Compuestos Difuncionales
Los compuestos difuncionales presentan una gran diversidad química, por lo que haremos un estudio dedicados sólo a los más significativos, son ejemplos de compuestos difuncionales Dioles, Hidroxialdehídos, Hidroxicetonas, Hidroxiácidos, Ácidos dicarboxílicos, Dicetonas, Cetoaldehídos, Cetoácidos, Cetoésteres, etc.
Reacciones de los dioles:
Una reacción importante de los dioles 1,2- y 1,3- es la que dan con aldehídos y cetonas para formar acetales y cetales cíclicos, (véase el mecanismo en el capítulo 17) utilizada para proteger al grupo carbonilo. Los dioles con las funciones hidroxi separadas por más de tres carbonos no presentan, en general, esta reacción, debido a que el anillo resultante sería de siete o más eslabones.
Ejemplos:
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La deshidratación de los 1,2-dioles en presencia de catálisis ácida va acompañada con frecuencia de una transposición de esqueleto. Por ejemplo, el pinacol (2,3-dimetilbutano-2,3-diol), reacciona con ácido sulfúrico produciendo la t-butilmetilcetona, denominada vulgarmente “pinacolona” (Transposición pinacolínica).
Ejemplos:
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Pinacol Pinacolona |
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Mecanismo de la transposición pinacolínica:
La deshidratación de 1,4- y 1,5-dioles produce con frecuencia éteres cíclicos, sobre todo cuando uno de los grupos hidroxi es terciario.
Ejemplos:
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Mecanismo de ciclación:
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La reacción se produce por desplazamiento nucleófilo intramolecular. |
Transcurre probablemente a través de un carbocatión terciario que es atrapado por el segundo hidroxi secundario. |
Los 1,2-dioles se rompen con facilidad por el enlace carbono-carbono entre los dos carbonos con los grupos hidroxi, cuando se tratan con ácido peryódico HIO4 o tetracaetato de plomo. Combinada con el proceso de hidroxilación, esta oxidación constituye un método de ruptura de alquenos, complementario a la ozonólisis. (véase capítulo 14).
La oxidación peryódica comprende la formación de un diéster cíclico del ácido peryódico, que por descomposición produce dos fragmentos carbonílicos y ácido yódico.
Ejemplos:
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Compuestos a-hidroxicarbonilicos: Hidroxialdehídos e Hidroxicetonas
Síntesis:
Los a-hidroxialdehídos se obtienen por tratamiento de los ésteres con sodio en un disolvente inerte tal, como éter o benceno. Estos compuestos se denominan aciloínas y la reacción recibe el nombre de condensación aciloínica. El producto inicial de la reacción es la sal disódica de un enodiol, que se hidroliza produciendo la aciloína.
Ejemplo:
La condensación aciloínica es un método útil para la síntesis de compuestos cíclicos, sobre todo los de tamaño medio (8-13 eslabones). En estos casos, la reacción debe efectuarse bajo condiciones de alta dilución para evitar reacciones intermoleculares.
Ejemplos de condensación aciloínica intramolecular:
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El mecanismo de esta reacción es similar al del acoplamiento pinacolínico. En primer lugar, el éster se convierte en anión radicalario por transferencia de un electrón del metal, quizás directamente al carbono carbonílico polarizado positivamente. A continuación las especies resultantes se dimerizan dando el dianión del diol correspondiente.
Mecanismo de la condensación aciloínica:
Los alquenos, los alquinos y los éteres no resultan afectados por estas condiciones de reacción.
a-hidroxicetonas a partir de aldehídos: condensación benzoínicas:
Una segunda aproximación a la preparación de a-hidroxicetonas es la dimerización de aldehídos en presencia del correspondiente catalizador. Por ejemplo, al tratar el bencenocarboxaldehído (benzaldehído) con una cantidad catalítica de cianuro sódico en etanol acuoso se obtienen con buen rendimiento la 2-hidroxi-1,2-difeniletanona.
Ejemplo:
Benzaldehído 2-hidroxi-1,2-difeniletanona
(Benzoína)
El ion cianuro cataliza la reacción únicamente para el caso de aldehídos aromáticos. Sin embargo, los aldehídos alifáticos sufren el mismo acoplamiento en presencia de sales de tiazolio.
Ejemplo:
Pentanal 6-Hidroxi-5-decanona
Mecanismo de la condensación benzoínica:
Hidroxiácidos:
En la naturaleza existen numerosos hidroxiácidos importantes y poseen nombres vulgares de uso corriente. El ácido láctico es responsable del olor y sabor característicos de la leche agria. El ácido máleico se encuentra en los jugos de frutas. El ácido tartárico se conoce desde tiempos inmemoriales como sal monopotásica (crema tartárica) que se deposita en el poso del vino. El ácido cítrico es un ácido hidroxitricarboxílico que abunda mucho en la naturaleza.
a-hidroxiácidos:
El método más corriente para obtener a-hidroxiácidos consiste en la hidrólisis de a-haloácidos, (se obtienen por la reacción de Hell-Volhard-Zelinsky, ver capítulo 20).
Ejemplo:
Ácido butanoico Ác.-2-hidroxi-butanoico
Los a-hidroxiácidos se obtienen también por hidrólisis de las cianohidrinas, que resultan de la reacción de HCN con aldehídos o cetonas (ver capítulo 17). Dado que la adición de HCN a un grupo carbonilo se invierte en las condiciones fuertemente básicas necesarias para hidrolizar un nitrilo a un ácido, dicha hidrólisis se efectúa en condiciones ácidas.
Ejemplo:
2-Hexanona Ácido-2-hidroxi-2-metil-hexanoico
Transposición del ácido bencílico:
Es posible obtener a-hidroxiácidos empleando compuestos a-dicarbonílicos, como a-cetoaldehídos y las a-cetocetonas, por hidratación en medio básico. Bajo estas condiciones, la difeniletanodiona (bencilo) se convierte en el ácido difenilhidroxietanoico (bencílico).
Difeniletanodiona (Bencilo) Sal pótasica del ácido bencílico
Cuando la reacción ocurre en las a-dicetonas cíclicas, la transformación implica contracción del anillo.
Ejemplo:
Otros hidroxiácidos se obtienen por hidrólisis de lactonas, que se obtienen mediante la oxidación de Baeyer-Villiger de las cetonas.
Ejemplo:
2-Metil-ciclohexanona Ácido-6-hidroxi-heptanoico
(e-hidroxiácido)
Si se emplea la cetona cíclica adecuada, se puede obtener el hidroxiácido deseado, el problema radica que los hidroxiácidos mayores están el equilibrio con su forma cíclica (lactona). La lactonización, al igual que la esterificación normal, es un proceso en equilibrio; sólo cuando la lactona tiene un anillo de cinco o seis eslabones existe una cantidad importante de lactona en el equilibrio.
Ejemplos:
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ácido-g-hidroxibutanoico g-butirolactona (27%) (73%) |
ácido-d-hidroxipentanoico d-valerolactona (90%) (10%) |
Preparación de compuestos b-dicarbonílicos:
Existen los 1,2-compuestos, que aunque son bastante raros, sí poseen ciertas propiedades químicas interesantes. El grupo más importante de compuestos dicarbonílicos es el de los 1,3-isómeros debido a su importancia en la síntesis.
Compuestos b-dicarbonílicos por condensación de Claisen.
Los compuestos 1,3-dicarbonílicos se obtienen siempre utilizando una reacción de condensación tipo Claisen (véase el mecanismo en el capítulo 21, páginas 414-416). Las b-dicetonas y los b-cetoaldehídos se obtienen por una condensación de Claisen cruzada, utilizando una cetona y un éster. En la condensación de Claisen cruzada de cetonas y ésteres se obtienen buenos resultados, debido a que las cetonas son notablemente más ácidas que los ésteres, por lo tanto, en el medio básico la cetona se desprotona en mayor grado que el éster.
Ejemplos:
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Etanoato de metilo Acetoacetato de metilo |
(90%) |
(85%)
Los b-cetoésteres pueden hidrolizarse para dar lugar a los b-cetoácidos los cuales sufren una descarboxilación térmicamente de la misma manera que los 1,3-diácidos.
Los ácidos dicarboxílicos experimentan diversas reacciones térmicas, una de ellas es la descarboxilación cuando se calientan, por ejemplo el ácido málonico se descarboxila suavemente cuando se calienta a 150 ºC y produce ácido acético.
Ácido málonico Ácido acético
Descarboxilación:
El mecanismo de descarboxilación de b-cetoácidos es idéntico al descrito para diácidos, transcurre a través de un estado de transición de seis centros, concertado. El producto inicial en el caso de un b-cetoácido es la forma enólica de la cetona la cual por equilibrio cetoenolico da el compuesto carnonílico sencillo.
Acidez de los compuestos 1,3-dicarbonílicos:
Los compuestos 1,3-dicarbonílicos que poseen un hidrógeno unido al carbono que se encuentra entre los dos grupos carbonilo, son ácidos mucho más fuertes que los aldehídos, cetonas o ésteres normales, debido a que la carga en el ion enolato resultante puede deslocalizarse en ambos grupos carbonilo.
ion enolato estabilizado por resonancia
En la Tabla 22.1 se muestran algunos valores de pKa típicos para estos tipos de sistemas. La acidez de los compuestos 1,3-dicarbonílicos es tan grande que se convierten en sus bases conjugadas de forma cuantitativa por acción del ion hidróxido en agua o del ion alcóxido en un disolvente alcohólico.
TABLA 22.1.- Valores de pKa para sistemas b-dicarbonílicos y análogos.
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Nombre |
Estructura |
pKa |
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2,4-Pentanodiona (Acetilacetona) |
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9 |
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2-Cianoetanoato de metilo (2-Cianoacetato de metilo) |
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9 |
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3-Oxobutanoato de etilo (Acetoacetato de etilo) |
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11 |
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Propanodinitrilo (Malonodinitrilo) |
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13 |
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Propanodioato de dietilo (Malonato de dietilo) |
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13 |
Los aniones b-dicarbonílicos son nucleófilos:
La elevada acidez de los compuestos b-cetocarbonílicos hace que se puedan utilizar en síntesis, ya que los iones enolato que se obtienen por desprotonación pueden alquilarse para dar derivados sustituidos.
Ejemplos:
Síntesis acetoacética:
Si se emplea acetoacetato de etilo como sustancia de partida, la combinación de la alquilación, hidrólisis y la descarboxilación proporciona una síntesis de alquilmetilcetonas.
Acetoacetato de etilo Una metilcetona
Ejemplos:
Síntesis malonica:
Si se emplea el malonato de dietilo en una alquilación con posterior hidrólisis y descarboxilación el producto final resulta ser un ácido carboxílico simple.
Ejemplos:
La principal limitación de estas síntesis es la eliminación bimolecular que puede experimentar el derivado halogenado durante el proceso de alquilación, que se produce por un mecanismo Sn2. La importancia de dicha reacción secundaria de eliminación depende de la estructura del R-X. Los haloalcanos terciarios que reaccionan con aniones b-dicarbonílicos dan preferentemente productos de eliminación. Sin embargo, los aniones pueden ser atacados por haluros de alcanoilo, a-bromoésteres, a-bromocetonas y oxaciclopropanos.
Condensación de Knoevenagel:
En la condensación de Knoevenagel[1], el compuesto b-dicarbonílico se trata con una cantidad catalítica de una base débil, tal como la N-etiletanamina (dietilamina), en presencia de un aldehído o cetona para dar el producto de condensación aldólica.
Ejemplo:
La adición de Michael:
Al tratar los aniones b-dicarbonílicos con compuestos carbonílicos a,b-insaturados se producen adiciones 1,4 (adición de Michael). La reacción va bién con cetonas a,b-insaturadas, aldehídos, nitrilos, y derivados de ácidos carboxílicos, requiriendo únicamente cantidades catalíticas de base.
Ejemplos:
