ALDEHÍDOS Y CETONASLos aldehídos se nombran reemplazando la terminación -ano del alcano correspondiente por -al. No es necesario especificar la posición del grupo aldehído, puesto que ocupa el extremo de la cadena (localizador 1).Cuando la cadena contiene dos funciones aldehído se emplea el sufijo -dial. 

  

El grupo -CHO unido a un ciclo se llama -carbaldehído. La numeración del ciclo se realiza dando localizador 1 al carbono del ciclo que contiene el grupo aldehído. 

Algunos nombres comunes de aldehídos aceptados por la IUPAC son:

Las cetonas se nombran sustituyendo la terminación -ano del alcano con igual longitud de cadena por -ona. Se toma como cadena principal la de mayor longitud que contiene el grupo carbonilo y se numera para que éste tome el localizador más bajo.

Existe un segundo tipo de nomenclatura para las cetonas, que consiste en nombrar las cadenas como sustituyentes, ordenándolas alfabéticamente y terminando el nombre

con la palabra cetona. 

Preparación de aldehídos y cetonasLos aldehídos y cetonas pueden ser preparados por oxidación de alcoholes, ozonólisis de alquenos, hidratación de alquinos y acilación de Friedel-Crafts como métodos de mayor importancia. 

a) Ozonólisis de alquenos: Los alquenos rompen con ozono formando aldehídos y/o cetonas. Si el alqueno tiene hidrógenos vinílicos da aldehídos. Si tiene dos cadenas carbonadas forma cetonas.

 

La ozonólisis de alquenos cíclicos produce compuestos dicarbonílicos:

Los alquenos terminales rompen formando metanal, que separa fácilmente de la mezcla por su bajo punto de ebullición.

b) Oxidación de alcoholes: Los alcoholes primarios y secundarios se oxidan para dar aldehídos y cetonas respectivamente. Deben tomarse precauciones en la oxidación de alcoholes primarios, puesto que sobreoxidan a ácidos carboxílicos en presencia de oxidantes que contengan agua. En estos caso debe trabajarse con reactivos anhídros,

como el clorocromato de piridino en diclorometano (PCC), a temperatura ambiente.

  

Los alcoholes secundarios dan cetonas por oxidación. Se emplean como oxidantes permanganato, dicromato, trióxido de cromo.

La oxidación supone la pérdida de dos hidrógenos del alcohol. Los alcoholes terciarios no pueden oxidar puesto que carecen de hidrógeno sobre el carbono.

Los alcoholes alílicos y bencílicos se transforman en aldehídos o cetonas por oxidación con dióxido de manganeso en acetona. Esta reacción tiene una elevada selectividad y no oxida alcoholes que no se encuentren en dichas posiciones.

c) Hidratación de alquinos: Los alquinos se pueden hidratar Markovnikov, formando

cetonas, o bien antiMarkovnivov, para formar aldehídos.

d) Acilación de Friedel-Crafts: La introducción de grupos acilo en el benceno permite la preparación de cetonas con cadenas aromáticas.

Formación de HidratosLos aldehídos y cetonas reaccionan en medio ácido acuoso para formar hidratos. El mecanismo consta de tres

etapas. La primera y más rápìda consiste en la protonación del oxígeno carbonílico. Esta protonación produce un aumento de la polaridad sobre el carbono y favorece el ataque del nucleófilo. En la segunda etapa el agua ataca al carbono carbonilo, es la etapa lenta del mecanismo. En la tercera etapa se produce la desprotonación del oxígeno formándose el hidrato final. 

Mecanismo de la reacción

Etapa 1. Protonación del oxígeno carbonílico.

Etapa 2. Ataque nucleófilo del agua al carbonilo protonado.

Etapa 3. Desprotonación del hidrato

 

Formación de Hemiacetales

Los hemiacetales se forman por reacción de un equivalente de alcohol con el grupo carbonilo de un aldehído o cetona. Esta reacción se cataliza con ácido y es equivalente a la formación de hidratos.

Mecanismo de la reacción:

Etapa 1. Protonación del oxígeno carbonílico.

Etapa 2. Ataque nucleófilo del metanol al carbonilo protonado.

Etapa 3. Desprotonación del hemiacetal

Formación de AcetalesLos aldehídos y cetonas reaccionan con alcoholes bajo condiciones de catálisis ácida, formando en una primera etapa hemiacetales, que posteriormene evolucionan por reacción con un segundo equivalente de alcohol a acetales.

 

Mecanismo para la formación de acetales

Etapa 1. Protonación del grupo hidroxilo

Etapa 2. Pérdida de agua.

Etapa 3. Ataque del alcohol al carbocatión

Etapa 4. Desprotonación del acetal

Formación de acetales cíclicos

Los 1,2- y 1,3-dioles reaccionan con aldehídos y cetonas formando acetales cíclicos. Los equilibrios se desplazan hacia el producto final eliminando el agua formada por destilación azeotrópica con benceno o tolueno. 

Mecanismo para la formación de acetales cíclicos:

Etapa 1. Protonación del carbonilo

Etapa 2. Ataque nucleófilo del diol al carbonilo.

Etapa 3. Equilibrio ácido base entre el éter y el alcohol

Etapa 4. Perdida de agua

Etapa 5. Ciclación

Etapa 6. Desprotonación del acetal cíclico

Acetales como grupos protectoresLos acetales pueden emplearse, por su estabilidad, como grupos protectores del carbonilo. El acetal es un éter, muy estable en medios básicos, aunque rompe en presencia de medios ácidos. En muchos procesos de síntesis el grupo carbonilo es incompatible con el reactivo utilizado. En estos casos debe protegerse para evitar que reaccione. La inestabilidad del acetal en medio ácido puede emplearse para desproteger el carbonilo. 

Veamos algunos ejemplos: 

Esta transformación requiere una sustitución, empleando como nucleófilo en acetiluro de sodio. El nucleófilo puede atacar también al grupo carbonilo, para evitarlo vamos a protegerlo.

[1] Protección de la cetona. [2] Ataque del acetiluro al carbono del bromo. [3] Desprotección del carbonilo

Veamos un segundo ejemplo:

Es necesario proteger la cetona antes de formar el organometálico para evitar la dimerización del compuesto.

[1] Protección de la cetona. [2] Formación del magnesiano. [3] Apertura del oxaciclopropano. [4] Desprotección y protonación del alcóxido.

Formación de IminasLa reacción de aldehídos o cetonas [1] con aminas primarias genera iminas [2]. La reacción se favorece en un medio ligeramente ácido (pH=4.5). 

 

El control del pH es fundamental, puesto que se requiere la protonación del oxígeno del carbonilo para favorecer el ataque nucleófilo.Mecanismo:Etapa 1. Protonación del grupo carbonilo que aumenta la polaridad positiva sobre el carbono y favorece el ataque nucleófilo.

Etapa 2. Ataque nucleófilo de la amina primaria al carbono carbonilo.

Etapa 3.  Protonación del grupo hidroxilo para transformarlo en buen grupo saliente.

 Etapa 4. Perdida de agua y formación de la imina protonada.

Etapa 5. Desprotonación del catión.

Formación de OximasLas oximas [3] se obtienen por reacción de aldehídos o cetonas [1] e hidroxilamina [2] en un medio débilmente ácido.  El mecanismo es análogo al de formación de iminas.

Las oximas de aldehídos y cetona asimétricas presentan isomería Z/E dependiendo de la posición del grupo hidroxilo.

 Las iminas e hidrazonas (que comentaremos a continuación) también presentan esta característica.

Formación de HidrazonasLas hidrazonas [3] se obtienen por reacción de aldehídos o cetonas [1] con hidrazina [2]. Igual que en el caso de las iminas y oximas requiere pH=4.

 Aunque el mecanismo es análogo al de formación de iminas, comentaremos de nuevo los pasos.

El etanal [1] se protona formando su ácido conjugado [4]. La importante polaridad del carbono carbonilo

de [4] favorece el ataque de la hidrazina [2] para formando el intermedio [5]. El compuesto [5] intercambia

un protón entre el nitrógeno y el oxígeno, transformando el grupo hidroxilo en agua (buen grupo saliente). El

intermedio [6] pierde una molécula de agua transformándose en[7], cuya desprotonación da la hidrazona

final [3].

Formación de AzinasLa hidrazina [2] reacciona con dos moleculas de aldehido [1] para formar azinas [3].

 El mecanismo es análogo al de formación de iminas, oximas e hidrazonas.

Formación de SemicarbazonasLas semicarbazonas [3] se obtienen por reacción de aldehídos o cetonas [1] con semicarbazida [2]. Veamos un ejemplo:

 El mecanismo es análogo al de formación de iminas, oximas e hidrazonas.

Ensayo de la 2,4-Dinitrofenilhidrazina

Se trata de un ensayo analítico específico de aldehídos y cetonas. Los carbonilos [1] reaccionan con 2,4-Dinitrofenilhidrazina [2]formando fenilhidrazonas [3] que precipitan de color amarillo. La aparicion de precipidado es un indicador de la presencia de carbonilos en el medio.

 El mecanismo de la reacción es análogo al de formación de iminas.

Formación de Enaminas

Síntesis de enaminas

Como vimos en apartados anteriores la condensación de aminas primarias con aldehídos y cetonas generan iminas. En este apartado estudiaremos la condensación de carbonilos con aminas secundarias que dan enaminas.

Mecanismo de formación de enaminas

Después del ataque inicial de la amina secundaria al carbonilo, se elimina agua formándose el doble enlace entre el carbono carbonilo y el alfa del carbonilo de partida.

Etapa 1. Protonación del carbonilo

Etapa 2. Ataque nucleófilo de la amina secundaria

Etapa 3. Equilibrio ácido-base

 

Etapa 4. Pérdida de agua

Etapa 5. Eliminación

Los impedimentos estéricos hacen que las enaminas menos sustituidas sean las más estables

Formación de CianhidrinasLas cianhidrinas [3] se forman por reacción de aldehídos o cetonas [1] con ácido cianhídrico [2] y son compuestos que contienen un grupo cinano y un hidroxi sobre el mismo carbono. 

 

El mecanismo de la reacción transcurre en dos etapas:

Etapa 1. Los iones cianuro actúan como nucleófilos atacando al carbono carbonilo. El ácido cianhídrico es demasiado débil para generar cantidades importantes de cianuro, por ello, se añade cianuro de sodio o potasio al medio, garantizando la cantidad suficiente de cianuro para que la reacción transcurra en buen rendimiento.

Etapa 2. En este paso el ión alcóxido [4] se protona arrancando hidrógenos al ácido cianhídrico.  En esta etapa se regeneran los iones cianuro.

Reacción de WittigLa reacción de Wittig emplea Iluros de fósforo [2] para transformar aldehídos y cetonas [1] en alquenos [3]. Como subproducto se obtiene el óxido de trifenilfosfina [4].

 En el mecanismo de la reacción el iluro y el carbonilo se combinan para formar un oxafosfetano que rompe dejando libre el alqueno final.

Etapa 1. El etanal y el iluro se combian formando el fosfetano.

Etapa 2. El fosfetano rompe formando el alqueno y oxido de trifenilfosfina.

Ejemplo - Obtener mediante Wittig el 2-Metilbut-2-eno

Se rompe el alqueno por el doble enlace y a cada carbono se le agrega el grupo encerrado en verde.

Los iluros de fósforo se preparan mediante reacción de haloalcanos y trifenilfosfina, seguido de desprotonación del carbono con base fuerte (organometálicos de litio).

Oxidación de Baeyer Villiger

La reacción de cetonas [1] con perácidos [2] produce ésteres [3]. El oxígeno del perácido se inserta entre el carbono carbonilo y el carbono alfa de la cetona. Esta reacción fue descrita por Adolf von Baeyer y Victor Villiger in 1899.

A partir de cetonas cíclicas se obtienen ésteres cíclicos (lactonas)

El mecanismo de Baeyer Villiger comienza con el ataque nucleófilo del perácido sobre el carbonilo, seguido de la migración del sustituyente desde el grupo carbonilo al oxígeno del perácido.

Etapa 1. Adición del perácido al carbonilo

Etapa 2. Migración del sustituyente desde carbono carbonilo hacia el oxígeno (rojo)

Cuando la cetona tiene dos sustituyentes diferentes migra mejor el más sustituido. Existe un orden de migración que nos ayuda a decidir que sustituyente pasa a unirse al oxígeno del perácido.

Orden de migración: H > carbono terciario > ciclohexilo > carbono secundario » fenilo > carbono primario > metilo

Como puede observarse en el orden de migración, el grupo que mejor migra, por su pequeño tamaño, es el hidrógeno, por ello, al tratar aldehídos con perácidos se produce la migración del hidrógeno formándose ácidos carboxílicos.

El MCPBA (Ácido meta-cloroperoxibenzoico) es un perácido ampliamente utilizado en la epoxidación de alquenos y también en Baeyer-Villger. La fórmula del MCPBA se muestra a continuación.