroxi-carbonílicos. La eliminación subsiguiente de agua conduce a aldehídos y cetonas a,b-insaturados. La secuencia global de ambos pasos constituye una reacción de condensación.
La condensación aldólica es general para aldehídos, aunque también puede realizarse con éxito sobre cetonas. El mecanismo de esta reacción es un ejemplo característico de la química de enolatos. En condiciones básicas empleadas, existe un equilibrio entre aldehídos y su enolato correspondiente. Éste, que se halla rodeado de aldehído en exceso, utiliza su carbono nucleófilo para atacar al carbonilo de una molécula de aldehído. La protonación del alcóxido resultante proporciona el aducto aldólico inicial, el 3-hidroxibutanal, al cual se le ha dado el nombre corriente de aldol.
Mecanismo de formación del aldol:
ETAPA 1.- Formación del enolato.
ETAPA 2.- Ataque nucleófilo.
ETAPA 3.- Protonación.
A temperaturas elevadas el aldol se convierte en su enolato, que sufre una eliminación de ion hidróxido para dar lugar al producto final. El resultado neto es la deshidratación del aldol catalizada por hidróxido. Las condensaciones aldólicas suelen ser de diferentes tipos, entre las que están las intramoleculares que conducen a la formación de anillos.
Mecanismo de la deshidratación:
Ejemplos de condensaciones aldólicas:
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2-Metilpropanal 3-Hidroxi-2,2,4-trimetilpentanal |
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Preparación y química de los Aldehídos y Cetonas a,b-insaturados.-
Los aldehídos y cetonas a,b-insaturados contienen dos grupos funcionales. Al igual que otros compuestos difuncionales, su química puede ser simplemente una composición de las reactividades de los dos tipos de doble enlace o bien, puede involucrar a la función enona de forma global. En este apartado revisaremos los métodos de preparación de dichas moléculas.
Los aldehídos y cetonas a,b-insaturados pueden prepararse por reacciones ya conocidas por el estudiante que han sido comentadas con anterioridad en este capítulo, conjuntamente con otras ya estudiadas, como por ejemplo las eliminaciones. Éste es el caso de la halogenación en el carbono a y posterior eliminación en medio básico.
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Ciclopentanona 2-Ciclopentenona (73%) |
En este caso el doble enlace carbono-carbono puede formarse en la posición contigua al carbonilo mediante la cloración en medio ácido seguida de una deshidrocloración catalizada por base, con buenos rendimientos. |
Otro método eficaz de formar cetonas y aldehídos a,b-insaturados es por la reacción de Wittig. Por ejemplo, el 2-cloroetanal puede convertirse en la sal de fosfonio y posteriormente ser desprotonado al iluro correspondiente; que reacciona un aldehído para dar la formación de un aldehído a,b-insaturado.
Ejemplo:
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Iluro estabilizado
Heptanal 2-Nonanal (81%) |
Los iluros formados de esta manera no reaccionan con cetonas. Son posibles otras reacciones análogas con otros iluros de alcanoílo. |
Otro de los métodos empleados comúnmente para la preparación de los aldehídos y cetonas a,b-insaturados es la isomerización en medio ácido o básico de sistemas b,g-insaturados. Así por ejemplo, los compuestos carbonílicos b,g-insaturados se transponen fácilmente a sus isómeros conjugados. Se dice que el doble enlace carbono-carbono “entra en conjugación” con el grupo carbonilo.
Ejemplos:
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3-Butenal 2-Butenal |
3-Ciclohexanona 2-Ciclohexanona |
La ruta catalizada por ácidos transcurre a través del dienol conjugado. La protonación en el extremo más alejado del grupo hidroxilo genera un carbocatión estabilizado por resonancia que se desprotona en el oxígeno para dar el producto. En la reacción catalizada por bases, el intermedio es el ion dienolato conjugado, que sufre reprotonación en el carbono extremo. Ambos mecanismos se ilustran a continuación:
Mecanismo de la isomerización catalizada por ácidos de compuestos carbonílicos
b,g- insaturados:
Mecanismo de la isomerización catalizada por bases de compuestos carbonílicos
b,g-insaturados:
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Reacciones que Sufren los Aldehídos y Cetonas a,b-insaturados.
Los aldehídos y cetonas a,b-insaturados dan lugar a muchas reacciones perfectamente predecibles a partir de la química ya conocida de los dobles enlaces carbono-carbono y carbono-oxígeno. Por ejemplo la hidrogenación con paladio sobre carbono da el compuesto carbonílico saturado. Ciertos catalizadores especiales provocan la reducción selectiva del grupo carbonílico sin afectar al doble enlace del alqueno.
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El hidrógeno empleado con Paladio/Carbono, produce solamente la hidrogenación del enlace carbono-carbono, de manera casi cuantitativa (95%)
Cuando se emplea hidrógeno en presencia de óxido de plata, sulfato de hierro y acetato de cinc, y además a bajas presiones de obtiene la hidrogenación del grupo carbonilo sin dañar el enlace carbono-carbono. |
La halogenación es otra de las reacciones que sufre solamente el doble enlace carbono-carbono. Por ejemplo la bromación proporciona un compuesto dibromocarbonílico.
3-Penten-2-ona 3,4-Dibromo-2-pentanona
Adiciones 1,4 a Aldehídos y Cetonas a,b-insaturados.
Las reacciones anteriormente comentadas pueden clasificarse como adiciones 1,2 a alguno de los enlaces p del sistema, ya sea el carbono-carbono o el carbono-oxígeno. Sin embargo, algunos reactivos se adicionan de forma 1,4 al sistema conjugado, lo que se denomina adición conjugada. En tales transformaciones la parte nucleófila del reactivo se une al carbono b y la electrófila (normalmente un protón) se une al oxígeno carbonílico . El producto inicial es un enol, que sufre posteriormente un reordenamiento a la forma ceto.
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Adición 1,2 de un reactivo polar A-B a una enona conjugada.
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Adición 1,4 de un reactivo polar A-B a una enona conjugada. |
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Las adiciones 1,4 son realizadas tanto en medio ácido como medio básico.
Ejemplos:
(a) Adición de cianuro de hidrógeno. 
Mecanismo de adición:
(b) Adiciones 1,4 de Agua, Alcoholes y Aminas.
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Adición de Agua:
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Adición de Aminas:
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Adición de Alcoholes:
Mecanismo de adición:
(c) Los reactivos organometálicos dan adiciones del tipo 1,2 ó 1,4.
Los reactivos organometálicos pueden adicionarse a la función carbonilo a,b-insaturada de forma 1,2 ó 1,4. Los reactivos organolíticos, por ejemplo, reaccionan preferentemente mediante ataque nucleofílico sobre el carbono carbonílico. En cambio las adiciones 1,4 suelen ocurrir con reactivos del tipo R2CuLi, mediante un mecanismo bastante complejo para discutir en este capítulo.
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Adición 1,2:
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Adición 1,4:
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Reacción de Michael y Anelación de Robinson.
Los iones enolatos dan adiciones conjugadas a aldehídos y cetonas a,b-insaturados, una reacción que se conoce como reacción de Michael[1]. Dicha transformación funciona mejor con enolatos derivados de compuestos b-dicarbonílicos, si bien también tiene lugar con sistemas más sencillos. El mecanismo de la reacción de Michael incluye el ataque nucleófilo del ion enolato sobre el carbono b del compuesto carbonílico insaturado, seguido de protonación.
Ejemplos de reacción de Michael.
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Mecanismo de la reacción de Michael:
Los productos obtenidos por la reacción de Michael en ciertos casos pueden dar lugar a una posterior condensación aldólica intramolecular, con la formación de un anillo. La secuencia sintética, que comprende una adición de Michael seguida por una condensación aldólica intramolecular, se llama también anelación de Robinson[2]. La anelación de Robinson ha sido empleada extensamente en la síntesis de anillos.
Ejemplos de Anelación de Robinson:
Producto final de la reacción de
Robinson (86%)