1.
REACCIONES DE ADICIÓNAL GRUPO CARBONILOJuan Carlos Argoti B. Ph. D.Departamento de QuímicaUniversidad del Cauca

2.
CONTENIDOReacciones de adición al grupo carbonilo Generalidades de aldehídos, cetonas, ácidos y derivados de ácido Reactividad del grupo carbonilo Adición del cianuro, oxigeno, azufre, hidruro, carbono comonucleófilo, compuestos organometálicos El átomo de carbono en alfa Enolización de aldehídos y cetonas Aniones enolato adición-deshidratación, reacción aldólica Nitrógeno como nucleófilo

3.
ALDEHÍDOS, CETONAS, ÁCIDOS Y DERIVADOS DE ÁCIDOEl grupo carbonilo se encuentra en muchoscompuestos:AldehídosCetonasy muchas otras funciones orgánicasSin duda es el grupo funcional más importantede la química orgánica

4.
REACTIVIDAD DELGRUPO CARBONILO POLARIDAD Enlace doble C=O +δ -δ El oxígeno es mas electronegativo que el carbono .. Dipolo permanente 2-3 debyes (D) C O .. El carbonilo es un grupo POLAR El grupo carbonilo se representa mediante dos estructuras de resonancia (A y B) _ .. + .. La estructura resonante A constituye la C O .. C O .. mejor representación del grupo carbonilo, porque todos los átomos poseen A B su octeto La estructura B pone de relieve la naturaleza polar del grupo carbonilo

5.
REACTIVIDADNUCLEOFILA Y ELECTROFILA _ + .. C O .. BCon base en la estructura de resonancia B:El átomo de carbono deberá ser algo positivo: ELECTROFILO,podrá reaccionar con NUCLEOFILOSEl átomo de oxígeno deberá ser algo negativo (rico enelectrones) NUCLEOFILO, podrá reaccionar con ELECTROFILOS

6.
REACTIVIDADNUCLEOFILA Y ELECTROFILA ADICIÓN NUCLEOFILA AL GRUPO CARBONILO Nu:- + C O Nu C O- Nu C O- + H2O Nu C OH + HO-La capacidad del oxígeno para acomodar el par electrónicosobrante facilita el ataque al carbonoLa reacción se completa con la abstracción de un protón(electrofilo) del disolvente

7.
REACTIVIDADNUCLEOFILA Y ELECTROFILAADICIÓN ELECTROFILA AL GRUPO CARBONILO + C O .. E .. C O + E+ .. .. +C O E ..

8.
REACTIVIDADNUCLEOFILA Y ELECTROFILA + C O .. H .. C O + H+ .. Ácido conjugado Base .. de Lewis +C O H ..Muchas reacciones de adición a los compuestos carbonílicos soncatalizadas por ácidos (bases de Lewis) debido al par de electrones nocompartido del oxígenoEl ácido conjugado es un electrófilo mas reactivo que el compuestocarbonílico neutroDe esta forma NUCLEOFILOS de poca reactividad generalmenteneutro(Débiles) pueden reaccionar con aldehídos y cetonas

9.
FACTORES ELECTRÓNICOS YESTÉRICOS

10.
FACTORES ELECTRÓNICOS R R .. .. C O C O .. .. R HLos aldehídos en general son mas reactivos que las cetonas frente aNUCLEOFILOSEste hecho se debe a factores electrónicos y estéricosLos grupo alquilo R SON DEBILMENTE ELECTRON-DADORES encomparación con el H, por lo tanto la cetona tiene MENOR tendencia aatraer un nucleófiloEL grupo carbonilo de aldehído es MAS ELECTROFILO

11.
FACTORES ESTÉRICOS O Nu:- El carbono y los tres átomos unidos directamente se encuentran sobreun plano con ángulos cercanos a 120o Trigonal plana Hibridación sp2Un nucleófilo podrá aproximarse al carbonilo por cualquiera de los doslados

12.
FACTORES ESTÉRICOS 120o 109o R Nu Nu:- + O O- R R R Trigonal TetraédricaUna cetona posee dos grupos alquilo ó arilo unidos al carbono carbonílicopor tanto la adición produce una mayor compresión en el estado detransición que conduce al producto y una menor velocidad de reacciónEn un aldehído los hidrógenos ocupan menos espacio por tanto menorcompresión

13.
ADICIÓN DE NUCLEOFILOS

14.
CIANURO COMO NUCLEOFILOReacción de la cianhidrinaEs la reacción de adición nucleofílica de HCN a aldehídos y cetonas POCOIMPEDIDOS formándose 2-hidroxinitrilos (CIANHIDRINAS) .. CN C O + .. HCN C OH CianhidrinaAdición del cianuro de hidrógeno al acetaldehído H3C .. CN CN- + C O H3C C O- .. H H Alcóxido CN CN - H3C C O- + HCN H3C C OH + CN H H Cianhidrina del acetaldehído

15.
CIANURO COMO NUCLEOFILOReacción de la cianhidrinaEl cianuro de hidrógeno es un gas sumamente tóxico (Se utiliza en lacámara de gas)Como gas se utiliza a escala industrialA nivel de laboratorio se emplea cinauro de sodio ó de potasio en solucióntamponada ácida como fuente de HCN (Generación in situ)La reacción es útil porque se forma un nuevo enlace CARBONO-CARBONOy el producto posee dos grupos funcionales (hidroxilo y nitrilo)

16.
Cianuro como nucleófilo Ejemplos1. Complete las siguiente reacciones H2OC6H5CH2CHO + NaCN C6H5CH2CHCN H2SO4 OH 3-fenil-2-hidroxipropanonitrilo cianhidrina del fenil acetaldehído H2OHCHO + KCN HOCH2CN H2SO4 2-hidroxiacetonitrilo cianhidrina del formaldehído2. Escriba la ecuación de la reacción de cada uno de los siguientes compuestos con UNEQUIVALENTE de HCN O CHO CHO CH2CHO

17.
CIANURO COMO NUCLEOFILOEfectos electrónicosLa adición de cianuro de hidrógeno es una reacción reversible OH CHO CHCN + HCN K = 211 OH CHO CHCN + HCN K = 110 H3C H3C OH CHO CHCN K = 32 + HCN H3CO H3CO OH CHO CHCN K = 2.6 + HCN (H3C)2N (H3C)2N O OH H3C C CH3 + HCN H3C C CH3 K = 32 CN O OH C6H5 C CH3 + HCN C6H5 C CH3 K = 0.8 CN

18.
CIANURO COMO NUCLEOFILOEfectos electrónicos O O- C C H H + HCN .. H3CO .. H3CO + Benzadehído Vs p-metoxibenzadehídoEl grupo metoxilo es un grupo electron-dador y aporta densidadelectrónica al grupo carbonilo por medio de la DESLOCALIZACIÓN ATRAVÉS DEL ANILLOEl resultado es que el p-metoxibenzaldehído está estabilizado porRESONANCIA mas de lo que esta el benzaldehído

19.
CONSULTACIANURO COMO NUCLEOFILO• Consulte algunos ejemplos de cianhidrinas en la naturaleza• Es probable la adición de otros ácidos al grupo carbonilo?

20.
OXÍGENO O AZUFRE COMO NUCLEOFILOAcetales, cetales e hidratos El agua y los alcoholes pueden actuar de diversas maneras: Disolventes Nucleofilos débiles Adición de 1mol de Alcohol 1 mol aldehído + 1 mol alcohol hemiACETAL OH RCHO + ROH RCH Aldehído OR Hemiacetal 1 mol cetona + 1 mol alcohol hemiCETAL OH RCOR + ROH RCR Cetona OR Hemicetal

21.
OXÍGENO O AZUFRE COMO NUCLEOFILOAcetales, cetales e hidratos La formación de hemiACETALES y hemiCETALES es una reacción reversible Las reacciones son en general catalizadas por ACIDOS El proceso ácido-catalizado incrementa el carácter electrofílico del grupo carbonilo + : OH H H + : O: : OCH3 : OCH3 CH3OH + H+ + H+ H OH OH : OH + H

22.
La formación de hemiACETALES y hemiCETALES NO es por lo general unproceso energéticamente favorable (Constantes de equilibrio menores auno)Los hemiACETALES y hemiCETALES cíclicos juegan un papel muyimportantes en productos naturales como los carbohidratos

23.
Estructura cíclica de carbohidratos D-ALDOSAS

24.
Estructura cíclica de carbohidratos D-CETOSAS

25.
Estructura cíclica de carbohidratos ESTRUCTURAS DE FISHERALDOSAS CHO CHO CHO CHO H OH HO H H OH H OHHO H HO H HO H H OH H OH H OH HO H H OH H OH H OH H OH H OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH D-Glucosa D-Manosa D-Galactosa D-Alosa

26.
Estructura cíclica de carbohidratos ESTRUCTURAS DE FISHERCETOSAS CH2OH CH2OH CH2OH O O O OH H H OH H OH H OH HO H H OH H OH H OH CH2OH CH2OH CH2OH D-Fructosa D-Sorbosa D-Ribulosa

27.
Estructura cíclica de carbohidratos ESTRUCTURAS CÍCLICAS DE LOS CARBOHIDRATOS H O CH2OH CH2OH H OH a O OH OH H e b OH CH2OHOH H OH H c d H OH O -D-Fructopiranosa H OH a OH H O OH H d OH c b OH H H OH e CH OH 2 CH2OH OHD-Fructosa OH H -D-Fructopiranosa

28.
Estructura cíclica de carbohidratos ESTRUCTURAS CÍCLICAS DE LOS CARBOHIDRATOS CH2OH CH2OH CH2OH O H OH a O OH OH b H CH2OH OHOH H CH2OH CH2OH CH2OH OH H c d d H OH -D-Fructofuranosa H OH O O H OH a a d Hc H OH OH c b b CH2OH OH O OH H OH H H OH CH2OH CH2OHD-Fructosa OH OH H -D-Fructofuranosa

29.
OXÍGENO O AZUFRE COMO NUCLEOFILOAcetales, cetales e hidratos Adición de 2 moles de Alcoholes 1 mol aldehído + 2 mol alcohol ACETAL OR RCHO + 2 ROH RCH Aldehído OR acetal 1 mol cetona + 2 mol alcohol CETAL OR RCOR + 2 ROH RCR Cetona OR cetal La secuencia implica la reacción ácido-catalizada de una segunda molécula de alcohol sobre el hemiacetal ó hemiacetal

30.
Formación de acetales y cetales Mecanismo H + OCH3 :O: + CH3OH + H+ Reacción inversa .. H OH ..: OCH3 + H+ OCH3 OH + OCH3 + H2O OH2 + + OCH 3 OCH3 + OCH3 OCH3 + H+ + OCH3 + CH3OH OCH3 H + OCH 3

31.
Formación de acetales y cetales Ejercicios en clase H+3-metilbutanal + metanol exceso H+ciclopentanona + etilenglicol H+5-hidroxipentanal H3O+(CH3)3CCH2CH2CH(OCH3)2

32.
OXÍGENO O AZUFRE COMO NUCLEOFILOFormación de Hidratos Adición de agua 1 mol aldehído + agua HIDRATO OH RCHO + H2O RCH Aldehído OH Hidrato 1 mol cetona + agua HIDRATO OH RCOR + H2O RCR Cetona OH Hidrato La adición de agua conduce a la formación de compuestos dihidroxilados denominados HIDRATOS (gem-dioles)

33.
OXÍGENO O AZUFRE COMO NUCLEOFILOFormación de Hidratos La reacción No es de importancia sintética, ya que el equilibrio suele ser desfavorable para la mayoría de aldehídos y cetonas Compuesto K HCHO 2X103 CH3CHO 1,3 Cl3CCHO 3X104 (CH3)2C=O 2X10-3 (CH3)2CHCHO 0,5 (CH3)3CCHO 0,2

34.
El caso del metanal es interesanteP. ebullición: -21 oC, gas a temperatura ambienteEs uno de los compuestos carbonílicos que existe casi por completo comohidrato, en solución acuosa (K = 2 X 103) O OH + H2O H H H H OH Formaldehído Metanodiol Cuando se intenta aislar el hidrato se recupera el formaldehído y agua Al separar el hidrato se libera formaldehído y agua y se reestablece el equilibrio (La reacción inversa es cinéticamente rápida) La reacción directa es aun más rápida

35.
O OH + H2O H3C H K = 1.3 H3C H OH O OH + H2O Cl3C H K = 3 X 104 Cl3C H OH _ O _ O _ H3C H Cl3C HEl hidrato de cloral es un sólido estable de acción hipnótica y sedante.Gotas K.O. ó Mickey FinnLa constante de equilibrio de formación es elevadaEn el cloral se observa un efecto opuesto de los dipolos, de forma que elcloral es mas inestable que el acetaldehído

36.
OXÍGENO O AZUFRE COMO NUCLEOFILOAdición de tiolesLos tioles son los equivalentes azufrados de los alcoholesTambién se conocen como mercaptanos O S R H R H Alcohol TiolReaccionan fácilmente con aldehídos y cetonas debido a que el azufre esmas nucleófilo que el oxígeno RCHO + 2RSH RCH(SR)2 + H2O RCOR + 2RSH R2C(SR)2 + H2O

37.
Formación de tioacetales y tiocetales Ejercicios en clase S H+ + 2 SH O S1-fenil-2-propanona Etanotiol 2,2-dietil-1-fenilpropano Tioacetal O O H+ SC3H7 H + SH O OH fenilglioxal propanotiol 1-fenil-2-hidroxi-2-propiltioetanona Hemitioacetal

38.
HIDRURO COMO NUCLEOFILOReducciónLos compuestos carbonílicos corresponden un nivel intermedio deoxidación O O R OH Reducción Oxidación R H R OH

39.
AGENTES DE TRANSFERENCIADE HIDRUROLa mayoría de reducciones de compuestos carbonílicos se realizan conagentes que transfieren HIDRUROSon reactivos capaces de reducir fácilmente aldehídos y cetonasMETAL COMPUESTO FÓRMULABoro Borohidruro de sodio NaBH4Aluminio Hidruro de Litio y aluminio LiAlH4

40.
NaBH4 Agente reductor moderado, por lo tanto selectivo Reacciona rápidamente con Aldehídos y cetonas La reducción con NaBH4 usualmente es hecha en medio acuoso básico o metanólico 1. MeOH/H2O/OH- 2. H3O+ 4C6H5CH=CHCHO + NaBH4 4C6H5CH=CHCH2OH 3-fenil-2-propenal 3-fenil-2-propenol

41.
LiAlH4 Agente reductor muy poderoso y reactivo Reduce rápidamente ésteres, ácidos, nitrilos, amidas, al igual que aldehídos y cetonas La reducción DEBE ser llevada a cabo en solventes apróticos (Éter o THF) LiAlH4 reacciona rápidamente con solventes próticos formando hidrógeno molecular LiAlH4 + 4H2O 4H2 + LiOH + Al(OH)3 Ni el NaBH4, ó LiAlH4 reaccionan con dobles enlaces

42.
Mecanismo Activación del grupo carbonilo por coordinación con el catión metálico Transferencia de hidruro Todos los cuatro hidruros pueden ser transferidos

43.
ESTEREOQUIMICA DE LA REDUCCIÓN CON HIDRUROS En la reducción de un compuesto carbonílico (aldehido ó cetona acíclico) el ataque del hidruro tiene la misma probabilidad por cualquiera de los dos lados Pero en un compuesto carbonílico cíclico el acceso al carbono puede ser mas favorable por un determinado lado O H OH(H3C)3C (H3C)3C OH + (H3C)3C H H H H 4-t-butilciclohexanona trans-4-t-butilciclohexanol cis-4-t-butilciclohexanol LiAlH4 90% 10% Li(CH3CH2CH(CH3))AlH 12% 88%

44.
CARBONO COMO NUCLEOFILOCompuestos Organometálicos

45.
CARBONO COMO NUCLEOFILOCompuestos OrganometálicosNaturaleza de los Compuestos OrganometálicosEl átomo de carbono es mas electronegativo que la mayoría de los metales - + C M Enlace Carbono-metal Diferencia de EN entre C-M Carácter ionico (%) C-K 1.7 51 C-Na 1.6 47 C-Li 1.5 43 C-Mg 1.3 34 C-Zn 0.9 18 C-Cd 0.8 15 C-Hg 0.6 9

46.
CARBONO COMO COMO NUCLEOFILOCompuestos Organometálicos Reacción de Grignard La utilización de los reactivos organomagnésicos se inicio a principio del siglo XX por el químico francés Victor Grignard Premio Nobel de Química 1912 La reacción es muy versátil para la formación de enlaces C-C El derivado halogenado se añade sobre una mezcla de magnesio metálico y éter seco, el reactivo NO SE AISLA Se añade sobre él una solución etérea de compuesto carbonílico

47.
Reacción de Grignard O H3O+ O + RMgX R C OMgX R C OH R MgX 1. Et2O + HCHO CH3CH2CH2OH Alcohol primario 2. H3O+ 1. Et2OCH3CH2MgBr + CH3CHO CH3CH2CHCH3 Alcohol secundario 2. H3 O+ OH R 1. Et2O + O CH3CH2C(CH3)2 Alcohol terciario R 2. H3O+ OH

48.
Reacción de Grignard Ejercicios en clase1. Proponga síntesis de Grignard para la síntesis de los siguientes alcoholes OH OH OH OH

49.
EL ATOMO DE CARBONO Enolización Enolización de aldehidos y cetonas Proceso por el cual un hidrógeno sobre un carbono a de un compuesto carbonílico se desplaza al oxígeno carbonílico Se conoce como tautomería ó equilibrio ceto-enólico Tautomería: termino que se utiliza para designar la interconversión rápida y reversible de isómeros cuando se mueven electrones y tambien uno ó mas átomos de hidrógeno El término ceto-enólico NO ES PRECISO porque aldehídos y otros grupos carbonilo puede experimentar el proceso

50.
Enolización de aldehídos y cetonasLa reacción alcanza un estado de equilibrio, y la posición del mismo vieneindicada por la constante de tautomería KT O KT OH Enol C C C C KT = carboniloLa posición del equilibrio dependen de la estructura molecular:Generalmente la forma carbonílica es la favorecidaPERO en algunos casos la forma ceto es la prevalente ejm H O OH O O O O

51.
Enolización de aldehídos y cetonas La conversión entre la forma carbonílica y la enólica puede catalizarse tanto por ácidos como bases Catálisis ácida + OH OH O Rápida + Lenta + H3O+ H H2O H OH2 H3C C H3C CH2H3C CH3 H2 Catálisis básica O- H3C CH2 OH O Rápida + HO- Lenta H OH- + H2O H3C CH2 H3C C H2 O H3C CH2-

52.
EL ANIÓN ENOLATO El anión enolato posee dos estructuras de resonancia cuyas estructuras poseen carga negativa sobre el carbono ó el oxígeno Las reacción a discutir implica el carbono como nucleófilo O- O H3C CH2 H3C CH2- Anión enolato

53.
ADICION-DESHIDRATACIÓNReacción Aldólica LA REACCIÓN ALDOLICA Es una reacción de condensación del grupo carbonilo Implica la combinación de dos moléculas de aldehído (dimerización) OH OH O 2 NaOH/H2O CHO CHO H3C H HH3CH2C 3C Acetaldehído 3-hidroxibutanal (Aldol) 2 carbonos 2 carbonos

54.
Condensación aldólica MecanismoCatálisis básica O- H2C H O H2O - + OH + H2O H3C H Acetaldehído O -H2C H O- H2C H O- O H2O CHO + OH- H3C H3C H O -H2C H

55.
Condensación aldólica Mecanismo OH O- CHO + OH- CHO + H OH H3C H3CEn la reacción de condensación entre un aldehído y una cetona casisiempre el aldehído es un electrófilo, debido a la menor reactividad delgrupo carbonilo de la cetona O O OH C6H5NHCH3 + CHO 1-fenil 2-metilpropanal 2,4-dimetil-1-fenil 1-propanona 3-hidroxi-1-pentanona O O OH NaOH/H2O + C6H5CHO C6H5

56.
ADICION-DESHIDRATACIÓNReacción AldólicaLA DESHIDRATACIÓNLos compuestos -hidroxicarbonílicos (ALDOL) se transforman encompuestos ,-insaturados cuando se calientan en medio ácido ó básicoLa pérdida de agua se ve favorecida al formarse un sistema ,-conjugadomas estable OH CHO H3O+ ó HO-/H2O CHO H3C H3C 3-hidroxibutanal 2-butenal (Aldol) ,-insaturadoEl aldol puede en algunos casos aislarse (Aldehído ó cetona simple)A menudo las condiciones de reacción son suficientes para causardeshidratación

57.
Enolización de aldehídos y cetonas Condensación Aldólica, Ejercicios en clase OH O O O H3O+ ó HO-/H2O NaOH/H2O + H2O 2 H H 10 oC H Propanal 3-hidroxi-2-metilpentanal 2-metil-2-pentenal O O OH NaOH/H2O CHO CHO H +C H + H2O 2 5 H 25 oC 3-fenil-2-metilBenzaldehído Acetona 2-propenal

58.
ADICION-DESHIDRATACIÓNReacción AldólicaUTILIDAD SINTÉTICAReacción muy útil a nivel de laboratorio e industrial HCHO + CH3CHO Silicato de sodio CH2=CHCHO 300 oC Acroleina O O CHO + Ba(OH)2/H2O Citral Pseudoyonona O O NaOEt/EtOH O O O

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OTROS ANIONES ESTABILIZADOS

60.
OTROS ANIONES ESTABILIZADOSGrupos ciano y nitroLos grupos ciano y nitro pueden estabilizar un carbanión pordeslocalización - C C N: H C C N + B:- + BH- - C C N: -+ O C N .. - O: H+ O C N .. - + B:- + BH- O: - + O: .. C N - O:

61.
NITROGENO COMO NUCLEOFILO

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NITROGENO COMO NUCLEOFILOLas aminas primarias reaccionan con los aldehlidos y cetonas formandoproductos denominados IMINAS (Bases de Schiff) O + NH2 NH + H2O H3C H3C H3C H3C NH2 + O CH OH CH + H2O H H3CHN H3CN La reacción es catalizada por ácidos diluidos (pH 3-5) El ácido cataliza la pérdida de agua que es la etapa que controla la velocidad del proceso Si elpH es muy bajo protona la amina y se vuelve NO nucleofila

63.
NITRÓGENO COMO NUCLEOFILO Formación de iminas O NCHCH3 H+ CH3CH2NH2 + H2O + O H+ N + H2O + N HCiclohexanona Pirrolidina N-(1-ciclohexenil)pirrolidina

64.
NITROGENO COMO NUCLEOFILODerivados de los compuestos carbonílicosDiferentes compuestos derivados de las aminas reaccionan con losaldehídos y cetonasForman productos sólidos de punto de fusión conocido

65.
NITROGENO COMO NUCLEOFILO Derivados de los compuestos carbonílicos H2N OH N OH OXIMA hidroxilamina H2N NH2 N NH2 HIDRAZONA hidrazina H2N NHCONH2 N NHCONH2 SEMICARBAZONAO + Semicarbazida H2N NHC6H5 N NHC6H5 FENILHIDRAZONA fenilhidrazina H H H2N N NO2 N N NO2 O2N O2N 2,4-dinitrofenilhidrazina 2,4-DINITROFENILHIDRAZONA