Chimica organica per il liceo/Aldeidi e chetoni



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Approfondimenti

Introduzione

Nel 1969, la molecola di formaldeide fu scoperta dall'Osservatorio Nazionale di Radioastronomia come la prima molecola organica poliatomica presente nello spazio interstellare. La reattività della formaldeide le conferisce un'ampia varietà di usi, dal fluido per imbalsamazione allo smalto per unghie. La formaldeide contiene un legame ${\ce {C=O}}$ chiamato carbonile, che è fondamentale per lo studio della chimica organica. In questo capitolo inizieremo una discussione che si estenderà per più capitoli sulla chimica del legame carbonilico, partendo dai gruppi funzionali di aldeidi e chetoni.

Aldeidi e chetoni sono trattati insieme perché la loro chimica è molto simile. Tuttavia, mentre studi il capitolo, assicurati di cercare i casi specifici in cui la chimica di queste due classi di composti differisce.

Come di consueto, il capitolo inizia con una discussione sulla nomenclatura. A questa introduzione seguono le descrizioni dei metodi utilizzati per preparare aldeidi e chetoni in laboratorio. Noterai che alcune di queste reazioni sono già apparse in unità precedenti. Un'importante differenza tra aldeidi e chetoni è la resistenza dei chetoni all'ossidazione.

Gran parte di questo capitolo è dedicata all'addizione di vari nucleofili al gruppo carbonilico di aldeidi e chetoni.

Aldeidi e chetoni sono composti organici che incorporano un gruppo funzionale carbonilico, ${\ce {C=O}}$ . L'atomo di carbonio di questo gruppo ha due legami rimanenti che possono essere occupati da idrogeno o da sostituenti alchilici o arilici.

Se almeno uno di questi sostituenti è un idrogeno, il composto è un'aldeide.
Se entrambi sono carboni, il composto è un chetone.

A causa della maggiore elettronegatività dell'ossigeno, il gruppo carbonilico è polare, e aldeidi e chetoni hanno momenti di dipolo molecolare (D) maggiori rispetto agli alcheni. Le strutture di risonanza sottostanti illustrano questa polarità e i relativi momenti di dipolo della formaldeide, di altre aldeidi e dei chetoni.

Questa polarità rende il carbonio carbonilico parzialmente positivo (elettrofilo) e l'ossigeno parzialmente negativo (nucleofilo). Il legame ${\ce {C=O}}$ è soggetto ad attacco nucleofilo a causa della carica positiva del carbonio e della carica negativa dell'ossigeno. In generale, i nucleofili attaccano il carbonio elettrofilo ed entrano a far parte della struttura, mentre l'ossigeno viene protonato formando un gruppo ossidrilico.

Aldeidi e chetoni sono molto diffusi in natura e sono spesso combinati con altri gruppi funzionali. Esempi di molecole naturali che contengono un gruppo funzionale aldeidico o chetonico sono mostrati nelle due figure seguenti. I composti nella figura 1 si trovano principalmente in piante o microrganismi, mentre quelli nella figura 2 hanno origini animali. Molte di queste strutture molecolari sono chirali.

Quando i composti chirali si trovano in natura, sono solitamente enantiomericamente puri, sebbene fonti diverse possano produrre enantiomeri diversi. Per esempio, il carvone si trova come (R)-enantiomero (levogiro) nell'olio di menta verde, mentre i semi di cumino contengono l(S)-enantiomero (destrogiro). In questo caso, il cambiamento della stereochimica causa un drastico cambiamento nell'odore percepito.

Aldeidi e chetoni sono noti per i loro odori dolci e talvolta pungenti.

L'odore dell'estratto di vaniglia proviene dalla molecola di vanillina.
Allo stesso modo, la benzaldeide conferisce un forte odore di mandorle.
Grazie alle loro piacevoli fragranze, le molecole contenenti aldeidi e chetoni si trovano spesso nei profumi.

Tuttavia, non tutte le fragranze sono piacevoli.

In particolare, il 2-eptanone contribuisce all'odore pungente del formaggio erborinato.
L' (R)-muscone fa parte dell'odore muschiato del cervo muschiato dell'Himalaya.

Infine, i chetoni compaiono in molti ormoni importanti come il progesterone (un ormone sessuale femminile) e il testosterone (un ormone sessuale maschile). Si noti come sottili differenze nella struttura possano causare drastici cambiamenti nell'attività biologica. La funzionalità chetonica compare anche nello steroide antinfiammatorio cortisone.

Figura 1. Molecole contenenti aldeidi e chetoni isolate da fonti vegetali.

Figura 2. Molecole contenenti aldeidi e chetoni isolate da fonti animali.

Nomenclatura di aldeidi e chetoni

Gli odori più potenti e variegati sono quelli delle aldeidi. I chetoni sono ampiamente utilizzati come solventi industriali. Aldeidi e chetoni contengono il gruppo carbonilico. Le aldeidi sono considerate il gruppo funzionale più importante e sono spesso chiamate gruppo formile o metanoile. Il loro nome deriva dalla deidrogenazione degli alcoli (alcohol dehydrogenation). Le aldeidi contengono il gruppo carbonilico legato ad almeno un atomo di idrogeno, mentre i chetoni lo contengono legato a due atomi di carbonio.

Introduzione alla Nomenclatura dei Carbonili

Aldeidi e chetoni sono composti organici che incorporano un gruppo funzionale carbonilico, ${\ce {C=O}}$ . L'atomo di carbonio di questo gruppo ha due legami rimanenti che possono essere occupati da idrogeno o sostituenti alchilici o arilici.

Se almeno uno di questi sostituenti è un idrogeno, il composto è un'aldeide.
Se nessuno dei due è un idrogeno (cioè entrambi sono gruppi carboniosi), il composto è un chetone.
Generica struttura di un gruppo carbonile, un aldeide e un chetone

Nomenclatura delle Aldeidi

Il sistema di nomenclatura IUPAC assegna alle aldeidi un suffisso caratteristico ${\ce {-ale}}$ . Ad esempio, ${\ce {H2C=O}}$ è il metanale, più comunemente chiamato formaldeide. Poiché il gruppo carbonilico di un'aldeide deve trovarsi sempre all'estremità di una catena di carbonio, gli viene sempre assegnata la posizione #1 nella numerazione e non è necessario includerla nel nome. Esistono diversi composti carbonilici semplici con nomi comuni che sono mantenuti dalla IUPAC.

Esiste anche un metodo comune per nominare le aldeidi, che utilizza i nomi comuni della catena genitore (simili a quelli usati per gli acidi carbossilici) e aggiunge il suffisso –aldeide. Nei nomi comuni, gli atomi di carbonio vicini al gruppo carbonilico sono spesso designati con lettere greche: l'atomo adiacente alla funzione carbonilica è alfa (α), il successivo è beta (β) e così via.

Se il gruppo aldeidico ( ${\ce {-CHO}}$ ) è legato a un anello, si aggiunge il suffisso –carbaldeide al nome dell'anello. Il carbonio a cui questo gruppo è legato riceve il numero di posizione #1 nella numerazione dell'anello.

Riepilogo delle Regole di Nomenclatura per le Aldeidi

Le aldeidi prendono il nome dalle loro catene alcaniche genitrici. La -o finale del nome dell'alcano viene rimossa e sostituita con ${\ce {-ale}}$ .
Al gruppo funzionale aldeidico viene assegnata la posizione di numerazione #1, e questo numero non è incluso nel nome.
Per il nome comune, si parte dal nome comune della catena genitore e si aggiunge il suffisso -aldeide. Le posizioni dei sostituenti sono indicate con lettere greche.
Quando il gruppo funzionale ${\ce {-CHO}}$ è legato a un anello, si aggiunge il suffisso ${\ce {-carbaldeide}}$ e il carbonio a cui è legato quel gruppo è C1.

I nomi del sistema IUPAC sono riportati in alto, mentre il nome comune è riportato in basso tra parentesi.

Skeletal structure of methanal (formaldehyde) metanale (formaldeide)	Skeletal structure of ethanal (acetaldehyde) etanale (acetaldeide)
Skeletal structure of pentanal (valeraldehyde) pentanale (valeraldeide)	Skeletal structure of 2-chloropentanal (alpha-chlorovaleraldehyde) 2-cloropentanale (⍺-clorovaleraldeide)
Skeletal structure of butanal (butyraldehyde) butanale (butirraldeide)	Skeletal structure of 3-methylbutanal (isovaleroaldehyde) 3-metilbutanale (isovaleraldeide)
Skeletal structure of cyclohexanecarbaldehyde cicloesanocarbaldeide	Skeletal structure of 3-methylcyclohexanecarbaldehyde 3-metilcicloesancarbaldeide
Skeletal structure of 3% 2C3-dibromocyclopentanecarbaldehyde 3,3-dibromociclopentanocarbaldeide	Skeletal structure of trans-2-methylcyclopentanecarbaldehyde trans -2-metilciclopentanocarbaldeide

Nomenclatura dei Chetoni

Il sistema di nomenclatura IUPAC assegna ai chetoni un suffisso caratteristico ${\ce {-one}}$ . Una funzione carbonilica chetonica può trovarsi in qualsiasi punto di una catena o di un anello, e la sua posizione è solitamente indicata da un numero. La numerazione della catena inizia normalmente dall'estremità più vicina al gruppo carbonilico. Chetoni molto semplici, come il propanone e il feniletanone, non richiedono un numero di posizione, poiché esiste un solo sito possibile per la funzione chetonica.

I nomi comuni per i chetoni si formano nominando entrambi i gruppi alchilici legati al carbonile e aggiungendo il suffisso -chetone. I gruppi alchilici sono elencati in ordine alfabetico.

Riepilogo delle Regole di Nomenclatura per i Chetoni

I chetoni prendono il nome dalle loro catene alcaniche genitrici. La desinenza -o viene rimossa e sostituita con ${\ce {-one}}$ .
Il nome comune si ottiene elencando i gruppi sostituenti in ordine alfabetico + chetone.
Alcuni chetoni semplici sono noti con i loro nomi comuni, come il propanone, comunemente chiamato acetone.

Skeletal structure of propanone (acetone) propanone (acetone)	Skeletal structure of acetophenone (methyl phenyl ketone) acetofenone (metil fenil chetone)	Skeletal structure of benzophenone (diphenylketone) benzofenone (difenilchetone)
Skeletal structure of 2-pentanone (methyl propyl ketone) 2-pentanone (metilpropilchetone)	Skeletal structure of 3-methyl-2-butanone (methyl isopropyl ketone) 3-metil-2-butanone (metilisopropilchetone)	Skeletal structure of 3-hexanone (ethyl propyl ketone) 3-esanone (etil propil chetone)

Nomenclatura di Aldeidi e Chetoni nella Stessa Molecola

Come per molte molecole con due o più gruppi funzionali, a uno viene data la priorità mentre l'altro viene nominato come sostituente. Poiché le aldeidi hanno una priorità maggiore rispetto ai chetoni, le molecole che contengono entrambi i gruppi funzionali sono nominate come aldeidi e il chetone è nominato come sostituente "osso" ( ${\ce {oxo-}}$ ). Non è necessario assegnare un numero di posizione al gruppo funzionale aldeidico, ma di solito è necessario assegnarlo al chetone.

Esempio 19.1.3

Ossopentanale-4
Diossopentanale-3,4
Metile-2-ossobutanale-3

Nomenclatura di Dialdeidi e Dichetoni

Per le dialdeidi, i numeri di posizione per entrambi i carbonili sono omessi perché ci si aspetta che i gruppi funzionali aldeidici occupino le estremità della catena genitore. La desinenza viene aggiunta alla fine del nome della catena.

Esempio 19.1.4

Pentanadiale
Butanediale

Per i dichetoni, entrambi i carbonili richiedono un numero di posizione. La desinenza ${\ce {-dione}}$ viene aggiunta alla fine del nome della catena.

Pentanedione-2,4
Esanedione-2,3

Nomenclatura di Chetoni Ciclici e Dichetoni

Nei chetoni ciclici, al gruppo carbonilico viene assegnata la posizione #1, e questo numero non è incluso nel nome, a meno che non sia presente più di un gruppo carbonilico. Il resto dell'anello è numerato per dare ai sostituenti i numeri di posizione più bassi possibili. Si include il prefisso ciclo prima del nome della catena per indicare la struttura ad anello. La desinenza -o viene sostituita con .

Nei cicloalcani che contengono due chetoni, entrambi i carbonili devono ricevere un numero di posizione. Inoltre, la -o finale non viene rimossa, ma si aggiunge il suffisso .

Esempio 19.1.6

Skeletal structure of cyclopentanone ciclopentanone	Skeletal structure of 2-bromocyclopentanone 2-bromociclopentanone	Skeletal structure of 4-hydroxycyclohexanone 4-idrossicicloesanone
Skeletal structure of 2-bromo-5-methylcyclohexanone 2-bromo-5-metilcicloesanone	Skeletal structure of 1% 2C4-cyclohexanedione 1,4-cicloesandione	Skeletal structure of 1% 2C2-cyclopentanedione 1,2-ciclopentanedione

Nomenclatura di Carbonili e Idrossili nella Stessa Molecola

Quando un'aldeide o un chetone è presente in una molecola che contiene anche un gruppo funzionale alcolico, il sistema IUPAC dà la priorità al carbonile. Ciò significa che al carbonile viene assegnato il numero di posizione più basso possibile e si include il suffisso appropriato. In questo caso, il gruppo ${\ce {-OH}}$ è nominato come un sostituente idrossi ( ${\ce {hydroxy-}}$ ).

Esempio 19.1.7

Skeletal structure of 4-hydroxybutanal 4-idrossibutanale	Skeletal structure of 4-hydroxy-3-methylbutanal 4-idrossi-3-metilbutanale
Skeletal structure of 4-hydroxy-2-butanone 4-idrossi-2-butanone	Skeletal structure of 1,5-dihydroxy-3-pentanone 1,5-diidrossi-3-pentanone

Nomenclatura di Carbonili e Alcheni nella Stessa Molecola

Quando un'aldeide o un chetone è presente in una molecola che contiene anche un gruppo funzionale alchenico, il sistema IUPAC dà la priorità al carbonile. Ciò significa che al carbonile viene assegnato il numero di posizione più basso possibile.

Quando i carbonili sono presenti insieme a un alchene, si segue il seguente ordine: (Numero posizione alchene) - (Prefisso catena carboniosa più lunga senza desinenza -ano) - (desinenza ${\ce {-en-}}$ per indicare l'alchene) - (numero posizione carbonile se è un chetone) - (desinenza ${\ce {-one}}$ o ${\ce {-ale}}$ )

Ricorda che il carbonile ha la priorità, quindi deve ricevere il numero di posizione più basso. È anche necessario includere la nomenclatura cis/trans o E/Z per l'alchene, se necessario.

Esempio 19.1.8

Skeletal structure of 4-penten-2-one 4-penten-2-uno	Skeletal structure of trans-3-pentenal trans -3-pentenale
Skeletal structure of (E)-3-methyl-3-pentenal ( E )-3-metil-3-pentenale	Skeletal structure of (Z)-5-bromo-4-hexen-3-one ( Z )-5-bromo-4-esen-3-one

Preparazione di aldeidi e chetoni

Aldeidi e chetoni possono essere preparati utilizzando un'ampia varietà di reazioni. Qui vengono illustrate solo le principali.

Formazione di Aldeidi

Ossidazione di Alcoli Primari

Piridinio Clorocromato (PCC) Il PCC è una versione più blanda dell'acido cromico. Il PCC ossida gli alcoli di un gradino sulla scala di ossidazione, passando da alcoli primari ad aldeidi e da alcoli secondari a chetoni. A differenza dell'acido cromico, il PCC non ossida le aldeidi ad acidi carbossilici.

Esempio di ossidazione di un alcol primario ad aldeide

Dess-Martin Periodinane (DMP) Il PCC sta venendo sostituito nei laboratori dal Dess-Martin periodinano (DMP), che presenta diversi vantaggi pratici, come rese più elevate e condizioni di reazione meno rigorose. Similmente al PCC, ossida gli alcoli primari ad aldeidi senza proseguire l'ossidazione fino ad acido carbossilico.

Esempio di ossidazione di un alcol a chetone usando il DMP

Formazione di Chetoni

Ossidazione di Alcoli Secondari (Sezione 17.7)

L'ossidazione di alcoli secondari a chetoni utilizza tipicamente il reattivo di Jones ( ${\ce {CrO3}}$ in ${\ce {H2SO4}}$ ), ma possono essere utilizzati molti altri agenti ossidanti.

Esempio di ossidazione di un alcol secondario a chetone

Idratazione di Alchini (Sezione 9.4)

L'addizione Markovnikov di un gruppo ossidrilico a un alchino, seguita da tautomerizzazione, forma un chetone.

Esempio della reazione di un alchino con ${\ce {Hg^2+}}$ , ${\ce {H2O}}$ , e ${\ce {H2SO4}}$ per dare un chetone

Ossidazione di aldeidi e chetoni

Perché aldeidi e chetoni si comportano in modo diverso?

Le aldeidi hanno un protone attaccato al carbonio carbonilico che può essere estratto, consentendo loro di essere facilmente ossidate per formare acidi carbossilici. La mancanza di questo idrogeno rende i chetoni generalmente inerti a questi ossidazione. Tuttavia, i chetoni possono essere ossidati, ma solo in condizioni estreme.

Una distinzione significativa tra aldeidi e chetoni risiede nella loro suscettibilità a ossidazione, con le aldeidi che si ossidano più facilmente dei chetoni. Uno dei metodi classici per identificare le aldeidi in laboratorio è l'uso del reattivo di Tollens, costituito da ioni argento (I) disciolti in ammoniaca diluita. Quando un'aldeide è presente, subisce ossidazione, causando la riduzione degli ioni argento (I) ad argento metallico.

Il risultato è la deposizione di argento sulla superficie della provetta, formando un rivestimento riflettente simile a uno specchio. Questa reazione è comunemente chiamata "test dello specchio d'argento" e rappresenta un metodo affidabile per distinguere le aldeidi dai chetoni. I chetoni, al contrario, non reagiscono con il reattivo di Tollens, rendendo questo test specifico per le aldeidi.

Ossidazione di aldeidi

Esiste un'ampia varietà di reagenti che possono causare l'ossidazione di aldeidi ad acidi carbossilici.

Il reagente più comune per questa conversione è CrO₃ in acido acquoso, chiamato anche reagente di Jones. Questa reazione generalmente dà buone rese a temperatura ambiente (25°C).

Meccanismo

L'ossidazione delle aldeidi avviene attraverso l'addizione nucleofila reversibile di acqua al carbonile per formare un gruppo gem-diolo funzionale. Uno dei gruppi OH del gem -diolo viene ossidato per creare un carbonile (C=O), formando così un acido carbossilico.

Ossidazione di chetoni e ossidazione Baeyer-Villiger

Poiché i chetoni non hanno un atomo di idrogeno attaccato al loro carbonile, sono resistenti a ossidazione. Solo agenti ossidanti molto forti come la soluzione di manganato di potassio(VII), il permanganato di potassio ossidano i chetoni. Tuttavia, questo tipo di potente ossidazione avviene con la scissione, rompendo i legami carbonio-carbonio e formando due acidi carbossilici. A causa della sua natura distruttiva, questa reazione è raramente utilizzata.

Reazioni di addizione nucleofila di aldeidi e chetoni

Addizione Nucleofila a un Carbonile

Le reazioni più importanti che coinvolgono i gruppi carbonilici hanno tipicamente un'addizione nucleofila come parte del loro meccanismo. Il meccanismo generico per l'addizione nucleofila di un nucleofilo carico negativamente a un carbonile è mostrato di seguito.

Primo Stadio

Nel primo stadio del meccanismo, il nucleofilo forma un legame con l'atomo di carbonio elettrofilo del ${\ce {C=O}}$ . Ciò causa la reibridazione del carbonio carbonilico da ${\ce {sp^2}}$ a ${\ce {sp^3}}$ . Queste reazioni si differenziano dalle reazioni di sostituzione nucleofila poiché né le aldeidi né i chetoni hanno un gruppo uscente. Invece, gli elettroni del legame pi vengono spinti verso l'atomo di ossigeno elettronegativo, formando un intermedio tetraedrico alcossido.

Secondo Stadio

Nel secondo stadio del meccanismo, l'alcossido viene protonato dall'aggiunta di un acido per formare un alcol.

Stereochimica dell'Addizione Nucleofila a un Carbonile

Quando i due gruppi adiacenti a un carbonile non sono uguali, possiamo distinguere tra le facce "re" e "si" della struttura planare. Il concetto che un gruppo trigonale planare abbia due facce distinte entra in gioco quando consideriamo l'esito stereochimico di una reazione di addizione nucleofila. Durante la reazione, l'ibridazione del carbonio carbonilico cambia da ${\ce {sp^2}}$ a ${\ce {sp^3}}$ , il che significa che la geometria del legame passa da trigonale planare a tetraedrica. Se i due gruppi R non sono equivalenti, con l'addizione del nucleofilo si crea un centro chirale. La configurazione del nuovo centro chirale dipende da quale lato del piano carbonilico il nucleofilo attacca. Reazioni di questo tipo spesso portano a una miscela racemica 50:50 di stereoisomeri, ma è anche possibile che uno stereoisomero sia più abbondante, a seconda della struttura dei reagenti e delle condizioni di reazione.

Addizione Nucleofila di un Nucleofilo Neutro

Anche i nucleofili neutri possono subire un'addizione nucleofila ai carbonili. Il meccanismo è leggermente diverso rispetto a un nucleofilo carico negativamente. La presenza di un atomo di idrogeno aggiuntivo nel nucleofilo consente la completa rimozione dell'ossigeno carbonilico come acqua e la formazione di un legame ${\ce {C=Nu}}$ .

Reattività Relativa di Aldeidi e Chetoni all'Addizione Nucleofila

In generale, le aldeidi sono più reattive dei chetoni per due ragioni principali: fattori elettronici e fattori sterici.

1. Fattori Elettronici

Le aldeidi sono più reattive perché hanno una maggiore polarizzazione del legame carbonilico. Il carbocatione primario che si forma nella struttura di risonanza polarizzante di un'aldeide è meno stabile e quindi più reattivo del carbocatione secondario che si forma in una struttura di risonanza simile di un chetone. La differenza di stabilità è dovuta al gruppo alchilico extra presente nel chetone, che stabilizza i carbocationi per induzione e per fattori sterici (ingombro).

Infatti, la reattività di un carbonile verso l'addizione nucleofila diminuisce con l'aumentare dell'ingombro dei sostituenti al carbonile, come si vede nella seguente serie:

Formaldeide (più reattiva) > Aldeidi > Chetoni (meno reattivi)

Addizione nucleofila di acqua - Idratazione

È stato dimostrato che l'acqua, in presenza di un acido o di una base, si addiziona rapidamente al gruppo carbonilico di aldeidi e chetoni, stabilendo un equilibrio reversibile con un idrato (noto anche come diolo geminale, gem-diolo o 1,1-diolo). Il termine idrato implica l'addizione di acqua. Il termine geminale o l'abbreviazione gem derivano dalla parola latina per gemello, geminus.

Idratazione Catalizzata da Acidi o Basi

L'addizione nucleofila di acqua a un carbonile per formare un idrato è solitamente lenta in condizioni neutre (pH = 7). La velocità può essere notevolmente aumentata tramite l'aggiunta di un acido o di una base come catalizzatore. L'aggiunta di un acido o di una base cambia il meccanismo e promuove l'addizione.

Le condizioni basiche accelerano la reazione perché lo ione idrossido ( ${\ce {OH-}}$ ) è un nucleofilo migliore dell'acqua.
Le condizioni acide accelerano la reazione perché il carbonile viene protonato. La protonazione aumenta la polarità del legame carbonilico, il che incrementa la carica parziale positiva sul carbonio, rendendolo più elettrofilo.
Resonance structures of protonated ketone

Prevedere il Prodotto di un'Idratazione

Complessivamente, il doppio legame ${\ce {C=O}}$ del carbonile nel materiale di partenza viene rimosso e sostituito da due legami singoli, entrambi attaccati al carbonio carbonilico originale. Entrambi questi legami singoli sono legati a gruppi ${\ce {-OH}}$ nel prodotto.

Esempio 19.5.1

Meccanismo dell'Idratazione Catalizzata da Acidi o Basi

Formazione dell'Idrato in Condizioni Basiche

Stadio 1: L'ione idrossido, un nucleofilo più forte dell'acqua, attacca il carbonio carbonilico elettrofilo. Questo spinge i due elettroni del legame pi sull'ossigeno elettronegativo, formando un intermedio ione alcossido.

Stadio 2: L'acqua agisce come un acido e protona lo ione alcossido per formare un idrato neutro, rigenerando allo stesso tempo lo ione idrossido. Il fatto che l'idrossido non venga consumato durante la reazione è coerente con il suo ruolo di catalizzatore.

Formazione dell'Idrato in Condizioni Acide

Stadio 1: Lo ione idronio ( ${\ce {H3O+}}$ ) protona l'ossigeno carbonilico, rendendo così il carbonio carbonilico più elettrofilo. Dopo la protonazione, l'ossigeno diventa carico positivamente.
Gem-diol acidic formation mechansim step 1
Stadio 2: In condizioni acide, la specie più nucleofila è l'acqua. L'acqua forma un legame singolo con il carbonio elettrofilo. Questo spinge i due elettroni del legame pi del carbonile sull'ossigeno. L'ossigeno del carbonile diventa neutro, mentre l'ossigeno della molecola d'acqua nucleofila diventa carico positivamente.
Gem-diol acidic formation mechansim step 2
Stadio 3: Un'altra molecola d'acqua agisce come base e deprotona l'intermedio per produrre l'idrato neutro, rigenerando allo stesso tempo lo ione idronio. Il fatto che l'idronio non venga consumato è coerente con il suo ruolo di catalizzatore.
Gem-diol acidic formation mechansim step 3

Addizione nucleofila di alcoli - Formazione di acetali

Nella sezione precedente è stato dimostrato che l'acqua si aggiunge rapidamente alla funzione carbonilica delle aldeidi e dei chetoni per formare dioli geminali. In una reazione simile, un equivalente di un alcool, in presenza di un catalizzatore acido, si aggiunge in modo reversibile alle aldeidi e ai chetoni per formare un idrossietere chiamato emiacetale (R2COHOR') (emi, dal greco, metà). Questa reazione può continuare aggiungendo un altro equivalente di alcool per formare un dietere chiamato acetale R2C(OR')2. Gli emiacetali e gli acetali sono gruppi funzionali importanti perché compaiono nelle strutture di molti zuccheri.

Durante questa reazione è necessario utilizzare un catalizzatore acido perché gli alcoli sono nucleofili deboli e si aggiungerebbero molto lentamente in condizioni neutre. In condizioni acide, l'ossigeno del carbonile viene protonato, aumentando l'elettrofilia del carbonio carbonilico e accelerando la reazione.

Under acidic conditions, the oxygen of the carbonyl becomes protonated

Inoltre, è comune rimuovere attivamente l'acqua creata con la formazione di un acetale utilizzando setacci molecolari o una trappola di Dean-Stark. Questo passaggio è importante, poiché la formazione dell'acetale è reversibile e la rimozione dell'acqua spinge l'equilibrio verso destra secondo il principio di Le Chatelier. Infatti, una volta ottenuti emiacetali o acetali puri, questi possono essere idrolizzati nuovamente nei loro componenti di partenza mediante trattamento con acido acquoso e un eccesso di acqua.

Formazione di Emiacetali

Esempio 19.10.1: Formazione di un Emiacetale

Esempio 19.10.2: Idrolisi di un Emiacetale che Ritorna al Chetone

Formazione di Acetali

Gli acetali sono derivati geminal-dieteri di aldeidi o chetoni, formati dalla reazione con due equivalenti (o una quantità in eccesso) di un alcol e l'eliminazione di acqua. I derivati dei chetoni di questo tipo un tempo erano chiamati chetali, ma l'uso moderno ha abbandonato tale termine. È importante notare che un emiacetale si forma come intermedio durante la formazione di un acetale.

Prevedere il Prodotto della Formazione di un Acetale

Complessivamente, il carbonile nel reagente viene rimosso e sostituito da due legami singoli tra l'ossigeno e il carbonio carbonilico originale. Entrambi questi legami singoli sono attaccati a gruppi ${\ce {-OR}}$ prodotti dopo che l'alcol reagente ha perso un idrogeno.

Esempio 19.10.3: Formazione di Acetali

Esempio 19.10.4: Idrolisi di un Acetale che Ritorna al Chetone

Meccanismo per la Formazione di Emiacetali e Acetali (acido catalizzata)

Dopo la protonazione, un alcol subisce un'addizione nucleofila al gruppo carbonilico, formando inizialmente un emiacetale dopo la deprotonazione. Un'ulteriore protonazione del gruppo ${\ce {-OH}}$ nell'emiacetale consente l'eliminazione di acqua per formare uno ione ossonio. Un secondo nucleofilo alcolico si addiziona allo ione ossonio per produrre un acetale protonato. Dopo la deprotonazione, si forma il prodotto acetale.

Protonazione del Carbonile: Il catalizzatore acido protona l'ossigeno carbonilico, rendendo il carbonio carbonilico più elettrofilo.
Mechanism for Hemiacetal and Acetal Formation step 1
Addizione Nucleofila (1): Un alcol si addiziona al carbonile, producendo un emiacetale protonato.
Mechanism for Hemiacetal and Acetal Formation step 2
Deprotonazione: L'acqua agisce come base per deprotonare l'intermedio, creando un emiacetale neutro e ione idronio.
Mechanism for Hemiacetal and Acetal Formation step 3
Protonazione dell'Ossidrile: Il gruppo ${\ce {-OH}}$ dell'emiacetale viene protonato, trasformandolo in un buon gruppo uscente (acqua).
Mechanism for Hemiacetal and Acetal Formation step 4
Eliminazione dell'Acqua: La coppia solitaria di elettroni sull'ossigeno dell'etere riforma un doppio legame ${\ce {C=O}}$ , causando l'eliminazione di acqua e producendo uno ione ossonio.
Mechanism for Hemiacetal and Acetal Formation step 5
Addizione Nucleofila (2): Un secondo alcol si addiziona allo ione ossonio, producendo un acetale protonato.
Mechanism for Hemiacetal and Acetal Formation step 6
Deprotonazione Finale: L'acqua agisce come base e deprotona l'intermedio, creando l'acetale prodotto e rigenerando il catalizzatore acido (ione idronio).
Mechanism for Hemiacetal and Acetal Formation step 7

Formazione Biologica di Acetali ed Emiacetali

Le molecole che possiedono sia un gruppo alcolico che uno carbonilico possono subire una reazione intramolecolare per formare un emiacetale ciclico.

Poiché gli zuccheri contengono spesso gruppi funzionali alcolici e carbonilici, la formazione di emiacetali intramolecolari è comune nella chimica dei carboidrati. Ad esempio, il comune zucchero glucosio esiste in forma ciclica per oltre il 99% del tempo in una soluzione acquosa.

Conversione del D-Glucosio in Beta-D-Glucopiranosio (Emiacetale Ciclico)

Riduzioni Biologiche Tramite Trasferimento di Idruri ai Carbonili

Uno dei più importanti agenti riducenti biologici è il NADH (la forma ridotta della nicotinammide adenina dinucleotide), che può agire come fonte dello ione idruro.

Nicotinammide Adenina Dinucleotide - Un Coenzima di Trasferimento di Idruri

Sebbene si parli di idruri che agiscono come nucleofili e gruppi uscenti, gli ioni idruro discreti sono troppo instabili per esistere come intermedi reali nelle reazioni organiche delle cellule viventi. Le reazioni redox biochimiche che coinvolgono il trasferimento di idruri richiedono la partecipazione di un coenzima di trasferimento di idruri. Nelle reazioni che coinvolgono composti carbonilici, una molecola chiamata nicotinammide adenina dinucleotide svolge generalmente questo ruolo.

Poiché la chimica redox avviene specificamente nella parte nicotinamidica della molecola, in genere il resto della molecola viene semplicemente designato come gruppo “R”. NAD+ e NADP+ funzionano entrambi nelle reazioni redox biochimiche come accettori di idruro: cioè come agenti ossidanti. Le altre forme del coenzima, NADH e NADPH, fungono da donatori di idruro: cioè da agenti riducenti.

NAD ${\ce {+}}$ e NADP ${\ce {+}}$ funzionano come accettori di idruri (agenti ossidanti).
NADH e NADPH servono come donatori di idruri (agenti riducenti).

Il fosfato sul gruppo pentosio nucleotidico di NADP+ e NADPH si trova lontano dall'anello nicotinamidico e non partecipa direttamente alla funzione di trasferimento dell'idruro del cofattore.

Questa reazione può essere semplificata nel modo seguente:

Esempi di Reazioni Biologiche di Trasferimento di Idruri

Fermentazione Alcolica: In un processo molto importante per la produzione di vino e birra, un enzima NADH-dipendente nel lievito produce etanolo riducendo l'acetaldeide.
NADH-dependent enzyme in yeast produces ethanol by reducing acetaldehyde
Fermentazione Lattica: Questo processo avviene nei muscoli in carenza di ossigeno e in alcuni batteri. Converte il piruvato in lattato tramite l'addizione di un idruro, utilizzando l'enzima lattato deidrogenasi e producendo NAD ${\ce {+}}$ nel processo. È responsabile del sapore aspro dei crauti e dello yogurt.
Lactic acid fermentation occurs by converting pyruvate into lactate

Fonte

https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Organic_Chemistry/Organic_Chemistry_(Morsch_et_al.)/19%3A_Aldehydes_and_Ketones-_Nucleophilic_Addition_Reactions