Chimica organica per il liceo/Aldeidi e chetoni



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Approfondimenti

Obiettivi	Dopo aver completato questo capitolo, dovresti essere in grado di: soddisfare tutti gli obiettivi dettagliati elencati in ogni singola sezione. progettare una sintesi a più stadi in cui potresti dover utilizzare qualsiasi delle reazioni discusse in questo capitolo insieme a un qualsiasi numero di reazioni dei capitoli precedenti. risolvere problemi "road-map" che richiedono una conoscenza della chimica di aldeidi e chetoni. utilizzare le prove da una qualsiasi combinazione di spettroscopia infrarossa, spettroscopia di risonanza magnetica nucleare, spettrometria di massa e reazioni chimiche per determinare la struttura di un'aldeide o di un chetone sconosciuto. definire e utilizzare nel contesto i termini chiave introdotti in questo capitolo.

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.

Nel Capitolo 19, si effettua uno studio completo della chimica 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. In particolare, si discutono i seguenti argomenti:

L'addizione di una varietà di composti contenenti azoto, alcoli e ilidi di fosforo. Molte di queste reazioni sono importanti per i chimici che si occupano principalmente della sintesi di nuovi composti organici.
La reazione di Cannizzaro e l' addizione coniugata a composti carbonilici α,β-insaturi.
La presenza di reazioni di addizione nucleofila nei sistemi biologici.
L'uso di tecniche spettroscopiche nell'analisi di aldeidi e chetoni.

Anteprima della Chimica Carbonilica

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

Obiettivi	Dopo aver completato questa sezione, dovresti essere in grado di: fornire il nome IUPAC di un'aldeide o di un chetone, data la sua struttura di Kekulé, condensata o a scheletro. disegnare la struttura di un'aldeide o di un chetone, dato il suo nome IUPAC. disegnare la struttura delle seguenti aldeidi e chetoni, dati i loro nomi comuni: formaldeide, acetaldeide, benzaldeide, acetone, acetofenone, benzofenone.
Note di studio	In questo corso utilizzeremo solo i nomi comuni elencati nell'Obiettivo 3. In tutti gli altri casi, useremo i nomi sistematici. Per esempio, il nome sistematico del composto mostrato di seguito è benzenecarbaldeide, ma il suo nome comune è benzaldeide. Quando si nominano aldeidi e chetoni insaturi, è necessario dare al gruppo carbonilico la "priorità" sul doppio legame nel decidere da quale estremità della catena di carbonio iniziare la numerazione. Il carbonio carbonilico di un'aldeide si troverà sempre all'estremità della catena di carbonio in un composto aciclico; pertanto, la numerazione inizia sempre da questo carbonio. È anche per questo motivo che il numero "1" non è richiesto quando si nomina un composto come il 2-etil-4-metilpentanale.

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

Aldeidi e Chetoni come Frammenti

Alcanoile: è il nome comune del frammento ${\ce {R-C=O-}}$ , sebbene il nome più vecchio, acile, sia ancora ampiamente utilizzato.
Formile: è il nome comune del frammento ${\ce {H-C=O-}}$ .
Acetile: è il nome comune del frammento ${\ce {CH3-C=O-}}$ .

Acetilaldeide
Cloruro di acetile
Fluoruro di formile

Preparazione di aldeidi e chetoni

Obiettivi	Dopo aver completato questa sezione, dovresti essere in grado di: descrivere in dettaglio i metodi per la preparazione delle aldeidi discussi nelle unità precedenti (cioè, l'ossidazione di alcoli primari e la scissione di alcheni). scrivere un'equazione per descrivere la riduzione di un estere ad aldeide. identificare il prodotto formato quando un dato estere viene ridotto con diisobutilalluminio idruro. identificare i reagenti e le condizioni utilizzate nella riduzione di un estere ad aldeide. identificare gli svantaggi dell'uso del diisobutilalluminio idruro per ridurre un estere ad aldeide. descrivere in dettaglio i metodi per la preparazione dei chetoni discussi nelle unità precedenti (cioè, l'ossidazione di alcoli secondari, l'ozonolisi di alcheni, l'acilazione di Friedel-Crafts e l'idratazione di alchini terminali). scrivere un'equazione per illustrare la formazione di un chetone attraverso la reazione di un cloruro acilico con un reagente litio dialchilcuprato. identificare il chetone prodotto dalla reazione di un dato cloruro acilico con uno specifico reagente litio dialchilcuprato. identificare il cloruro acilico, il reagente litio dialchilcuprato, o entrambi, necessari per preparare un chetone specifico.
Note di studio	Potresti voler ripassare le sezioni in cui abbiamo discusso l'ossidazione degli alcoli (17.7) e la scissione degli alcheni (8.8). Un terzo metodo per preparare le aldeidi è ridurre un derivato di un acido carbossilico; per esempio, ridurre un estere con diisobutilalluminio idruro (DIBAL-H). Ci sono essenzialmente cinque metodi per preparare i chetoni in laboratorio. Quattro di essi sono stati discussi nelle sezioni precedenti: l'ossidazione di un alcol secondario — Sezione 17.7. l'ozonolisi di un alchene — Sezione 8.8. l'acilazione di Friedel-Crafts — Sezione 16.3. l'idratazione di un alchino terminale — Sezione 9.5. Il metodo "nuovo" che introduciamo in questa sezione coinvolge la reazione di un cloruro acilico con un reagente diorganocuprato. Queste ultime sostanze sono state discusse nella Sezione 10.9, che potresti voler ripassare.

Aldeidi e chetoni possono essere preparati utilizzando un'ampia varietà di reazioni. Sebbene queste reazioni siano discusse più in dettaglio in altre sezioni, sono elencate qui come riassunto e per aiutare nella pianificazione di percorsi sintetici a più stadi.

Formazione di Aldeidi

Tabella Riassuntiva dei Metodi di Sintesi per le Aldeidi

Metodi di Sintesi per le Aldeidi
Metodo	Reagenti Comuni	Sezione di Riferimento
Ossidazione di Alcoli 1°	Piridinio Clorocromato (PCC), Dess-Martin Periodinano (DMP)	17.7
Idratazione di Alchini	Disiamilborano, seguito da ${\ce {H2O2}}$	9.5
Riduzione di Esteri	Diisobutilalluminio Idruro ( ${\ce {DIBAL-H}}$ )	21.8
Riduzione di Cloruri Acilici	Litio trialcossi alluminio idruro	21.6
Riduzione di Nitrili	${\ce {DIBAL-H}}$	-
Ozonolisi di Alcheni	Ozono ( ${\ce {O3}}$ )	8.8

Ossidazione di Alcoli Primari (Sezione 17.7)

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

Idratazione di Alchini (Sezione 9.5)

L'addizione anti-Markovnikov di un gruppo ossidrilico a un alchino forma un'aldeide. L'aggiunta di un gruppo ossidrilico a un alchino causa una tautomerizzazione che successivamente forma un carbonile. Questo può essere realizzato tramite reazioni di idroborazione-ossidazione.

Esempio della reazione di un alchino terminale con disiamilborano seguita da ossidazione con perossido di idrogeno e idrossido, che converte l'1-pentino in pentanale.

Riduzione di Esteri con Idruri (Sezione 21.8)

Varie fonti di idruro consentono la riduzione parziale di alcuni derivati degli acidi carbossilici per formare aldeidi. Queste reazioni sono solitamente condotte a basse temperature (-78 °C) per prevenire un'ulteriore reazione con l'aldeide prodotta.

Riduzione del metil benzoato a benzaldeide con ${\ce {DIBAL-H}}$

Riduzione di Cloruri Acilici con Idruri (Sezione 21.6)

La riduzione dei cloruri acilici ad aldeidi richiede reagenti idrurici con reattività ridotta, poiché il litio alluminio idruro continuerebbe la riduzione fino all'alcol primario.

Esempio di riduzione di un alogenuro acilico per formare un'aldeide

Riduzione di un Nitrile con Idruri

La riduzione di un nitrile con un idruro, come ${\ce {DIBAL-H}}$ , seguita da idrolisi, porta alla formazione di un'aldeide.

Formazione di Chetoni

Tabella Riassuntiva dei Metodi di Sintesi per i Chetoni

Metodi di Sintesi per i Chetoni
Metodo	Reagenti Comuni	Sezione di Riferimento
Ossidazione di Alcoli 2°	Reattivo di Jones ( ${\ce {CrO3}}$ in ${\ce {H2SO4}}$ ), PCC, DMP	17.7
Idratazione di Alchini	${\ce {Hg^2+}}$ , ${\ce {H2O}}$ , ${\ce {H2SO4}}$	9.4
Acilazione di Friedel-Crafts	Cloruro Acilico, ${\ce {AlCl3}}$	16.3
Reazione di Grignard con Nitrili	${\ce {R-MgBr}}$ , seguito da ${\ce {H3O+}}$	20.7
Ozonolisi di Alcheni	Ozono ( ${\ce {O3}}$ )	8.8
Reazione con Organocuprati	Cloruro Acilico, Reattivo di Gilman ( ${\ce {R2CuLi}}$ )	21.4

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

Acilazione di Friedel-Crafts (Sezione 16.3)

I chetoni aromatici possono essere sintetizzati tramite l'acilazione di Friedel-Crafts di un anello aromatico con un cloruro acilico. Il cloruro di alluminio ( ${\ce {AlCl3}}$ ) è usato come catalizzatore acido di Lewis.

Esempio di acilazione di Friedel-Crafts per formare un chetone dal benzene.

Reazione di Reattivi di Grignard con Nitrili (Sezione 20.7)

I reattivi di Grignard possono attaccare il carbonio elettrofilo di un nitrile per formare un sale di immina. Questo sale può poi essere idrolizzato per diventare un chetone.

Esempio di addizione di Grignard a un nitrile per dare un chetone.

Ozonolisi di Alcheni (Sezione 8.8)

L'ozonolisi è un metodo di scissione ossidativa di alcheni o alchini che utilizza ozono ( ${\ce {O3}}$ ). Il processo permette di sostituire i doppi o tripli legami carbonio-carbonio con doppi legami con l'ossigeno, formando aldeidi e/o chetoni.

Esempio di ozonolisi di un alchene per formare aldeidi.

Reazione di Cloruri Acilici con Reagenti Organocuprati (Sezione 21.4)

Una reazione importante dei reagenti litio alchilcuprati (Reagenti di Gilman) è l'addizione nucleofila ai cloruri acilici. I reagenti di Gilman sono una fonte di nucleofili simili a carbanioni, ma la loro reattività, leggermente inferiore a quella dei Grignard, viene sfruttata per consentire una singola addizione nucleofila che forma un chetone.

Esempio di addizione di un organocuprato a un cloruro acilico per generare un chetone.

Ossidazione di aldeidi e chetoni

Obiettivi e termine chiave

Dopo aver completato questa sezione, dovresti essere in grado di:

scrivere un'equazione per l'ossidazione di un'aldeide utilizzando
- CrO 3 /acido solforico
- Reattivo di Tollens
spiegare la differenza di struttura che rende le aldeidi suscettibili a ossidazione e chetoni difficili da ossidare;
identificare l'acido carbossilico prodotto quando una data aldeide viene ossidata;
identificare l'aldeide, l'agente ossidante, o entrambi, necessari per preparare un dato acido carbossilico

Assicurati di saper definire e utilizzare nel contesto il termine chiave reagente di Tollens.

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.

Gli acidi perossicarbossilici, come l'acido meta-cloroperossibenzoico (mCPBA), sono in grado di ossidare i chetoni a esteri in una reazione nota come reazione Baeyer-Villiger. L'ossidazione ha una notevole utilità sintetica, perché i chetoni normalmente sono difficili da ossidare senza degradare la struttura in frammenti più piccoli.

Le ossidazioni di Baeyer-Villiger possono essere utilizzate sia con chetoni a catena lineare che con chetoni ciclici.

Struttura di un acido perossicarbossilico generico e di un acido meta-cloroperossibenzoico
Equazione generica di reazione per l'ossidazione di un chetone in un estere con un perossido
Ossidazione Baeyer-Villiger di ottanone-2 per formare etanoato di esile

Baeyer-Villiger Ossidazione del cicloesanone in 6-esanolattone

Meccanismo

Il meccanismo dell'ossidazione di Baeyer-Villiger è stato ampiamente studiato ed è di interesse, perché prevede una fase di riarrangiamento in cui un gruppo sostituente (R) si sposta da un atomo di carbonio a un atomo di ossigeno. Nella prima fase, un atomo di ossigeno proveniente dall'acido perossicarbossilico si addiziona al gruppo carbonilico del chetone. L'addotto presenta più atomi di ossigeno su cui possono risiedere protoni. Un trasferimento protonico intramolecolare seguito da protonazione consente la generazione dell'intermedio di Criegee. Nella quarta fase si verificano poi la migrazione di un gruppo alchilico e l'eliminazione di un acido carbossilico, R₂CO₂H. Questo genera una forma protonata dell'estere prodotto, che viene deprotonata nella fase finale del meccanismo.

Fase 1: attacco nucleofilo al carbonile

Fase 2: Trasferimento protonico intramolecolare

Fase 3: Protonazione dell'alcossido

Fase 4: Migrazione di un gruppo alchilico

Fase 5: Deprotonazione

Reazioni di addizione nucleofila di aldeidi e chetoni

Obiettivi	Dopo aver completato questa sezione, dovresti essere in grado di: dare una descrizione generale delle reazioni di addizione nucleofila di aldeidi e chetoni, identificando i due possibili percorsi (o variazioni) che tali reazioni possono intraprendere dopo l'attacco iniziale da parte del nucleofilo. spiegare perché, in generale, le aldeidi subiscono reazioni di addizione nucleofila più facilmente dei chetoni, e determinare quale tra due aldeidi o chetoni dati reagirà più prontamente in tali reazioni.
Termini chiave	Assicurati di poter definire e utilizzare nel contesto il termine chiave sottostante. Reazione di addizione nucleofila
Note di studio	Abbiamo già discusso approfonditamente le reazioni di addizione elettrofila; in questa sezione verranno presentate le reazioni di addizione nucleofila. Queste reazioni comportano l'attacco iniziale di un nucleofilo sul centro di carbonio leggermente positivo del gruppo carbonilico.

Introduzione

Prima di considerare in dettaglio la reattività di aldeidi e chetoni, dobbiamo ricordare come è strutturato il legame in un carbonile. I carboni carbonilici sono ibridati ${\ce {sp^2}}$ , con i tre orbitali ${\ce {sp^2}}$ che formano tre legami sigma sovrapponendosi con gli orbitali dei gruppi R (carboni o idrogeni) e un orbitale ibrido ${\ce {sp^2}}$ dell'ossigeno. A causa degli orbitali ${\ce {sp^2}}$ , questi tre legami adottano una geometria trigonale planare. L'orbitale 2p non ibridato rimanente del carbonio carbonilico è perpendicolare a questo piano e forma un legame pi greco "fianco a fianco" sovrapponendosi con un orbitale 2p dell'ossigeno carbonilico.

Il doppio legame carbonio-ossigeno è polare poiché l'ossigeno è più elettronegativo del carbonio, quindi la densità elettronica è maggiore sul lato dell'ossigeno e minore sul lato del carbonio. La polarità del legame può essere rappresentata con una freccia di dipolo (che punta verso l'atomo più elettronegativo) o mostrando l'ossigeno con una carica parziale negativa (δ-) e il carbonio carbonilico con una carica parziale positiva (δ+). Un terzo modo per illustrare il dipolo carbonio-ossigeno è considerare i due principali contributori di risonanza di un gruppo carbonilico:

La forma maggiore, che è quella che si disegna tipicamente nelle strutture di Lewis.
Un contributore minore ma molto importante, in cui entrambi gli elettroni del legame pi sono localizzati sull'ossigeno, conferendogli una carica negativa completa. Questa rappresentazione mostra il carbonio con un orbitale 2p vuoto e una carica positiva completa.

Il risultato della polarizzazione del legame carbonilico è semplice da prevedere. Il carbonio, essendo povero di elettroni, è un elettrofilo: un ottimo bersaglio per l'attacco da parte di un gruppo nucleofilo ricco di elettroni. Poiché l'estremità dell'ossigeno del doppio legame carbonilico porta una carica parziale negativa, qualsiasi cosa possa aiutare a stabilizzare questa carica accettando parte della densità elettronica aumenterà la polarità del legame e renderà il carbonio più elettrofilo. Molto spesso un gruppo acido generico serve a questo scopo, donando un protone all'ossigeno carbonilico. Lo stesso effetto può essere ottenuto anche se un acido di Lewis, come uno ione magnesio ( ${\ce {Mg^2+}}$ ), si trova vicino all'ossigeno carbonilico.

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.

Il carbonio carbonilico della formaldeide è più positivo (più blu) e quindi più reattivo nei confronti dell'addizione nucleofila rispetto al carbonio carbonilico dell'acetone, che è meno positivo (più verde). Come discusso in precedenza, i gruppi che attraggono gli elettroni possono aumentare ulteriormente il carattere positivo di un carbonio carbonilico e quindi facilitare l'addizione nucleofila.

Tradotto con DeepL.com (versione gratuita)

Figura 19.4.1: La Mappa del Potenziale Elettrostatico della Formaldeide (a sinistra) e dell'Acetone (a destra)

2. Fattori Sterici

Un'altra ragione per cui le aldeidi tendono ad essere più reattive dei chetoni è l'ingombro sterico. I chetoni hanno due gruppi alchilici legati al loro carbonio carbonilico, mentre le aldeidi ne hanno solo uno. Ciò significa che i nucleofili hanno un percorso meno ingombrato stericamente quando attaccano il carbonio carbonilico di un'aldeide. Inoltre, lo stato di transizione che porta all'intermedio tetraedrico è meno affollato stericamente, ha un'energia inferiore ed è cineticamente più favorevole per un'aldeide che per un chetone.

Figura 19.4.2: L'Ingombro Sterico Relativo dell'Acetaldeide (a sinistra) e dell'Acetone (a destra)

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

Obiettivi	Dopo aver completato questa sezione, dovresti essere in grado di: scrivere il meccanismo passo-passo per l'idratazione catalizzata da base di un'aldeide o di un chetone. scrivere il meccanismo passo-passo per l'idratazione catalizzata da acido di un'aldeide o di un chetone.
Termini chiave	Assicurati di poter definire e utilizzare nel contesto il termine chiave sottostante. Diolo geminale (gem-diolo)

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.

Fattori che Influenzano l'Equilibrio di Idratazione

L'equilibrio per la formazione dell'idrato dipende sia da fattori sterici che elettronici del carbonile, come discusso nella sezione precedente. Nella maggior parte dei casi, il gem-diolo risultante è instabile rispetto ai reagenti e non può essere isolato. Esistono eccezioni a questa regola, una delle quali è la formaldeide, dove le piccole dimensioni dei sostituenti idrogeno favoriscono la formazione dell'idrato. Pertanto, una soluzione di formaldeide in acqua (formalina) è quasi esclusivamente l'idrato, o polimeri dell'idrato.

L'aggiunta di gruppi alchilici elettron-donatori stabilizza la carica parziale positiva sul carbonio carbonilico e diminuisce la quantità di gem-diolo all'equilibrio. Per questo motivo, i chetoni tendono a formare meno dell'1% di idrato all'equilibrio.

Distribuzione di equilibrio di aldeidi e chetoni comuni con le loro forme idrate:

Allo stesso modo, l'aggiunta di forti gruppi elettron-attrattori destabilizza il carbonile e tende a formare idrati stabili. Due esempi di ciò sono il cloralio e la 1,2,3-indantrione. L'idrato di cloralio è un sedativo ed è stato aggiunto a bevande alcoliche per creare un "drink da K.O.", noto anche come Mickey Finn. Inoltre, la ninidrina è comunemente usata dagli investigatori forensi per rivelare le impronte digitali.

Reversibilità della Formazione dell'Idrato

L'isolamento degli idrati è difficile perché la reazione è reversibile. La rimozione dell'acqua dall'idrato può causare la conversione del gem-diolo di nuovo al corrispondente carbonile.

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

Obiettivi	Dopo aver completato questa sezione, dovresti essere in grado di: scrivere un'equazione per illustrare la formazione di acetali. identificare l'acetale formato dalla reazione di una data aldeide o chetone con un dato alcol. identificare il composto carbonilico, l'alcol, o entrambi, necessari per formare un dato acetale. scrivere un meccanismo dettagliato per la reazione che avviene tra un'aldeide o un chetone e un alcol. spiegare come un catalizzatore acido renda aldeidi e chetoni più suscettibili all'attacco da parte di alcoli. illustrare come la reversibilità della reazione tra un'aldeide o un chetone e un alcol possa essere usata per proteggere un gruppo carbonilico durante una sintesi organica.
Termini chiave	Assicurati di poter definire e utilizzare nel contesto i termini chiave sottostanti. Acetale Emiacetale
Note di studio	Questa sezione presenta un secondo esempio dell'uso di un gruppo protettivo. A causa della reattività dei gruppi ossidrilici e carbonilici, spesso è necessario proteggere tali gruppi durante le sintesi organiche. Quando si progettano sintesi a più stadi, bisogna sempre tenere a mente la possibilità di dover proteggere tali gruppi per eseguire con successo la sequenza di reazioni desiderata. Come visto nella Sezione 19.5, l'acqua si addiziona rapidamente alla funzione carbonilica di aldeidi e chetoni per formare dioli geminali. In una reazione simile, un equivalente di un alcol, in presenza di un catalizzatore acido, si addiziona reversibilmente ad aldeidi e chetoni per formare un idrossi etere chiamato emiacetale ( ${\ce {R2C(OH)OR'}}$ ). Questa reazione può continuare con l'aggiunta di un altro equivalente di alcol per formare un dietere chiamato acetale ( ${\ce {R2C(OR')2}}$ ). Emiacetali e acetali sono gruppi funzionali importanti perché compaiono nelle strutture di molti zuccheri. Durante questa reazione deve essere utilizzato un catalizzatore acido perché gli alcoli sono nucleofili deboli e si addizionerebbero molto lentamente in condizioni neutre. In condizioni acide, l'ossigeno del carbonile viene protonato, aumentando l'elettrofilia del carbonio carbonilico e accelerando la reazione. Inoltre, è comune rimuovere attivamente l'acqua creata con la formazione di un acetale utilizzando setacci molecolari o un'apparecchiatura di Dean-Stark. Questo passaggio è importante, poiché la formazione dell'acetale è reversibile e la rimozione dell'acqua sposta l'equilibrio verso destra secondo il principio di Le Châtelier. Infatti, una volta ottenuti, gli emiacetali o gli acetali puri possono essere idrolizzati di nuovo ai loro componenti di partenza mediante trattamento con acido acquoso e un eccesso di acqua.

Nella Sezione 19.5 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.

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

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)

Gli Acetali come Gruppi Protettivi

L'importanza degli acetali come derivati carbonilici risiede principalmente nella loro stabilità e mancanza di reattività in ambienti da neutri a fortemente basici. Finché non vengono trattati con acidi (specialmente acidi acquosi), gli acetali mostrano la stessa mancanza di reattività associata agli eteri.

Tra le reazioni più utili delle aldeidi e dei chetoni c'è la loro reattività verso reagenti fortemente nucleofili (e basici) come gli idruri metallici ( ${\ce {LiAlH4}}$ & ${\ce {NaBH4}}$ ) e i reattivi organometallici ( ${\ce {RMgX}}$ & ${\ce {RLi}}$ ). Se il gruppo funzionale carbonilico viene convertito in un acetale, questi potenti reagenti non hanno alcun effetto; pertanto, gli acetali sono eccellenti gruppi protettivi quando queste reazioni di addizione irreversibili devono essere prevenute. Per fare ciò, è comune utilizzare un diolo come il glicole etilenico per formare un anello acetalico ciclico, comunemente chiamato diossolano.

Poiché entrambi i gruppi ${\ce {-OH}}$ fanno parte della stessa molecola, la formazione dell'anello è un processo intramolecolare veloce e favorisce la formazione di un acetale ciclico, che è anche più stabile all'idrolisi rispetto a un acetale aciclico.

Una volta che la reazione desiderata è stata completata (ad esempio, l'addizione all'altro gruppo funzionale), la reversibilità della formazione dell'acetale può essere utilizzata, tramite idrolisi acida, per deproteggere e riformare il carbonile originale.

Nell'esempio seguente vorremmo che un reagente di Grignard reagisse con l'estere e non con il chetone. Ciò non è possibile senza un gruppo protettivo, poiché i reagenti di Grignard reagiscono sia con gli esteri che con i chetoni, con il chetone che è in genere più reattivo dell'estere. Questa sequenza di reazioni utilizza il glicole etilenico per formare il gruppo protettivo acetalico ciclico per il chetone, seguito dalla reazione dell'estere con un reagente di Grignard. Una volta completata questa reazione, l'acetale viene idrolizzato nuovamente in chetone nella stessa fase che riprotona l'alcol (eliminando il MgBr).

Riduzioni biologiche

Obiettivi	Dopo aver completato questa sezione, dovresti essere in grado di: determinare se una data aldeide subirà o meno la reazione di Cannizzaro. scrivere un'equazione per illustrare la reazione di Cannizzaro. identificare i prodotti formati quando una data aldeide subisce una reazione di Cannizzaro. scrivere il meccanismo dettagliato della reazione di Cannizzaro.
Termini chiave	Assicurati di poter definire e utilizzare nel contesto il termine chiave sottostante. Reazione di Cannizzaro
Note di studio	Nel 1853 Stanislao Cannizzaro scoprì che il disproporzionamento indotto da una base di un'aldeide risultava in un acido carbossilico (prodotto di ossidazione) e un alcol (prodotto di riduzione). base‑induced disproportionation of an aldehyde resulted in a carboxylic acid (oxidation product) and an alcohol (reduction product) Nota che nel meccanismo, un intermedio generato dalla metanale (formaldeide) diventa effettivamente un donatore di idruro ( ${\ce {H-}}$ ), che riduce una seconda molecola di metanale a metanolo. hydride (H−) donor, which reduces a second molecule of methanal to methanol Le riduzioni dei carbonili sono parte di importanti percorsi biologici. Ricorda che il NADH può donare ${\ce {H-}}$ per ridurre aldeidi e chetoni (Sezione 17.4). Le reazioni di addizione nucleofila di solito non avvengono in molti derivati degli acidi carbossilici a causa della presenza di un gruppo uscente. Dopo l'addizione, l'intermedio alcossido tetraedrico può riformare il carbonile eliminando il gruppo uscente in una reazione chiamata sostituzione acilica nucleofila (discussa nel Capitolo 21). Questo non accade in aldeidi o chetoni perché i sostituenti alchilici o l'idrogeno sono pessimi gruppi uscenti.

Come illustrato nella Sezione 18.11, le reazioni di addizione nucleofila solitamente non avvengono in molti derivati dell'acido carbossilico a causa della presenza di un gruppo uscente. A seguito dell'addizione nucleofila, l'intermedio alcossido tetraedrico può riformare il carbonile eliminando il gruppo uscente come parte di una reazione chiamata sostituzione acilica nucleofila. La reazione di sostituzione acilica nucleofila sarà discussa più dettagliatamente nel Capitolo 21.

Questa reazione non si verifica negli aldeidi o nei chetoni perché i sostituenti alchilici o idrogenici costituiscono gruppi uscenti molto deboli. Dopo l'addizione nucleofila, la carica negativa sull'intermedio alcolato tetraedrico rimane sull'ossigeno e viene successivamente protonata per formare un gruppo idrossile (OH). Ciò rappresenta la reazione di addizione nucleofila 1,2 discussa nella maggior parte di questo capitolo.

La Reazione di Cannizzaro

Un'importante eccezione all'idea che l'idrogeno sia un pessimo gruppo uscente si osserva nella Reazione di Cannizzaro, scoperta nel 1853 da Stanislao Cannizzaro. Una reazione caratteristica delle aldeidi prive di idrogeni in α è l'auto ossido-riduzione (o disproporzionamento) che subiscono in presenza di una base forte. Se l'aldeide ha idrogeni in α, di solito avvengono altre reazioni più rapidamente (come la condensazione aldolica).

Durante questa reazione, l'addizione nucleofila di uno ione idrossido ( ${\ce {-OH}}$ ) a un'aldeide dà un intermedio alcossido tetraedrico. Successivamente, l'alcossido riforma il carbonile, eliminando uno ione idruro ( ${\ce {H-}}$ ) come gruppo uscente e creando un prodotto acido carbossilico ossidato. Lo ione idruro eliminato riduce una seconda molecola di aldeide (in modo simile ai reagenti ${\ce {LiAlH4}}$ e ${\ce {NaBH4}}$ ) per creare un prodotto alcolico ridotto. Per esempio, la metanale (formaldeide) crea metanolo (ridotto) e acido metanoico (ossidato) quando riscaldata con ${\ce {NaOH}}$ acquoso.

Esempio: Metanale che subisce una Reazione di Cannizzaro per formare Metanolo e Acido Metanoico

Meccanismo della Reazione di Cannizzaro

Attacco Nucleofilo: L'attacco reversibile di uno ione idrossido al carbonio carbonilico elettrofilo forma un intermedio alcossido tetraedrico.
Mechanism% 2C Cannizzaro reaction step 1
Trasferimento di Idruro: L'intermedio alcossido riforma il doppio legame carbonilico, espellendo uno ione idruro come gruppo uscente. Questo idruro attacca immediatamente il carbonio carbonilico di una seconda molecola di aldeide. Il primo prodotto è un acido carbossilico, mentre il secondo è un intermedio alcossido che viene rapidamente protonato per formare l'alcol.
Mechanism% 2C Cannizzaro reaction step 2

Riduzioni Biologiche Tramite Trasferimento di Idruri ai Carbonili

La reazione di Cannizzaro è interessante perché il suo meccanismo è analogo alle riduzioni con idruri che avvengono nei percorsi biologici di molti organismi viventi. 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:

Stereochimica delle Reazioni di Trasferimento di Idruri

Le reazioni che coinvolgono chetoni/aldeidi e idrogenasi sono stereospecifiche. L'attacco dell'idruro può avvenire dalla faccia re o si di un carbonile asimmetrico, portando all'alcol S o R.

La specificità è determinata da quale lato del substrato si lega il coenzima NAD(P)H nel sito attivo dell'enzima. Inoltre, gli enzimi catalizzano specificamente il trasferimento dell'idrogeno pro-R o pro-S al C4 dell'anello nicotinammidico. Nell'esempio riportato di seguito, l'idrogeno pro-R del NADH viene trasferito per ridurre il chetone.

Esempi di Reazioni Biologiche di Trasferimento di Idruri

Riduzione del diidrossiacetone fosfato: Un enzima scoperto in microbi "archaea" catalizza la riduzione del diidrossiacetone fosfato a (S)-glicerolo fosfato, trasferendo l'atomo di idrogeno pro-R dal NADPH alla faccia re del substrato.
Biological reduction examples
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