Sinopsis: Síntesis y reacciones de los principales compuestos orgánicos (página 4)

Ejemplos:

¿El ion halonio puede reaccionar con otros nucleófilos? En presencia de otros de otros nucleófilos, el ion haluro competirá con ellos para atrapar al ion halonio cíclico.  Por ejemplo la bromación del ciclopenteno en presencia de un exceso de ion cloruro (añadido como sal) da una mezcla de trans-1,2-dibromociclopentano y trans-1-bromo-2-ciclopentano. 

De este mismo modo se pueden explicar la formación de las halohidrinas y haloéteres vecinales. 

Ejemplos:

          Ciclopenteno                                                                                                                                trans-2-Bromociclopentanol

 Ciclohexeno    Trans-1-bromo-2-metoxiciclohexano

HIDRATACIÓN ELECTRÓFILA

Cuando un alqueno se trata con una disolución acuosa de un ácido que contenga un contraión que sea un mal nucleófilo, como el ácido sulfúrico, el agua juega el papel de nucleófilo e intercepta al carbocatión que se ha formado después de la protonación inicial. En la reacción global, los elementos del agua se han adicionado al doble enlace, o sea, ha tenido lugar una hidratación. Este proceso es el inverso de la deshidratación de alcoholes inducida en medio ácido. El mecanismo es el mismo pero a la inversa.

Mecanismo de hidratación.

Ejemplo:

Otro método de obtener alcoholes o éteres desde alquenos es la oximercuración-desmercuración, ya comentada en el capítulo 13. Estos métodos en general conducen al producto más sustituido, adición Markovnikov. 

HIDROBORACIÓN-OXIDACIÓN

El resultado global de una hidroboración-oxidación, es la adición de agua a un doble enlace. Al contrario de las hidrataciones descritas anteriormente, esta es anti-Markovnikov.

El borano, BH3, se adiciona al doble enlace sin activación catalítica. Esta reacción se denomina hidroboración. La hidroboración, además de ser estereoespecífica (adición sin), es también regioselectiva. Al contrario de las adiciones electrófilas descritas con anterioridad, sólo controlan la regioselectividad los factores estéricos (y no los electrónicos): el boro se une al carbono de menos impedido (menos sustituido).

La posterior oxidación del producto de hidroboración con peróxido de hidrógeno en medio básico acuoso, da lugar a la oxidación del alquilborano, produciendo la formación del alcohol.

Mecanismo propuesto:

Hidroboración

Oxidación

Ejemplos:

 HIDROBORACIÓN-HALOGENACIÓN: HIDROHALOGENACIÓN ANTI-MARKOVNIKOV

Los alquilboranos también pueden ser precursores de haloalcanos. El resultado global de esta hidroboración-halogenación es la hidrohalogenación de un alqueno de forma regioselectiva y estereoespecífica. El halógeno, al contrario de las adiciones Markovnikov, se coloca en el carbono menos sustituido.

Ejemplos.

EPOXIDACIÓN DE ALQUENOS

El grupo -OH de los ácidos peroxicarboxílicos, RCO3H, contienen un oxígeno electrófilo. Estos compuestos reaccionan con los alquenos, adicionando este oxígeno al doble enlace con formación de oxaciclopropanos. El otro producto de la reacción es el ácido carboxílico, que se elimina mediante extracciones con base acuosa. (véase el mecanismo en el capítulo 13, formación de epóxidos).

DIHIDROXILACIÓN ANTI VECINAL (FORMACIÓN DE DIOLES TRANS)

Al tratar un oxaciclopropano con agua, en presencia de cantidades catalíticas de un ácido o una base, tiene lugar la apertura del ciclo con formación del correspondiente diol vecinal. En esta reacción el agua ataca nucleofílicamente al anillo de tres miembros por la parte opuesta a donde se encuentra el oxígeno.  

DIHIDROXILACIÓN SIN VECINAL (FORMACIÓN DE DIOLES CIS)

El permanganato potásico reacciona, en solución fría, con los alquenos para dar los correspondientes dioles vecinales sin. El otro producto de esta reacción es el dióxido de manganeso, que es un oxidante débil e insoluble en el medio de reacción. En estas condiciones neutras el MnO2 no reacciona ni con el alqueno ni con el diol.

¿Cuál es el mecanismo de esta transformación? La reacción del enlace ? con permanganato constituye una adición concertada con movimiento simultáneo de tres pares de electrones para dar un éster cíclico que contiene Mn(V). Por razones estéricas, la única manera de formarse el producto es cuando los dos átomos de oxígeno se introducen por el mismo lado del doble enlace: sin. Este intermedio es reactivo y en presencia de agua se hidroliza para dar el diol libre.

La dihidroxilación sin puede conseguirse con mejores rendimientos usando tetróxido de osmio OsO4, muy similar al permanganato en su modo de acción. Si se utilizan en cantidades estequiométricas se pueden aislar los ésteres cíclicos, pero normalmente estos se reducen con H2S o bisulfito, NaHSO3. Sin embargo, al ser el OsO4 caro y muy tóxico se utilizan cantidades catalíticas en presencia de cantidades estequiométricas de peróxido de hidrógeno.

Mecanismo de oxidación de los alquenos con permanganato:

Dihidroxilación vecinal sin con tetróxido de osmio.

REACCIÓN DE OZONOLISIS DE ALQUENOS

En todas las reacciones de adición de alquenos que se han considerado hasta aquí, el esqueleto carbonado del material de partida ha permanecido intacto. El doble enlace carbono-carbono se ha transformado en nuevos grupos funcionales, por adición de diferentes reactivos, pero no han roto o transpuesto enlaces del esqueleto de carbono. Sin embargo existen reactivos fuertemente oxidantes que rompen los enlaces carbono- carbono para producir dos fragmentos.

El ozono (O3) es el reactivo más útil para la ruptura de dobles enlaces. Este compuesto que se elabora convenientemente en el laboratorio haciendo pasar oxígeno a través de una descarga eléctrica de alto voltaje, se une rápidamente a los alquenos a bajas temperaturas para formar intermedios cíclicos llamados molozónidos. Una vez formados, los molozónidos se transponen con rapidez para formar ozónidos. Los ozónidos son explosivos, y por tanto nunca se aíslan, sino que suelen tratarse con un agente reductor, como zinc metálico en ácido acético, para transformarse en compuestos carbonilicos.

 Reacción de ozonólisis.

                                     Alqueno                               Ozónido                    Productos carbonílicos

 Mecanismo de la ozonolisis: 

ETAPA 1 Formación y ruptura del molozónido

                                                                                Molozónido                           Oxido de carbonilo

ETAPA 2 Formación y reducción del ozónido

Ejemplos.

 OZONOLISIS A ALCOHOLES (OZONOLISIS REDUCTIVA).

Al tratar el ozónido con borohidruro sódico se obtienen alcoholes. De esta forma, un doble enlace puede romperse oxidativamente para producir alcoholes, estamos hablando de una ozonolisis reductiva.

                           4-Octeno                                                                           1-Butanol  (95%)

Otros agentes oxidantes además del ozono también causan ruptura del doble enlace. Por ejemplo, el permanganato de potasio en solución neutra o ácida provoca la ruptura del alqueno, formando productos carbonílicos  con rendimiento bajo o moderado. Si en el doble enlace están presentes hidrógenos, se producen ácidos carboxílicos, si hay dos hidrógenos en un mismo carbono, se forma CO2.

Ejemplo:

                                  3,7-Dimetil-1-octeno                                        Ácido-2,6-dimetilheptanoico (45%).

 ADICIÓN DE CARBENOS A ALQUENOS: SÍNTESIS DE CICLOPROPANOS.

La última reacción de adición a alquenos que se considerará en este capítulo es la adición de un carbeno a un alqueno para producir un ciclopropano. Un carbeno R2C: , es una molécula neutra que contiene un carbono divalente con sólo seis electrones en su capa de valencia. Por ello es altamente reactivo, y sólo puede generarse sólo como un intermediario de reacción, no como una sustancia aislable.

Uno de los mejores métodos para generar un carbeno sustituido es el tratamiento de cloroformo, CHCl3, con una base fuerte como hidróxido de potasio. La pérdida de un protón del CHCl3 genera el anión triclorometano, -:CCl3, el cual libera un ion cloruro para convertirse en diclorocarbeno, :CCl2. Si se genera diclorocarbeno en presencia de un doble enlace, ocurre la adición del carbeno, electrófilo, al doble enlace, y se forma un diclorociclopropano. La adición es estereoespecífica, lo cual significa que se forma un solo estereoisómero como producto.

Ejemplo: 

El mejor método para producir ciclopropanos no halogenados es la reacción de –Smith4 .

Ejemplo:

                            Ciclohexeno                                                          Biciclo (4.1.0) heptano (92%)

Alquinos

RESUMEN DE LAS REACCIONES DE LOS ALQUINOS

1.-        Formación de alquinos

            (a) Deshidrohalogenación de dihalogenuros vecinales

Ejemplos:

             (b) Alquilación del ion acetiluro

                                Acetileno                                                                    Un alquino terminal

                                       Un Alquino terminal                                                    Un alquino interno

Ejemplos:

2.-        Reacciones de los alquinos

            (a) Adición de HX, donde X = Br o Cl

Ejemplos:

           (b) Adición de X2, donde X = Br o Cl

Ejemplos:

                        (c) Hidratación catalizada por sulfato mercúrico

                                                Una metil cetona

Ejemplos:

                         (d) Hidrobaración-oxidación

Ejemplos:

                         (e) Reducción

                         1.-         Por hidrogenación catalítica

Ejemplos:

                                2.-        Por litio en amoniaco

                                                                                    Un alqueno trans

Ejemplo:

                         (f) Acidez: conversión en aniones acetiluro

Ejemplos:

                         (g) Alquilación de aniones acetiluro

                                Acerileno                                                                    Un alquino terminal

                                       Un Alquino terminal                                                    Un alquino interno

Ejemplos: (véase alquilación del ion acetiluro)

                        h) Ruptura oxidativa

Ejemplos:

FORMACIÓN DE ALQUINOS: REACCIONES DE ELIMINACIÓN DE DIHALOGENUROS.

Los alquinos pueden obtenerse por eliminación de HX a partir de halogenuros de alquilo de manera muy parecida a como se obtenían los alquenos. Sin embargo, dado que un alquino está doblemente insaturado, es necesario eliminar dos moléculas de HX. El tratamiento de un 1,2-dihalogenuro (un dihalogenuro vecinal) con un exceso de base fuerte, como KOH o NaOH, da como resultado una doble eliminación, mediante un mecanismo E2.

Los dihalogenuros vecinales requeridos se obtienen fácilmente por adición de bromo o cloro a los alquenos. De este modo, la secuencia global de halogenació-deshidrohalogenación constituye un muy buen método par transformar un alqueno en un alquino. Si bien es posible utilizar distintas bases para la deshidrohalogenación, normalmente se prefiere el amiduro sódico, NaNH2, porque suele tener mayores rendimientos. La doble deshidrohalogenación ocurre en pasos bien diferenciados a través de un halogenuro vinílico intermedio, lo cual sugiere que los halogenuros vinílicos mismos se conviertan en alquinos cuando se tratan con bases fuertes.

Ejemplo:

 REACCIONES DE ALQUINOS: ADICIÓN DE HX Y X2.

Como regla general, los reactivos electrófilos se unen a los alquinos del mismo modo que a los alquenos. Por ejemplo, con HX,  los alquinos forman los productos de adición esperados. Aunque usualmente las reacciones pueden detenerse después de la adición de un equivalente de HX, un exceso de ácido forma un dihalogenuro. Por ejemplo, la reacción de 1-hexino con dos equivalentes de HBr produce el 2,2-dibromohexano. La regioquímica de la adición sigue la regla de Markovnikov. El halógeno se une al carbono más sustituido del triple enlace, y el hidrógeno lo hace al menos sustituido. La mayoría de las veces se encuentra en el producto la estereoquímica trans de H y X. Esto indica un mecanismo similar a los de los alquenos es decir vía carbocatión. En este caso el intermedio formado es un carbocatión vinílico.

                             Un alquino          Un carbocatión vinílico       Un bromuro vinílico

 Ejemplo:

                1-Pentino                                       2-Bromo-1-pentino           2,2-Dibromopentano

 Bromo y cloro también se unen a los alquinos para formar productos de adición, y también en este caso resulta una estereoquímica trans. La adición es similar a la de los alquenos.

Ejemplo:

                    1-Butino                     (E)-1,2-Dibromo-1-buteno             1,1,2,2-Tetrabromobutano

HIDRATACIÓN DE ALQUINOS.

Los alquinos pueden adicionar agua en analogía con la hidratación de alquenos. La adición va en el sentido Markovnikov para dar enoles que tautomerizan a cetonas. La reacción esta catalizada por los iones mercurio. Los alquinos simétricos internos dan solamente un compuesto carbonílico; los no simétricos conducen a mezclas de productos.

 Ejemplos:

Los tautómeros son tipos especiales de isómeros que se interconvierten con rapidez por medio de un equilibrio, llamado ceto-enolico.

                                                  Tautómero  enol                     Tautómero ceto

                                                 (meno favorecido)                   (más favorecido).

Mecanismo de la hidratación de un alquino catalizada por ion mercúrico para formar una cetona. La reacción produce un enol intermediario que rápidamente se tautomeriza para convertirse en una cetona.

                                   Una cetona                          Un enol

 HIDROBORACIÓN DE ALQUINOS.

Los alquinos terminales pueden reaccionar con borano, aunque en la práctica es difícil detener la reacción en el paso del borano vinílico. En circunstancias normales, experimentan una segunda adición al borano vinílico intermedio. Para evitar esta doble adición puede usarse un borano voluminoso estéricamente impedido, como el bis-(1,2-dimetilpropil)borano (que se conoce comúnmente como disiamilborano) en lugar del borano normal (BH3). Cuando un alquino terminal reacciona con disiamilborano, ocurre la adición de B-H al triple enlace C-C con la regioquímica anti Markovnikov esperada. Sin embargo, una segunda adición es bastante lenta, puesto que el volumen estérico del reactivo dialqilborano dificulta el acercamiento al doble enlace. Por lo tanto, la oxidación del borano vinílico forma primero un enol y finalmente un aldehído.

Ejemplo:

Obsérvese que la secuencia de hidroboración-oxidación es complementaria de la reacción de hidratación directa de alquinos, ya que resultan productos diferentes. La hidratación directa de un alquino terminal con ácido acuoso y sulfato mercúrico produce una metil cetona, mientras que la hidroboración-oxidación del mismo alquino forma un aldehído:

REDUCCIÓN DE ALQUINOS.

Los alquinos pueden hidrogenarse en las mismas condiciones empleadas para hidrogenar alquenos. Por lo general, el platino o el paladio sobre carbón se colocan en suspensión en una solución que contiene al alquino, y la mezcla se pone en contacto con una atmósfera de hidrógeno. En estas condiciones se produce la completa saturación del triple enlace.

Ejemplos

La hidrogenación es un proceso por pasos, lo cual permite en ciertos casos detener la reacción a nivel del alqueno intermedio. Otra alternativa es evitar la hidrogenación del alqueno a base de emplear catalizadores modificados. Uno de tales sistemas es paladio precipitado sobre carbonato cálcico y tratado con acetato de plomo y quinoleína, y se conoce como catalizar Lindlar . La superficie del metal en el catalizador de Lindlar adopta una configuración menos activa que la del paladio sobre carbón, de forma que solamente el primer enlace?? del alquino, más reactivo, es hidrogenado. Al tratarse de una adición sin, constituye un método de síntesis estereoselectiva de alqueno cis.

 Ejemplo:

                                    1-Decino                                                      cis-5-Deceno (96%) 

Un segundo método para la conversión de alquinos en alquenos es emplear sodio o litio metálico en amoniaco líquido como disolvente. Este método es complementario al de la reducción de Lindlar, puesto que con él se producen alquenos trans en vez de alquenos cis. El mecanismo en sí implica la donación de un electrón al triple enlace para producir un anión radical intermedio (tiene número impar de electrones) como un anión (tiene carga negativa). Este intermediario acepta un protón del amoniaco para formar un radical vinílico. La adición de un segundo electrón al radical vinílico produce un anión vinílico, el cual toma un segundo protón del amoniaco para formar el alqueno trans como producto.

Ejemplo:

                                           5-Decino                                                  trans-5-Deceno (78%)

 ACIDEZ DE LOS ALQUINOS: FORMACIÓN DE ANIONES ACETILURO.

La diferencia más notable entre la química de los alquenos y la de los alquinos es que los alquinos terminales son débilmente ácidos. Cuando un alquino terminal se trata con una base fuerte, como el amiduro sódico, NaNH2, el hidrógeno terminal es eliminado y se forma un anión acetiluro:

                                                                                                        Anión Acetiluro

 ALQUILACIÓN DE ANIONES ACETILURO.

La presencia de un par de electrones no compartidos hace que los aniones acetiluro sean fuertemente nucleófilos. Como resultado, cuando están disueltos en tetrahidrofurano estos aniones reaccionan con halogenuros de alquilo, para sustituir el halógeno y formar un nuevo alquino como producto.

La alquilación de alquinos no se limita al ion acetiluro. Cualquier alquino terminal puede convertirse en un anión acetiluro correspondiente y alquilarse por tratamiento con un halogenuro de alquilo para formar un alquino interno. Debido a su generalidad, la alquilación de acetiluros es el mejor método para formar alquinos sustituidos a partir de precursores más simples. La alquilación de iones acetiluro se limita al uso de bromuros y yoduros de alquilo primarios, RCH2X, por razones estéricas, dado que son sustituciones nucleófilicas del tipo SN2. Además de su reactividad como nucleófilos, los iones acetiluro son suficientemente fuertes para causar deshidrohalogenación en vez de sustitución cuando reaccionan con halogenuros de alquilo secundarios o terciarios.

Ejemplos:

RUPTURA OXIDATIVA DE ALQUINOS.

Los alquinos, como los alquenos, pueden romperse por reacción con agentes oxidantes fuertes, como el permanganato de potasio u ozono. Sin embargo, un triple enlace suele ser menos reactivo que un doble enlace, y los rendimientos de los productos de ruptura algunas veces son bajos. La reacción es demasiado compleja mecanísticamente para ser tratada con detalles. Los productos que se obtienen son ácidos carboxílicos. Si se oxida un alquino terminal se forma CO2 como uno de los productos.

 Ejemplos:

                                   3-Hexino                                            Ácido propanoico (2 moles)

                                                  Butino                             Ácido propanoico

Reactivos organometálicos

Los reactivos organometálicos son una fuente de carbono nucleofílico, y por lo tanto de gran utilidad en la química orgánica sobre todo en síntesis. Recuérdese que hasta ahora siempre hemos visto al carbono en sus compuestos estudiados como un centro electrófilo.

En este capítulo veremos los métodos de preparación de reactivos organometálicos, RM. Ellos pueden obtenerse tratando haloalcanos con metales, particularmente litio y magnesio, en los que un átomo de carbono de un grupo orgánico se encuentra unido a un metal. Estas especies son bases y nucleófilos fuertes y son extremadamente útiles en síntesis orgánica.

Puesto que los metales son elementos electropositivos, los enlaces metal-carbono pueden tener un alto grado de carácter iónico. Es decir, las estructuras resonantes dipolares contribuyen a menudo de forma importante a las estructuras de estos compuestos.

[R-M ? R-M+] = d-?R-Md+      

El grado de covalencia de este género de enlaces metal-carbono depende considerablemente del metal y se relaciona con la electronegatividad del mismo. Los compuestos organometálicos de los metales alcalinos pueden ser considerados simplemente como sales iónicas del catión metálico alcalino y el correspondiente anión orgánico denominado carbanión.

Muchos de los compuestos organometálicos se descomponen con el agua; no obstante, son solubles en varios disolventes orgánicos apróticos. Los disolventes típicos son los éteres y los alcanos. Hay un elevado número de compuestos organometálicos usados en síntesis orgánica, debido a su solubilidad en disolventes adecuados y a su reactividad extrema, no se purifican normalmente y se hace uso de sus disoluciones sin aislamiento previo.

REACTIVOS DE GRIGNARD.

Los halogenuros orgánicos de muy variadas estructuras, -de alquilo, de arilo y vinílicos- reaccionan con magnesio metálico en éter o tetrahidrofurano (THF) como disolvente para producir halogenuros de alquil-magnesio, RMgX. Estos productos, llamados reactivos de Grignard en honor a su descubridor, Víctor Grignard[1] , son ejemplos de compuestos organometálicos, ya que contienen un enlace carbono-metal.

Donde R = alquilo 1º, 2º o 3º, arilo o alquenilo;  X = Cl, Br o I.

 Ejemplo.

Muchas clases de halogenuros orgánicos forman reactivos de Grignard. El impedimento estérico en los halogenuros no parece ser un factor determinante en la formación de los reactivos de Grignard, dado que reaccionan fácilmente halogenuros de todo tipo, sean primarios, secundarios o terciarios. Los halogenuros de arilo y de alquenilo también reaccionan, aunque en estos casos es mejor usar tetrahidrofurano como solvente. El halogenuro puede ser Cl, Br o I, aunque los cloruros son algo menos reactivos que los bromuros y los yoduros. Los fluoruros orgánicos rara vez reaccionan con magnesio.

 Como podría esperarse en base en lo expuesto sobre a la electronegatividad y la polaridad de los enlaces, el enlace carbono-magnesio está altamente polarizado, lo cual hace al átomo de carbono nucleófilo y básico:

En sentido formal, puede considerarse que un reactivo de Grignard es un anión de carbono o carboanión; es decir, la sal de magnesio de un hidrocarburo ácido. Sin embargo es más exacto considerar que los reactivos de Grignard contienen un enlace C-Mg covalente altamente polar, y no un enlace iónico entre C- y +MgX.

 Debido a su carácter nucleófilo/básico, los reactivos de Grignard reaccionan tanto con ácidos como con una amplia variedad de electrófilos, tal como hemos comentado a lo largo de los capítulos anteriores. Por ejemplo, reaccionan con dadores de protones (ácidos de Bronsted) como H2O, ROH, RCOOH o RNH2, para formar hidrocarburos. La secuencia total es un método sintético útil para transformar un halogenuro de alquilo en un alcano. R-X ? R-H, (véase capítulo 8). También reaccionan con compuestos carbonílicos para dar alcoholes, R-CO-R" ? R-CH(OH)-R", (véase capítulo 12 y 17).

 Ejemplos:

REACTIVOS DE ALQUIL-LITIO Y OTROS.

Es posible obtener otros reactivos de organometálicos de manera semejante a como se hace para los reactivos de Grignard. Por ejemplo, los compuestos de alquil-litio pueden producirse por reacción de un halogenuro de alquilo con litio metálico:

                                1-Bromobutano                                                    Butil-litio

Los compuestos de alquil-litio son tanto nucleófilos como bases, y su comportamiento químico es semejante en muchos aspectos al de los halogenuros de alquil-magnesio. Como los compuestos organolíticos son más difíciles de manejar, se prefiere el uso de los reactivos de Grignard en el caso de adiciones sencillas a compuestos carbonílicos. Sin embargo, la mayor reactividad de los reactivos organolíticos permite su adición a grupos carbonilo bastante impedidos, con buenos rendimientos.

Otros compuestos organometálicos como los organosódicos y organopotásicos; son tan reactivos que rara vez se utilizan para adiciones a grupos carbonilos. Deben ser manejados con sumo cuidado, pues reaccionan con éteres y pueden inflamarse espontáneamente en contacto con el aire. En cambio, los compuestos organocíncicos (organocinc) son no demasiado reactivos, por lo que dan lugar a reacciones muy selectivas. Así, mientras que los reactivos de Grignard reaccionan fácilmente con ésteres, los derivados de cinc son prácticamente inertes frentes a ellos, aunque, sin embargo, se adicionan al grupo carbonilo de aldehídos y cetonas.  Esta selectividad se utiliza en la reacción de Reformatsky. Se prepara el derivado organocíncico de un a-halogenoéster y se adiciona a continuación sobre un compuesto carbonílico. La reacción constituye un método de preparación de ÃY-hidroxiésteres.

               romoacetato de etilo                Bromocincacetato de etilo            3-Fenil-3-hidroxi-propanoato                                                                                                                                                    de etilo (64%).

 Transmetalación.

Los compuestos organometálicos con metales que no sean litio o magnesio pueden prepararse por una reacción nucleófila del alquil-litio o del reactivo de Grignard con haluros metálicos. Esta transformación se denomina transmetalación ya que convierte un organometálico en otro.

 Transmetalación general

R-M    + M"-X   ?  R-M"    +    M-X

Transmetalaciones:

 4 RMgX    +     SiO4   ?     SiR4     +     4 MgX2

                                          Tetraalquisilano

2 RMgX    +    CdX2   ?    CdR2    +     2 MgX2

                                          Dialquilcadmio

3 RLi     +     AlX3       ?    R3Al    +      4 LiX

                                           Trialquilaluminio

RLi    +      CuI           ?      RCu      +      LiI

                                           Alquilcobre

RCu       +      RLi       ?     R2CuLi

                                           Dialquilcuprato de litio

REACCIONES DE LOS COMPUESTOS ORGANOMETÁLICOS:

 1.-        Hidrólisis (obtención de alcanos)

 2.-        Acoplamiento de halogenuros de alquilo con compuestos organometálicos.

 3.-        Adiciones nucleofílicas.

 4.-        Adición de compuestos organometálicos a aldehídos y cetonas (obtención de alcoholes).

 5.-        Adición de compuestos organometálicos a ésteres

6.-        Apertura nucleofílica del oxaciclopropano por compuestos organometálicos.

Aldehídos y cetonas

REACCIONES DE ADICIÓN NUCLEOFÍLICA

Los aldehídos y cetonas se encuentran entre los compuestos de mayor importancia, tanto en bioquímica como en la industria química. En el laboratorio, los aldehídos normalmente se elaboran por ruptura oxidativa de alquenos, por oxidación de alcoholes primarios o por reducción parcial de cloruros de ácidos o ésteres. Las cetonas se producen de manera similar por ruptura oxidativa de alquenos, por oxidación de alcoholes secundarios, o por adición de diorganocupratos a cloruros de ácido.

La reacción de adición nucleofílica es la reacción más importante de los aldehídos y las cetonas, siendo posible elaborar una gran cantidad de productos por adición nucleofílica. Las reacciones son aplicables a cetonas y aldehídos, pero en general estos últimos son más reactivos por razones tanto estéricas como electrónicas.

Propiedades de Aldehídos y Cetonas.-

El doble enlace carbono-oxígeno de los grupos carbonilos es similar en muchos aspectos al doble enlace carbono-carbono de los alquenos. El átomo de carbono carbonílico tiene hibridación sp2 y tres enlaces sigma. El cuarto electrón de valencia permanece en un orbital p del carbono, y por superposición con un orbital p del oxígeno forma con él un enlace pi. El átomo de oxígeno tiene otros dos pares de electrones no compartidos, que ocupan los dos orbitales restantes.

 Como los alquenos, los compuestos carbonílicos son planares respecto al doble enlace, y tienen ángulos de enlace de 120º aproximadamente. Como podría esperarse, el doble enlace carbono-oxígeno es más corto (1.22 Aº contra 1.43 Aº) y más fuerte (175 kJ/mol contra 92 kJ/mol) que un enlace sencillo carbono-oxígeno. Los dobles enlaces carbono-oxígeno se encuentran polarizados debido a la elevada electronegatividad del oxígeno respecto a la del carbono.

 La consecuencia más importante de la polarización del grupo carbonilo es la reactividad química del doble enlace carbono-oxígeno. En vista de que el carbono carbonílico tiene carga parcial positiva, éste es un sitio electrófilo y es atacado por nucleófilos. A la inversa, el oxígeno carboxílico tiene carga parcial negativa y es un sitio nucleófilo (básico).

Otra consecuencia de la polaridad del enlace carbonílico es que las moléculas de aldehídos y cetonas se asocian débilmente, lo cual hace que tengan puntos de ebullición mayores que los alcanos con peso molecular semejante. Sin embargo, debido a que no pueden formar puentes de hidrógeno, los aldehídos y las cetonas tienen puntos de ebullición menores que los alcoholes correspondientes. El formaldehído, el aldehído más simple, es gaseoso a temperatura ambiente, pero todos los otros aldehídos y cetonas son líquidos.

Elaboración de Aldehídos y Cetonas.-

Uno de los mejores métodos para la síntesis de aldehídos es la oxidación de alcoholes primarios y ruptura oxidativa de alquenos. Para la síntesis de cetonas los métodos son análogos a los de aldehídos (véase capítulo de alcoholes y alquenos), en todo caso los resumimos en forma de tabla:

 Oxidación de Aldehídos y Cetonas.-

Los aldehídos son rápidamente oxidados para producir ácidos carboxílicos, pero las cetonas no son reactivas hacia la oxidación excepto en condiciones muy vigorosas. Esta diferencia de comportamiento es consecuencia de las diferencias estructurales entre los dos grupos funcionales: Los aldehídos tienen un protón -CHO que puede ser extraído con facilidad durante la oxidación, pero no así las cetonas.

Muchos agentes oxidantes convierten aldehídos en ácidos carboxílicos, entre ellos el ácido nítrico caliente y el permanganato de potasio, pero el reactivo de Jones, CrO3 en ácido sulfúrico acuoso, es una elección más común a la pequeña escala del laboratorio. Las oxidaciones de Jones ocurren con rapidez a temperatura ambiente y tienen buenos rendimientos de productos.

                                    Heptanal                                                Ácido heptanoico (85%) 

Un inconveniente de la oxidación de Jones es que las condiciones en que se realiza son ácidas, y las moléculas sensibles pueden experimentar descomposición catalizada por ácido. Cuando existe esta posibilidad de descomposición, con frecuencia las oxidaciones de aldehídos se realizan usando una solución diluida de óxido de plata, Ag2O, en amoniaco acuoso (reactivo de Tollens).

                                         Benzaldehído                           Ácido benzoico

Las cetonas son inertes a la mayoría de los agentes oxidantes comunes, pero experimentan con lentitud una reacción de ruptura cuando se tratan con KMnO4 alcalino caliente. El enlace carbono-carbono próximo al grupo carbonilo se rompe, y se producen fragmentos de ácidos carboxílicos. La reacción sólo es útil para cetonas simétricas como ciclohexanona, puesto que apartir de cetonas no simétricas se forman mezclas de productos.

                                                Ciclohexanona                                     Ácido hexanodioico (79%)

 Reacciones de Adición Nucleofílica de Aldehídos y Cetonas.-

La reacción más importante de aldehídos y cetonas es la reacción de adición nucleofílica. Un nucleófilo ataca al átomo de carbono del grupo carbonilo, electrófilo, en una dirección aproximadamente perpendicular al plano de los orbitales sp2 del carbonilo. El carbono carbonílico experimenta una hibridación de sp2 a sp3, y se produce un ion alcóxido intermediario con configuración geométrica tetraédrica. El nucleófilo atacante puede tener carga negativa (Nu:-) o ser neutro (:Nu-H). Sin embargo, en este último caso suele tener un átomo de hidrógeno que puede ser eliminado posteriormente.

                                                               (1)                                       (2)

Dos posibles vías de reacción posterior a la adición de un nucleófilo a una cetona o un aldehído

La adición nucleofílica a cetonas y aldehídos suele tener dos variantes. (1) El intermedio tetraédrico puede ser protonado para formar un alcohol, o (2) el átomo de oxígeno del carbonilo puede eliminarse (como HO- o como H2O) para formar un nuevo doble enlace carbono-nucleófilo.

 Las principales se ilustran a continuación en la roseta:

Algunas reacciones de adición nucleófilica de cetonas y aldehídos

Reactividad Relativa de Aldehídos y Cetonas.-

Los aldehídos son en general más reactivos que las cetonas hacia la sustitución nucleofílica por razones tanto estéricas como electrónicas. Por razones estéricas, porque la presencia de dos sustituyentes relativamente grandes en las cetonas, contra un solo sustituyente grande en los aldehídos, hace que los neutrófilos atacantes puedan aproximarse con mayor facilidad a los aldehídos. Electrónicamente, el mayor grado de polaridad del grupo carbonilo de los aldehídos los hace más reactivos que las cetonas.

 Adición Nucleofílica de H2O: Hidratación

Los aldehídos y cetonas reaccionan con agua para producir 1,1-dioles o dioles geminales (llamados comúnmente gem-dioles). La reacción de hidratación es reversible; los gem-dioles pueden eliminar agua para regenerar cetonas o aldehídos. La posición exacta del equilibrio entre gem-dioles y cetonas o aldehídos depende de la estructura del compuesto carbonílico. Aunque en la mayoría de los casos el equilibrio favorece fuertemente al compuesto carbonílico.

La adición nucleofílica de agua a cetonas y aldehídos es un proceso lento en agua pura, pero se cataliza tanto con ácido como con base. Si bien como en todas las reacciones catalizadas en ácido o en base no cambian la posición del equilibrio, influyen fuertemente en la velocidad de la reacción de hidratación.

Adición Nucleofílica de HCN: Cianohidrinas. 

Los aldehídos y las cetonas no impedidas reaccionan con HCN para producir cianohidrinas, RCH(OH)CN, por tratamiento con HCN, el benzaldehído forma la cianohidrina llamada mandelonitrilo, con un rendimiento del 88%.

                                          Benzaldehído        Mandelonitrilo (88%).

La reacción ocurre muy lentamente con HCN puro, pero es rápida cuando se agrega una cantidad mínima de base o ion cianuro. Es posible entender este resultado recordando que el HCN, es un ácido débil con pKa = 9.1, no se disocia ni es nucleófilo. Sin embargo, el ion cianuro es fuertemente nucleófilo, la adición a cetonas y aldehídos ocurre por la vía típica de adición nucleofílica. La protonación del intermediario tetraédrico aniónico produce la cianohidrina y regenera el ion cianuro:

La formación de cianohidrinas es útil debido a las reacciones posteriores que puede experimentar. Por ejemplo, los nitrilos (RCN) pueden reducirse con LiAlH4 para producir aminas primarias (RCH2NH2), y también hidrolizarse con ácido acuoso para formar ácidos carboxilicos. Por tanto, la formación de cianohidrinas constituye un método para transformar aldehídos o cetonas en otros grupos funcionales al mismo tiempo que alarga la cadena en un átomo de carbono.