Chimica organica per il liceo/Aldeidi e chetoni/Esercizi

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Esercizi sulla nomenclatura di aldeidi e chetoni

Esercizio 1

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Esercizio 2

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Esercizio 3

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Esercizi sulla preparazione e ossidazione di aldeidi e chetoni

Esercizio 21

Spiega perché il PCC permette di ottenere aldeidi da alcoli primari senza formare acidi carbossilici.

Esercizio 22

Se si ossida propan-1-olo con PCC che prodotto si ottiene? Scrivi la formula chimica del prodotto, il suo nome IUPAC e poi disegnalo.

Esercizio 23

Indica quali dei seguenti composti erano alcoli primari o alcoli primari prima di venir ossidati:

a) CH₃COCH₃

b) HCHO

c) CH₃CH₂CHO

d) CH₃CH₂COCH₃

Esercizio 24

Completa le reazioni indicando e disegnando il prodotto organico ottenuto:

a) 1-propanolo + PCC → ?

b) 2-butanolo + PCC → ?

c) etanolo + DMP → ?

Esercizio 25

Partendo dal composto:

CH₃CH₂CH₂OH

a) indica il nome dell’alcol

b) classifica il prodotto come aldeide o chetone

c) scrivi il nome IUPAC del prodotto finale

d) Disegna il prodotto finale

Esercizio 26

Quale prodotto si ottiene ossidando il 2-pentanolo? Scrivi:

• formula di struttura
• nome IUPAC del prodotto

Esercizio 27

Disegna i prodotti che si ottengono dall'ossidazione dei seguenti alcoli secondari.

CH₃–CH₂–CH(CH₃)–CH₂OH

CH₃–CH₂–CH(CH₂CH₃)–CH₂OH

(CH₃)₂CH–CH₂–CH₂OH

CH₃–CH(CH₃)–CH(CH₃)–CH₂OH

Esercizio 28

Se si ossida il 2-metilpropan-1-olo che prodotto si ottiene? Dopo aver disegnato il prodotto ottenuto, scrivi la sua formula chimica e il nome IUPAC.

Esercizio 29

Disegna i prodotti che si ottengono dall'ossidazione dei seguenti alcoli secondari.

CH₃–CH(OH)–CH₃

CH₃–CH(OH)–CH₂–CH₃

CH₃–CH₂–CH(OH)–CH₂–CH₃

CH₃–CH(OH)–CH(CH₃)–CH₃

Esercizio 30

Completa la seguente trasformazione:

CH₃CH₂OH → ? → CH₃COOH

Indica:

1. la formula e il nome IUPAC del composto intermedio

2. il reagente che permette il primo passaggio

3. il tipo di reazione coinvolta

Esercizio 31

Spiega perché le aldeidi si ossidano più facilmente dei chetoni.

Esercizio 32

Spiega cosa è il reattivo di Tollens.

Esercizio 33

Disegna i prodotti che si ottengono dall'ossidazione dei seguenti composti:

CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CHO

CH₃–CH₂–CH(CH₃)–CH₂–CHO

(CH₃)₂CH–CH(CH₃)–CHO

CH₃–CH₂–C(CH₃)₂–CHO

Esercizio 34

Disegna i prodotti che si ottengono dall'ossidazione dei seguenti composti:

CH₃–CH(CH₂CH₃)–CH₂–CHO

CH₃–CH₂–CH(CH₂CH₃)–CH₂–CHO

(CH₃)₃C–CH₂–CHO

CH₃–CH(CH₃)–CH(CH₃)–CH₂–CHO

Esercizio 35

Disegna i prodotti che si ottengono dall'ossidazione dei seguenti composti:

CH₃–CH₂–CH₂–CH(CH₃)–CHO

CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CH(CH₃)–CHO

C₆H₅–CHO

C₆H₅–CH₂–CHO

Esercizio 36

Disegna i prodotti che si ottengono dall'ossidazione dei seguenti composti:

CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–CH₂–CHO

CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CH₂–CH₂–CHO

CH₃–CH₂–CH(CH₃)–CH(CH₃)–CHO

CH₃–CH₂–C(CH₃)₂–CH₂–CHO

Esercizio 37

Disegna i prodotti che si ottengono dall'ossidazione dei seguenti composti:

CH₃–CH(CH₃)–C(CH₃)₂–CHO

CH₂=CH–CH₂–CHO

C₆H₅–CH(CH₃)–CHO

C₆H₅–CH₂–CH₂–CHO

Esercizio 38

Disegna i prodotti che si ottengono dall'ossidazione dei seguenti composti:

CH₃–CH₂–CH(CH₃)–CH(CH₂CH₃)–CHO

(CH₃)₂CH–CH₂–CH(CH₃)–CHO

CH₃–C(CH₃)₂–CH₂–CH₂–CHO

CH₃–CH=CH–CH₂–CHO

Esercizio 39

Scrivi il nome IUPAC e la formula chimica dei reagenti da cui, dopo essere ossidati, sono stati ottenuti i seguenti prodotti:

CH₃–CH₂–CH₂–CH(CH₃)–COOH

CH₃–CH(CH₃)–CH₂–COOH

CH₃–CH(CH₂CH₃)–CH₂–COOH

CH₃–CH₂–CH(CH₂CH₃)–CH₂–COOH

Esercizio 40

Scrivi il nome IUPAC e la formula chimica dei reagenti da cui, dopo essere ossidati, sono stati ottenuti i seguenti prodotti:

CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–CH₂–COOH

CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CH₂–CH₂–COOH

CH₂=CH–CH₂–COOH

CH₃–C(CH₃)₂–CH₂–CH₂–COOH

Esercizi sulle reazioni di addizione nucleofila di aldeidi e chetoni

Esercizio 41

Descrivi il meccanismo generale dell’addizione nucleofila a un carbonile indicando cosa avviene:

• nel primo stadio,
• nel secondo stadio,
• e quale cambiamento di ibridazione subisce il carbonio carbonilico.

Esercizio 42

Perché aldeidi e chetoni non subiscono una sostituzione nucleofila classica come gli alogenuri alchilici? Spiega il ruolo dell’intermedio tetraedrico alcossido.

Esercizio 43

Spiega la stereochimica dell’addizione nucleofila ai carbonili distinguendo tra faccia re e faccia si. In quali condizioni si può formare una miscela racemica?

Esercizio 44

Confronta il meccanismo di addizione di un nucleofilo carico negativamente con quello di un nucleofilo neutro a un’aldeide o a un chetone. Qual è la principale differenza nel prodotto finale?

Esercizio 45

Perché le aldeidi sono generalmente più reattive dei chetoni nelle reazioni di addizione nucleofila?

Esercizio 46

Disegna i passaggi della seguente reazione:

H₂​C=O + Cl⁻ → HOCH₂​Cl

Esercizio 47

Disegna i passaggi della seguente reazione:

CH₃​CHO + Br⁻ → CH₃​CH(OH)Br

Esercizio 48

Disegna i passaggi della seguente reazione:

CH₃​CH₂​CHO + I⁻ → CH₃​CH₂​CH(OH)I

Esercizio 49

Disegna i passaggi della seguente reazione:

(CH₃​)₂​CO + F⁻ → (CH₃​)₂​C(OH)F

Esercizio 50

Disegna i passaggi della seguente reazione:

H₂​C=O + CH₃​O⁻ → HOCH₂​OCH₃​

Esercizio 51

Disegna i passaggi della seguente reazione:

H₂​C=O + NH₃​ → H₂​C=NH+H₂​O

Esercizio 52

Disegna i passaggi della seguente reazione:

(CH₃​)₂​CO + OH⁻ → (CH₃​)₂​C(OH)₂​

Esercizio 53

Disegna la seguente reazione e scrivi il nome IUPAC dell'aldeide e dell'alcol finale:

C₆​H₅​CHO + Br⁻ → C₆​H₅​CH(OH)Br

Esercizio 54

Disegna la seguente reazione e scrivi il nome IUPAC dell'aldeide e dell'alcol finale:

CH₃​​CH₂CHO + Cl⁻ → CH₃CH₂​CH(OH)Cl

Esercizio 55

Disegna la seguente reazione e scrivi il nome IUPAC dell'aldeide e dell'alcol finale:

CH₃​CH(CH₃​)CH₂​CHO + Br⁻ → CH₃​CH(CH₃​)CH₂CH(OH)Br

Esercizio 56

Disegna la seguente reazione e scrivi il nome IUPAC dell'aldeide e dell'alcol finale:

CH₃​CH₂CH₂​CHO + Cl⁻ → CH₃​CH₂CH₂​CH(OH)Cl

Esercizio 57

Disegna la seguente reazione e scrivi il nome IUPAC del chetone e dell'alcol finale:

CH₃​COCH₂​CH₃ ​+ Br⁻ → CH₃​C(OH)BrCH₂​CH₃

Esercizio 58

Disegna la seguente reazione e scrivi il nome IUPAC del chetone e dell'alcol finale:

CH₃​CH₂​COCH₂​CH₃​ + Cl⁻ → CH₃​CH₂​C(OH)ClCH₂​CH₃​

Esercizio 59

Disegna la seguente reazione e scrivi il nome IUPAC del chetone e dell'alcol finale:

CH₃CH₂​CH₂​COCH₂​CH₃​ + Br⁻ → CH₃CH₂​CH₂​C(OH)BrCH₂​CH₃​

Esercizio 60

Disegna la seguente reazione e scrivi il nome IUPAC del chetone e dell'alcol finale:

CH₃​CH(CH₃)CH₂​COCH₂​CH₃​ + Cl⁻ → CH₃​CH(CH₃)CH₂​C(OH)ClCH₂​CH₃

Esercizi sulle reazioni di idratazione di aldeidi e chetoni

Esercizio 61

Scrivi il meccanismo dell'idratazione acido-catalizzata della formaldeide (HCHO).

Esercizio 62

Scrivi il meccanismo dell'idratazione base-catalizzata dell'acetaldeide (CH₃CHO).

Esercizio 63

Spiega perché la formaldeide esiste in soluzione acquosa quasi completamente come idrato, mentre l'acetone è idratato solo in minima parte.

Esercizio 64

Ordina i seguenti composti per costante di idratazione decrescente e giustifica:

• Formaldeide (HCHO)
• Etanale (C₂H₄O)
• 2-propanone(C₃H₆O)
• Tricloroacetaldedide (Cl₃CCHO)

Esercizio 65

Perché i chetoni aromatici come il benzofenone (Ph₂C=O) hanno costanti di idratazione estremamente basse?

Esercizio 66

Spiega il ruolo del catalizzatore acido nel favorire l'attacco nucleofilo dell'acqua sul carbonile.

Esercizio 67

Il ciclopropanone ha una costante di idratazione molto alta. Proponi una spiegazione basata sulla tensione d'anello.

Esercizio 68

Perché l'idratazione è reversibile e quali fattori spostano l'equilibrio verso l'idrato?

Esercizio 69

Disegna il prodotto di idratazione del butanale (CH₃CH₂CH₂CHO).

Esercizio 70

Disegna il prodotto di idratazione del cicloesanone.

Esercizio 71

Disegna il prodotto di idratazione del 2,2-dimetilpropanale (pivalaldeide).

Esercizio 72

Disegna il prodotto di idratazione del clorale (Cl₃CCHO) e spiega perché questo composto esiste prevalentemente come idrato.

Esercizio 73

Il glucosio in soluzione acquosa esiste in equilibrio tra forma aperta (aldeidica) e forme cicliche (emiacetali). Se si considera solo la forma aperta, quale carbonio verrebbe idratato?

Esercizio 74

L'1,1,1-trifluoroacetone (CF₃COCH₃) è più idratato dell'acetone. Perché?

Esercizio 75

Confronta la reattività verso l'idratazione di:

• Propanale vs propanone
• Spiega la differenza in termini di effetti elettronici e sterici.

Esercizio 76

Tra acetaldeide e cloroacetaldeide (ClCH₂CHO), quale ha una costante di idratazione maggiore? Giustifica.

Esercizio 77

Confronta l'idratazione di formaldeide e acetone in termini di:

• Stabilità del carbonile di partenza
• Stabilità dell'idrato formato

Esercizio 78

L' acido 2-ossoetanoico(OHC–COO⁻) è molto più idratato della gliceraldeide. Proponi una spiegazione

Esercizio 79

In presenza di D₂O e catalisi acida, l'acetone subisce scambio isotopico H/D sugli idrogeni α. Tuttavia, l'idratazione stessa non introduce deuterio sul carbonio carbonilico. Spiega perché lo scambio α avviene e quale meccanismo lo permette.

Esercizio 80

Il composto esafluoroacetone [(CF₃)₂C=O] ha una costante di idratazione ≈ 1,2 × 10⁶, enormemente superiore all'acetone. Sulla base di questo dato:

• Spiega l'effetto dei gruppi CF₃
• Prevedi se l'esafluoroacetone in soluzione acquosa esiste principalmente come chetone o come idrato

61

Il catalizzatore acido protona l'ossigeno carbonilico, rendendo il carbonio molto più elettrofilo e suscettibile all'attacco di un nucleofilo debole come l'acqua.

1. Protonazione: $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{C}=\mathrm{O}+\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{C}=\mathrm{O}{\phantom{A}}^{+}-\mathrm{H}$
2. Attacco nucleofilo: L'acqua attacca il carbonio carbonilico:
   $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{C}=\mathrm{O}{\phantom{A}}^{+}-\mathrm{H}+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}^{+}-\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2-\mathrm{O}\mathrm{H}$
3. Deprotonazione: Un'altra molecola di acqua rimuove il protone in eccesso, ripristinando il catalizzatore e formando il gem-diolo (idrato):
   $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}^{+}-\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2-\mathrm{O}\mathrm{H}+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{H}\mathrm{O}-\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2-\mathrm{O}\mathrm{H}+\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{O}{\phantom{A}}^{+}$

62

Il catalizzatore basico ($\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}$) è un nucleofilo forte che attacca direttamente il carbonio carbonilico senza bisogno di previa attivazione.

1. Attacco nucleofilo: L'idrossido attacca il carbonio:
   $\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{O}+\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{H}(\mathrm{O}{\phantom{A}}^{-})\mathrm{O}\mathrm{H}$
2. Protonazione dell'alcossido: L'intermedio alcossido strappa un protone dall'acqua, generando il gem-diolo e rigenerando il catalizzatore:
   $\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{H}(\mathrm{O}{\phantom{A}}^{-})\mathrm{O}\mathrm{H}+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{H}(\mathrm{O}\mathrm{H}){\phantom{A}}_2+\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}$

63

• Formaldeide ($\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{O}$): Non ha gruppi alchilici donatori di elettroni, quindi il carbonio carbonilico è fortemente parzialmente positivo (${\delta }^{+}$). Inoltre, gli atomi di idrogeno hanno un ingombro sterico nullo, favorendo il passaggio dall'ibridazione sp^2 (120°) all'ibridazione sp^3 (109.5°). L'equilibrio è spostato verso l'idrato per oltre il 99%.
• Acetone ($(\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3){\phantom{A}}_2\mathrm{C}=\mathrm{O}$): Possiede due gruppi metilici che sono elettron-donatori per effetto induttivo, stabilizzando la carica ${\delta }^{+}$ sul carbonile e rendendolo meno elettrofilo. Inoltre, i metili creano affollamento sterico nell'idrato sp^3, dove gli angoli di legame si stringono. L'equilibrio favorisce nettamente il chetone di partenza (>99.9%).

64

L'ordine corretto è:

$\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{O}>\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{O}>\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{O}>(\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3){\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{O}$

Giustificazione:

• Tricloroacetaldeide ($\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{O}$): I tre atomi di cloro sono fortemente elettron-attrattori per effetto induttivo. Deficitano massicciamente il carbonio carbonilico di elettroni, rendendolo estremamente reattivo.
• Formaldeide ($\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{O}$): Nessun effetto induttivo stabilizzante, zero ingombro sterico.
• Acetaldeide ($\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{O}$): Un gruppo metilico stabilizza parzialmente il carbonile e aumenta leggermente l'ingombro.
• Acetone ($(\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3){\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{O}$): Due gruppi metilici stabilizzano fortemente il carbonile e massimizzano l'ingombro sterico nell'idrato.

65

Nel ciclopropanone, l'anello a tre termini costringe il carbonio carbonilico sp^2 a un angolo di legame di circa 60°. La deviazione dall'angolo ideale di 120° è enorme, provocando una tensione d'anello eccezionale.

Quando il ciclopropanone viene idratato, il carbonio passa a ibridazione sp^3 (il cui angolo ideale sarebbe 109.5°). L'angolo reale rimane compresso a 60°, ma la deviazione dall'angolo ideale si riduce significativamente. Questa parziale liberazione dalla tensione d'anello (tensione angolare) rende l'idratazione termodinamicamente molto favorita.

66

Il benzofenone ha una costante di idratazione quasi nulla perché il doppio legame carbonilico è altamente stabilizzato per risonanza con i due anelli fenilici. L'idratazione romperebbe la coniugazione estesa del sistema carbonile-anelli aromatici. Inoltre, i due gruppi fenilici sono voluminosi e creano un enorme impedimento sterico all'attacco dell'acqua e alla successiva formazione del carbonio tetraedrico sp^3

67

L'acqua è un nucleofilo debole e attacca i normali carbonili molto lentamente. Il catalizzatore acido protona l'ossigeno del carbonile. Questo sposta la densità elettronica verso l'ossigeno, aumentando drasticamente la carica parziale positiva (${\delta }^{+}$) sul carbonio. Il carbonio diventa così un elettrofilo forte, capace di subire rapidamente l'attacco dell'acqua.

68

L'idratazione è reversibile perché sia l'idrato (gem-diolo) che il composto carbonilico hanno stabilità energetiche comparabili, e i legami che si rompono e si formano (C-O e O-H) hanno energie simili.

I fattori che spostano l'equilibrio verso l'idrato sono:

• Fattori elettronici: Presenza di sostituenti elettron-attrattori vicini al carbonile.
• Fattori sterici: Minor ingombro dei sostituenti (es. aldeidi rispetto ai chetoni).
• Fattori geometrici: Rilascio di tensioni d'anello (come nei cicli a 3 o 4 termini).
• Concentrazione: Un grande eccesso di acqua (solvente) sposta l'equilibrio a destra.

69

Il butanale per idratazione fornisce il butan-1,1-diolo:

$\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{H}(\mathrm{O}\mathrm{H}){\phantom{A}}_2$

70

L'attacco sul carbonio carbonilico del cicloesanone porta alla formazione del cicloesan-1,1-diolo.

71

La pivalaldeide si idrata trasformando il gruppo formilico nel corrispondente diolo, producendo il 2,2-dimetilpropan-1,1-diolo:

$(\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3){\phantom{A}}_3\mathrm{C}-\mathrm{C}\mathrm{H}(\mathrm{O}\mathrm{H}){\phantom{A}}_2$

72

Il clorale forma il clorale idrato:

$\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}-\mathrm{C}\mathrm{H}(\mathrm{O}\mathrm{H}){\phantom{A}}_2$

Spiegazione: Esiste prevalentemente come idrato perché il gruppo $-\mathrm{C}\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{A}}_3$ esercita un effetto induttivo elettron-attrattore massiccio sul carbonio adiacente, destabilizzando il carbonile di partenza. Una volta formato l'idrato, inoltre, si instaurano legami a idrogeno intramolecolari tra gli idrogeni dei gruppi $-\mathrm{O}\mathrm{H}$ e gli atomi di cloro, stabilizzando ulteriormente il prodotto.

73

La struttura lineare (aperta) del D-glucosio presenta la funzione aldeidica sul primo carbonio della catena. Pertanto, il carbonio che subisce l'idratazione è il Carbonio 1 (C1).

74

L'1,1,1-trifluoroacetone è molto più idratato dell'acetone grazie alla presenza del gruppo $-\mathrm{C}\mathrm{F}{\phantom{A}}_3$. Il fluoro è l'elemento più elettronegativo; il gruppo $-\mathrm{C}\mathrm{F}{\phantom{A}}_3$ attrae fortemente la densità elettronica per effetto induttivo, impoverendo il carbonio del carbonile e rendendolo un elettrofilo estremamente reattivo rispetto a quello dell'acetone non sostituito.

75

• Effetto Elettronico: Il propanale ($\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{O}$) ha un solo gruppo alchilico elettron-donatore, mentre il propanone ($\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3$) ne ha due. I due gruppi dell'acetone riducono la carica ${\delta }^{+}$ sul carbonile, rendendolo meno elettrofilo.
• Effetto Sterico: Nel propanale il carbonio è legato a un idrogeno (ingombro minimo). Nel propanone ci sono due gruppi metilici; nel passaggio a sp^3 (idrato) i sostituenti si avvicinano e l'interazione sterica destabilizza l'idrato del propanone.
• Conclusione: Il propanale ha una reattività e una costante di idratazione nettamente maggiore del propanone.

76

La cloroacetaldeide ($\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{O}$) ha una costante di idratazione maggiore.

Giustificazione: L'atomo di cloro sulla cloroacetaldeide attrae elettroni per effetto induttivo (. Questo riduce la densità elettronica sul carbonio carbonilico, aumentandone l'elettrofilia e favorendo la formazione dell'idrato. L'acetaldeide ha invece un gruppo metilico che è debolmente elettron-donatore.

77

• Stabilità del carbonile di partenza: Il carbonile dell'acetone è fortemente stabilizzato dall'effetto induttivo dei due metili. Il carbonile della formaldeide non ha stabilizzazioni ed è intrinsecamente ad alta energia (instabile).
• Stabilità dell'idrato formato: L'idrato della formaldeide non ha tensioni steriche. L'idrato dell'acetone soffre di repulsione sterica tra i due gruppi metilici forzati nella geometria tetraedrica sp^3
• Conclusione: La formaldeide ha un reagente instabile e un idrato stabile (idratazione molto favorita); l'acetone ha un reagente stabile e un idrato instabile (idratazione sfavorita).

78

Nel gliossilato il carbonile è direttamente adiacente a un gruppo carbossilato ($-\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{O}{\phantom{A}}^{-}$). Il carbonio del gruppo carbossilico accumula una parziale carica positiva, generando una forte repulsione dipolo-dipolo tra carboni adiacenti ($\text{O}={\text{C}}^{\delta +}-{\text{C}}^{\delta +}=\text{O}$). L'idratazione del gruppo aldeidico converte il carbonio in sp^3, riducendo drasticamente questa repulsione destabilizzante. Nella gliceraldeide i gruppi ossidrilici vicini inducono solo un moderato effetto , senza una repulsione dipolo-dipolo così marcata.

79

Lo scambio isotopico in posizione alpha avviene attraverso la formazione dell'enolo, non tramite l'idratazione:

1. L'acetone viene protonato sull'ossigeno: $(\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3){\phantom{A}}_2\mathrm{C}=\mathrm{O}{\phantom{A}}^{+}-\mathrm{H}$.
2. Il solvente ($\mathrm{D}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$) rimuove un protone dal carbonio in alpha, formando l'enolo neutro: $\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3-\mathrm{C}(\mathrm{O}\mathrm{H})=\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2$.
3. Quando l'enolo viene riprotonato dal solvente ($\mathrm{D}{\phantom{A}}_3\mathrm{O}{\phantom{A}}^{+}$), l'attacco del deuterio avviene sul carbonio in alpha, introducendo l'isotopo: $\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3-\mathrm{C}(=\mathrm{O}{\phantom{A}}^{+}-\mathrm{H})-\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{D}$.
4. La successiva deprotonazione dell'ossigeno rigenera il chetone deuterato in alpha.

L'idratazione, invece, prevede l'attacco dell'ossigeno di $\mathrm{D}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$ direttamente sul carbonio carbonilico. Quando l'idrato elimina acqua per tornare al chetone, rompe i legami C-O appena formati, senza che avvenga alcuna rottura o formazione di legami C-H (o C-D) sul carbonio centrale.

80

• Effetto dei gruppi $\mathrm{C}\mathrm{F}{\phantom{A}}_3$: L'esafluoroacetone possiede sei atomi di fluoro altamente elettronegativi. I due gruppi $-\mathrm{C}\mathrm{F}{\phantom{A}}_3$ esercitano un effetto induttivo elettron-attrattore di eccezionale intensità. Il carbonio carbonilico si ritrova privato di densità elettronica, accumulando una parziale carica positiva enorme che rende la molecola straordinariamente elettrofila. Inoltre, la conversione a idrato tetraedrico allontana i legami polari riducendo le repulsioni elettrostatiche interne.
• Previsione dello stato in soluzione: Data la costante d'idratazione astronomica ≈ 1,2 × 10⁶, l'equilibrio è totalmente spostato a destra. In soluzione acquosa, l'esafluoroacetone esiste quasi esclusivamente (all'incirca al 100%) come idrato $[(\mathrm{C}\mathrm{F}{\phantom{A}}_3){\phantom{A}}_2\mathrm{C}(\mathrm{O}\mathrm{H}){\phantom{A}}_2]$, mentre la quantità di chetone libero è infinitesimale.

Esercizi sulle reazioni di addizione nucleofila di alcoli (emiacetali e acetali)

Esercizio 81

Scrivi il meccanismo della formazione acido-catalizzata dell'emiacetale e del successivo acetale tra acetaldeide (CH₃CHO) ed etanolo (CH₃CH₂OH)

Esercizio 82

Scrivi il meccanismo della formazione base-catalizzata dell'emiacetale tra acetaldeide e metanolo (CH₃OH). Spiega perché la catalisi basica si ferma all'emiacetale e non può portare all'acetale

Esercizio 83

Spiega perché le aldeidi formano acetali stabili in presenza di un eccesso di alcol e catalizzatore acido, mentre i chetoni (come l'acetone) mostrano costanti di equilibrio molto basse nella formazione di chetali

Esercizio 84

Ordina i seguenti composti: tricloroacetaldeide, propanale, 2-propanone e formaldeide per costante di equilibrio decrescente di formazione dell'emiacetale con metanolo e giustifica

Esercizio 85

I 1,3-dioli o i 1,2-dioli reagiscono con i chetoni molto più facilmente rispetto ai monoalcoli per formare acetali/chetali ciclici. Proponi una spiegazione basata sull'entropia

Esercizio 86

Perché gli acetali sono stabili in soluzioni acquose basiche (es. pH = 12) ma si idrolizzano rapidamente in soluzioni acquose acide (es. pH = 2)?

Esercizio 87

Spiega il ruolo del catalizzatore acido nella conversione di un emiacetale in acetale. Quale intermedio chiave si forma che non potrebbe formarsi in assenza di acido?

Esercizio 88

La reazione di formazione degli acetali è un equilibrio chimico reversibile. Quali accorgimenti sperimentali si adottano in laboratorio per guidare la reazione verso la massima resa in acetale?

Esercizio 89

Disegna il prodotto della reazione tra butanale ed un eccesso di metanolo in catalisi acida

Esercizio 90

Disegna il prodotto della reazione del cicloesanone con 1,2-etandiolo

Esercizio 91

Disegna il prodotto di reazione tra 2,2-dimetilpropanale e un equivalente di etanolo in ambiente basico

Esercizio 92

Disegna la struttura del prodotto intramolecolare che si forma quando il 5-idrossipentanale viene trattato con tracce di acido cloridrico in assenza di altri alcoli. Che tipo di composto è?

Esercizio 93

Il D-glucosio in soluzione acquosa esiste principalmente come miscela di glucopiranosio ($\alpha$ e $\beta$). Quali gruppi funzionali della forma aperta reagiscono tra loro per formare questo anello e che tipo di legame chimico si genera?

Esercizio 94

Se tratti l'1,1,1-trifluoroacetone con metanolo in assenza di catalizzatori, noterai la formazione spontanea di un emiacetale stabile. Spiega perché questa reazione non necessita di catalisi

Esercizio 95

Confronta la facilità di idrolisi acida del benzene dimetil acetale(C9H12O2) rispetto al cicloesanone dimetil chetale. Spiega la differenza basandoti sulla stabilità degli intermedi

Esercizio 96

Tra il dimetil acetale della formaldeide e il dimetil acetale del 2,2,2-tricloroacetaldeide, quale dei due è più resistente all'idrolisi in ambiente acido? Giustifica

Esercizio 97

Considera la reazione di formazione dell'emiacetale. Confronta il comportamento del 4-idrossibutannale con quello della miscela equimolare di butanale e etanolo in termini di costante d'equilibrio

Esercizio 98

L'acetato di metile e l'1,1-dimetossietano vengono trattati separatamente con una soluzione di NaOH in acqua. Descrivi cosa accade a ciascun composto.

• Acetato di metile: Subisce una reazione di saponificazione (idrolisi basica irreversible). L'idrossido attacca il carbonile dell'estere convertendolo in acetato di sodio e metanolo.
• 1,1-dimetossietano: Non subisce alcuna reazione. Gli acetali sono completamente inerti verso le basi e i nucleofili poiché non contengono un carbonio carbonilico né gruppi uscenti attivabili in ambiente basico.

Esercizio 99

Quando il D-glucosio viene trattato con metanolo in presenza di HCl anidro, si forma una miscela di due composti isomeri stabili isolabili, ma non si forma il corrispondente acetale a catena aperta. Identifica la natura di questi due composti e spiega perché la reazione si ferma a questo stadio

Esercizio 100

Un chimico vuole sintetizzare il chetale dell'esafluoroacetone usando etanolo ed HCl. Sperimentalmente osserva che la reazione si arresta tassativamente all'emiacetale, e che è impossibile introdurre il secondo gruppo etossidrilico anche scaldando a lungo. Proponi una spiegazione dettagliata

81

Il catalizzatore acido attiva il carbonile per l'attacco dell'alcol (formando l'emiacetale), e successivamente attiva l'emiacetale favorendo l'uscita di acqua e l'ingresso del secondo equivalente di alcol (formando l'acetale).

1. Protonazione del carbonile: $\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{O}+\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{H}=\mathrm{O}{\phantom{A}}^{+}-\mathrm{H}$
2. Attacco del primo equivalente di alcol: $\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{H}=\mathrm{O}{\phantom{A}}^{+}-\mathrm{H}+\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}\mathrm{H}\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{H}(\mathrm{O}\mathrm{H})(\mathrm{O}{\phantom{A}}^{+}-\mathrm{H}-\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3)$
3. Deprotonazione (Formazione dell'emiacetale): $\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{H}(\mathrm{O}\mathrm{H})(\mathrm{O}{\phantom{A}}^{+}-\mathrm{H}-\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3)+\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}\mathrm{H}\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{H}(\mathrm{O}\mathrm{H})(\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3)+\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}^{+}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2$
4. Protonazione del gruppo ossidrilico dell'emiacetale: $\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{H}(\mathrm{O}\mathrm{H})(\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3)+\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{H}(\mathrm{O}{\phantom{A}}^{+}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2)(\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3)$
5. Perdita di acqua (Formazione dello ione ossocarbenio): $\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{H}(\mathrm{O}{\phantom{A}}^{+}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2)(\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3)\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}[\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{H}-\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3]{\phantom{A}}^{+}+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$
6. Attacco del secondo equivalente di alcol: $[\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{H}-\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3]{\phantom{A}}^{+}+\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}\mathrm{H}\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{H}(\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3)(\mathrm{O}{\phantom{A}}^{+}-\mathrm{H}-\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3)$
7. Deprotonazione finale (Formazione dell'acetale): $\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{H}(\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3)(\mathrm{O}{\phantom{A}}^{+}-\mathrm{H}-\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3)\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{H}(\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3){\phantom{A}}_2+\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}$

82

Il catalizzatore basico genera l'alcossido, un nucleofilo forte.

1. Generazione del nucleofilo: $\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{O}\mathrm{H}+\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{O}{\phantom{A}}^{-}+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$
2. Attacco nucleofilo sul carbonile: $\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{O}+\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{O}{\phantom{A}}^{-}\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{H}(\mathrm{O}{\phantom{A}}^{-})(\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3)$
3. Protonazione dell'intermedio (Emiacetale): $\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{H}(\mathrm{O}{\phantom{A}}^{-})(\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3)+\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{O}\mathrm{H}\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{H}(\mathrm{O}\mathrm{H})(\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3)+\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{O}{\phantom{A}}^{-}$

Spiegazione: La reazione si ferma all'emiacetale perché per trasformarlo in acetale sarebbe necessaria la sostituzione del gruppo $-\mathrm{O}\mathrm{H}$ con un secondo gruppo $-\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3$. In ambiente basico, il gruppo ossidrilico dovrebbe abbandonare la molecola come idrossido ($\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}$), che è un pessimo gruppo uscente. Non essendoci acidi per protonarlo e trasformarlo nel buon gruppo uscente acqua ($\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$), la reazione non può procedere oltre.

83

• Fattori elettronici: I chetoni possiedono due gruppi alchilici elettron-donatori che stabilizzano il carbonio carbonilico, riducendone l'elettrofilia rispetto alle aldeidi (che hanno un solo gruppo alchilico o nessuno).
• Fattori sterici: Nel passaggio dalla geometria planare sp^2 del carbonile a quella tetraedrica sp^3 del chetale, i due gruppi alchilici del chetone e i due gruppi alcossilici entranti si ritrovano fortemente affollati nello spazio. Nelle aldeidi, la presenza di un piccolo idrogeno riduce drasticamente questo impedimento sterico, rendendo la costante termodinamica di formazione dell'acetale nettamente più favorevole.

84

L'ordine corretto è:

$\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{O}>\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{O}>\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{O}>\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3$

Giustificazione:

• Tricloroacetaldeide ($\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{O}$): L'effetto fortemente elettron-attrattore dei tre atomi di cloro destabilizza il carbonile rendendolo un elettrofilo formidabile.
• Formaldeide ($\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{O}$): Assenza di impedimento sterico e di effetti induttivi stabilizzanti.
• Propanale ($\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{O}$): Il gruppo etilico riduce l'elettrofilia per effetto induttivo e aumenta l'ingombro.
• 2-propanone ($\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3$): Due gruppi metilici minimizzano l'elettrofilia del carbonile e massimizzano l'ostacolo sterico nel prodotto sp^3.

85

Quando un chetone reagisce con due molecole di un monoalcol, tre molecole di reagente si combinano per dare due molecole di prodotto (il chetale e una molecola d'acqua):

$\mathrm{\Delta }S\approx \text{negativo}$ (perdita di gradi di libertà della variazione entropica).

Quando si usa un diolo, una molecola di chetone reagisce con una sola molecola di diolo per dare due molecole di prodotto (il chetale ciclico e l'acqua). Il numero totale di molecole non varia durante la reazione ($\mathrm{\Delta }S\approx 0$). Poiché il fattore entropico sfavorevole viene eliminato, la formazione di acetali e chetali ciclici è termodinamicamente molto più favorita.

86

In ambiente basico, l'idrolisi richiederebbe l'attacco nucleofilo di $\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}$ o $\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$ con l'espulsione di un gruppo alcossido ($\mathrm{R}\mathrm{O}{\phantom{A}}^{-}$). L'alcossido è una base forte e un pessimo gruppo uscente, impedendo la reazione.

In ambiente acido, uno dei due ossigeni dell'acetale viene protonato diventando un ottimo gruppo uscente ($\mathrm{R}\mathrm{O}\mathrm{H}$). La perdita spontanea dell'alcol è assistita dal doppietto dell'altro ossigeno, formando uno ione ossocarbenio stabilizzato per risonanza, che viene poi attaccato dall'acqua dando il via al processo inverso di idrolisi.

87

Il catalizzatore acido protona il gruppo ossidrilico ($-\mathrm{O}\mathrm{H}$) dell'emiacetale, convertendolo nel gruppo $-\mathrm{O}{\phantom{A}}^{+}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2$. Questo permette l'espulsione di una molecola d'acqua (un ottimo gruppo uscente neutro) e porta alla formazione di un intermedio chiave: lo ione ossocarbenio ($[\mathrm{R}-\mathrm{C}\mathrm{H}=\mathrm{O}-\mathrm{R}]{\phantom{A}}^{+}$). Questo intermedio è un elettrofilo potentissimo, stabilizzato per risonanza, in grado di subire l'attacco nucleofilo di una seconda molecola di alcol anche se quest'ultimo è un nucleofilo debole.

88

Per spostare l'equilibrio verso i prodotti (principio di Le Châtelier) si utilizzano principalmente due strategie:

• Rimozione continua dell'acqua: L'acqua viene allontanata dal sistema man mano che si forma.
• Eccesso di reagente: Si utilizza un grande eccesso di alcol (spesso usato direttamente come solvente della reazione).

89

Il butanale reagisce con due molecole di metanolo per formare il 1,1-dimetossibutano:

$\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{H}(\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3){\phantom{A}}_2$

90

La reazione porta alla formazione di un chetale ciclico a 5 termini, noto come etilene acetale del cicloesanone

91

In ambiente basico con un solo equivalente di alcol, la reazione si ferma allo stadio di emiacetale, producendo il 1-etossi-2,2-dimetilpropan-1-olo:

$(\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3){\phantom{A}}_3\mathrm{C}-\mathrm{C}\mathrm{H}(\mathrm{O}\mathrm{H})(\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3)$

92

La molecola contiene sia il gruppo aldeidico che il gruppo alcolico a distanza ideale. L'ossidrilico sul C5 attacca il carbonile sul C1 formando un emiacetale ciclico a 6 termini, il tetraidro-2H-piran-2-olo.

93

Il gruppo ossidrilico legato al Carbonio 5 (C5) effettua un attacco nucleofilo intramolecolare sul carbonio carbonilico del gruppo aldeidico situato sul Carbonio 1 (C1). Il legame che si genera è un emiacetale ciclico (nello specifico, un anello piranosico).

94

Il forte effetto induttivo elettron-attrattore del gruppo $-\mathrm{C}\mathrm{F}{\phantom{A}}_3$ impoverisce drammaticamente il carbonio carbonilico, rendendolo così tanto elettrofilo da poter subire l'attacco nucleofilo del metanolo (nucleofilo debole) in tempi rapidi anche senza essere preventivamente attivato (protonato) da un catalizzatore acido.

95

Il benzaldeide dimetil acetale si idrolizza più rapidamente.

Giustificazione: Lo stadio lento dell'idrolisi acida prevede la formazione dello ione ossocarbenio. Nel caso della benzaldeide, il carbocazione intermedio $[\mathrm{P}\mathrm{h}-\mathrm{C}\mathrm{H}-\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3]{\phantom{A}}^{+}$ è fortemente stabilizzato non solo dall'effetto di risonanza dell'ossigeno, ma anche dalla delocalizzazione pi-greco dell'anello aromatico (posizione benzilica). L'intermedio derivato dal cicloesanone non gode di questa stabilizzazione aromatica aggiuntiva.

96

Il dimetil acetale del 2,2,2-tricloroacetaldeide è molto più resistente all'idrolisi acida.

Giustificazione: L'idrolisi acida richiede la protonazione iniziale dell'ossigeno e la successiva espulsione di un alcol per generare un carbocazione (ione ossocarbenio). Il gruppo fortemente elettron-attrattore $-\mathrm{C}\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{A}}_3$ destabilizza enormemente la formazione di qualsiasi carica positiva sul carbonio adiacente. Di conseguenza, lo stato di transizione per la rottura del legame C-O ha un'energia di attivazione proibitiva.

97

La costante di equilibrio dell'idrossialdeide ciclica è magnitudini più elevata rispetto alla misversa intermolecolare. La reazione del 4-idrossibutannale è intramolecolare (porta a un anello stabile a 5 termini, il legame emiacetalico si forma nello stesso scheletro molecolare), riducendo la perdita entropica rispetto alla reazione intermolecolare in cui due molecole indipendenti devono incontrarsi in soluzione.

98

• Acetato di metile: Subisce una reazione di saponificazione (idrolisi basica irreversible). L'idrossido attacca il carbonile dell'estere convertendolo in acetato di sodio e metanolo.
• 1,1-dimetossietano: Non subisce alcuna reazione. Gli acetali sono completamente inerti verso le basi e i nucleofili poiché non contengono un carbonio carbonilico né gruppi uscenti attivabili in ambiente basico.

99

I due composti isolati sono l'$\alpha$- e il $\beta$-metil glucoside. Si tratta di acetali ciclici (chiamati glicosidi).

La reazione inizia dal glucosio che in soluzione è già prevalentemente in forma di emiacetale ciclico. L'HCl anidro protona l'ossidrile anomerico (sul C1) del ciclo, che si allontana come acqua formando lo ione ossocarbenio ciclico. Il metanolo attacca questo intermedio da sopra o da sotto, generando i due isomeri trans e cis (anomeri). La reazione si ferma qui poiché l'anello a 6 termini (piranosico) possiede una stabilità termodinamica talmente elevata che la molecola non ha alcuna spinta energetica ad aprirsi per subire l'attacco di un secondo metanolo.

100

La conversione dell'emiacetale dell'esafluoroacetone nell'acetale richiederebbe la protonazione dell'ossidrile dell'emiacetale e l'espulsione di una molecola di acqua per generare il rispettivo ione ossocarbenio:

$[(\mathrm{C}\mathrm{F}{\phantom{A}}_3){\phantom{A}}_2\mathrm{C}-\mathrm{O}\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_3]{\phantom{A}}^{+}$

I due gruppi $-\mathrm{C}\mathrm{F}{\phantom{A}}_3$, grazie al loro spaventoso effetto induttivo elettron-attrattore, esercitano una forza destabilizzante insormontabile nei confronti di una carica netta positiva localizzata sul carbonio a cui sono legati. L'energia di attivazione richiesta per espellere l'acqua e generare questo intermedio cationico è talmente elevata che la reazione è cineticamente bloccata, impedendo la formazione dell'acetale completo.

Esercizi sulle riduzioni biologiche di aldeidi e chetoni col NADH

Esercizio 101

testo

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Soluzioni agli esercizi

21) Il PCC è una versione più blanda dell'acido cromico, quindi non è in grado di ossidare direttamente gli alcoli primari in acidi carbossilici.

22) CH₃CH₂CHO, propanale,

23) Alcol secondario, alcol primario, alcol primario, alcol secondario

24) Propanale 2-butanone etanale

25) 1-propanolo, aldeide, propanale,

26) CH₃CH₂CH₂COCH₃, 2-pentanone     

27)

28) (CH₃)₂CH–CHO, 2-metilpropanale,

29)

30) CH₃COH, etanale, PCC, ossidazione di alcoli primari

31) Le aldeidi si ossidano molto più facilmente dei chetoni principalmente perché possiedono un atomo di idrogeno direttamente legato al carbonio carbonilico, che può essere facilmente rimosso durante l'ossidazione ad acido carbossilico. Al contrario, i chetoni non hanno questo idrogeno e richiedono la rottura di un forte legame per ossidarsi, il che richiede condizioni estreme.

32) Il reattivo di Tollens è una soluzione basica e acquosa costituita da ioni argento (I) disciolti in ammoniaca diluita. Quando è presente un'aldeide, 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. I chetoni, al contrario, non reagiscono con il reattivo di Tollens, rendendo questo test specifico per le aldeidi.

33)

34)

35)

36)

37)

38)

39) 2-metilpentanale; 3-metilbutanale; 3-metilpentanale;

3-etilpentanale

40) esanale; 5-metilesanale; but-3-en-ale;

4,4-dimetilpentanale

41) Nel primo stadio il nucleofilo attacca il carbonio elettrofilo del gruppo carbonilico C=O. Gli elettroni del legame π si spostano verso l’ossigeno, formando un intermedio tetraedrico alcossido. Il carbonio carbonilico cambia ibridazione da sp2 ad sp3. Nel secondo stadio l’alcossido viene protonato da un acido formando un alcol.

42) Aldeidi e chetoni non possiedono un buon gruppo uscente legato al carbonile. Per questo motivo il nucleofilo non sostituisce un gruppo già presente, ma si addiziona al carbonio carbonilico. L’attacco nucleofilo porta alla formazione di un intermedio tetraedrico alcossido, nel quale l’ossigeno possiede carica negativa. Successivamente questo intermedio viene protonato formando il prodotto finale.

43) Il gruppo carbonilico è planare e presenta due facce distinte chiamate re e si. Se i due gruppi legati al carbonile sono differenti, l’attacco del nucleofilo può avvenire da entrambi i lati del piano. Dopo l’addizione, il carbonio passa da geometria trigonale planare a tetraedrica e può diventare un centro chirale. Se il nucleofilo attacca con uguale probabilità entrambe le facce, si ottiene una miscela racemica 50:50 di enantiomeri.

44) Un nucleofilo carico negativamente attacca direttamente il carbonio carbonilico formando un alcossido che, dopo protonazione, dà un alcol. Un nucleofilo neutro invece possiede un idrogeno aggiuntivo che permette l’eliminazione dell’ossigeno carbonilico sotto forma di acqua. In questo caso si forma un doppio legame tra carbonio e nucleofilo: C=Nu.

45) Le aldeidi sono più reattive dei chetoni per due motivi principali:

• Fattori elettronici: nei chetoni sono presenti due gruppi alchilici che donano densità elettronica al carbonio carbonilico, riducendone la carica positiva parziale e quindi l’elettrofilia.
• Fattori sterici: nei chetoni il carbonile è più ingombrato, quindi il nucleofilo incontra maggiore difficoltà ad attaccare il carbonio.

53) + Br⁻ ----------→ Fenilmetanale; 1-bromofenilmetanolo

54) + Cl⁻ ----------→ Propanale; 1-cloropropan-1-olo

55) + Br⁻ ----------→ 3-metilbutanale; 1-bromo-3-metilbutan-1-olo

56) + Cl⁻ ----------→ Butanale; 1-clorobutan-1-olo

57) + Br⁻ ----------→ Butanone; 2-bromobutan-2-olo

58) + Cl⁻ ----------→ 3-pentanone; 3-cloropentan-3-olo

59) + Br⁻ ----------→ 3-esanone; 3-bromoesan-3olo

60) + Cl⁻ ----------→ 5-metilesan-3-one; 3-cloro-5-metilesan-3-olo

Esempi di fonti

• LibreTexts Chemistry: Organic Chemistry (Morsch et al.) - Aldeidi e chetoni
• Openstax
• Chemistry Steps: alla fine di ogni capitoletto ci sono esercizi a cui ispirarsi (non ci sono le soluzioni)
• MolView: per disegnare molecole organiche