Structure and Reactivity of Aldehydes and Ketones, Lecture notes of Chemistry

Download Structure and Reactivity of Aldehydes and Ketones and more Lecture notes Chemistry in PDF only on Docsity! Mauro Tonellato Aldeidi e chetoni Indice: Struttura e reattività 2 Addizione di acqua 3 Addizione di alcoli, sintesi di acetali 5 Addizione di acido cianidrico 7 Addizione di ammoniaca e derivati 8 Addizione di composti organometallici 10 Addizione di ilidi del fosforo (reazione di Wittig) 11 Riduzione ad alcoli 12 Riduzione ad idrocarburi 14 Ossidazione 15 Alfa alogenazione 17 Addizione e condensazione aldolica 19 Alchilazione in alfa dei chetoni via LDA 22 Prof. Mauro Tonellato – ITI Marconi – Padova Aldeidi e chetoni 2 Struttura e reattività Il gruppo funzionale di aldeidi e chetoni è il carbonile: C O Nelle aldeidi il carbonile si trova in posizione terminale, nei chetoni si trova all’interno della catena. CH2 C CH3 O CH2CH3CH2 CH2 CCH2CH3 H O pentanale (aldeide) pentan-2-one (chetone) La struttura del carbonile è planare trigonale con angoli di 120° perchè il carbonio ha ibridazione sp 2. OC . . Il carbonio del carbonile è parzialmente positivo sia per effetto induttivo, a causa dell’elettronegatività dell’ossigeno, sia per risonanza come è illustrato nella seguente figura. C O C O + EI R _ Misure del momento dipolare della formaldeide indicano che il carbonio del carbonile possiede circa mezza carica positiva quindi le due forme limite di risonanza, disegnate qui sopra, hanno circa la stessa importanza. Il carbonile, in genere, viene disegnato usando solo la prima delle due strutture limite di risonanza, nella quale tutti gli atomi hanno l’ottetto elettronico, non dimenticando però la sua natura più complessa. La reattività chimica delle aldeidi e dei chetoni si manifesta in tre punti caratteristici della molecola: sull’ossigeno del carbonile, sul carbonio del carbonile e sull’idrogeno vicino al carbonile chiamato idrogeno alfa. 1) l’ossigeno del carbonile è leggermente basico e quindi può protonarsi in ambiente acido 2) il carbonio del carbonile è elettrofilo e può subire addizione nucleofila sull’orbitale vuoto LUMO. 3) l’idrogeno in posizione alfa è parzialmente acido (pKa 15 nelle aldeidi, pKa 20 nei chetoni) è può essere strappato nelle reazioni che hanno l’enolo come intermedio che si forma per tautomeria cheto-enolica. CH C O H .. H + Nu B .. 1 2 3 : : Prof. Mauro Tonellato – ITI Marconi – Padova Aldeidi e chetoni 5 Addizione di alcoli, sintesi di acetali Le aldeidi e i chetoni possono reagire con due molecole di alcol, in catalisi acida, per dare gli acetali. L’addizione della prima molecola di alcol forma un semiacetale, una specie instabile che in genere non è isolabile. Questa può reagire con una seconda molecola di alcol per formare un acetale, che può essere considerato un dietere geminale. CH3 C H O CH3 CH2 OH CH3 C OH O CH2 CH3 H CH3 C O O CH2 CH3 H CH2 CH3 CH3 CH2 OH + H+ H+ 1-etossietanolo (semiacetale) 1,1-dietossietano (acetale) + H2O acetaldeide etanolo In questa reazione le aldeidi reagiscono più facilmente dei chetoni come nell’addizione di acqua. Il meccanismo della formazione del semiacetale è identico a quello di idratazione delle aldeidi con catalisi acida. CH3 C O H CH3 C H OH CH2 OH CH3 CH3 C OH O CH2 CH3 H H CH3 C OH O CH2 CH3 H : H+ + : + La reazione non si ferma qui: in ambiente acido il semiacetale si disidrata attraverso la formazione di un carbocatione stabilizzato per risonanza. La reazione avviene a freddo in ambiente leggermente acido. Ci si può chiedere perchè la disidratazione dei semiacetali sia così facile, mentre i normali alcoli si disidratano per formare alcheni solo a 140 °C e in H2SO4 concentrato. La differenza è dovuta al fatto che nei semiacetali ci sono due ossigeni legati allo stesso carbonio. L’ossigeno etereo aiuta l’espulsione dell’altro ossigeno, quello dell’acqua, formando un carbocatione stabilizzato per risonanza. A questo punto l’attacco del secondo alcol può avvenire con facilità: CH3 C OH O CH2 CH3 H CH3 C OH2 O CH2 CH3 H CH2 OH CH3 CH3 C O CH2 CH3 H CH3 C O CH2 CH3 H .. .. H+ + + : .. + carbocatione stabilizzato per risonanza CH3 C O O CH2 CH3 H H CH2 CH3 CH3 C O O CH2 CH3 H CH2 CH3+ H+_ La reazione, in ambiente acido, è reversibile e quindi l’aldeide si trasformata nell’acetale se c’è un eccesso di alcol, mentre l’acetale viene idrolizzato liberando l’aldeide se c’è un eccesso di acqua. I chetoni sono meno reattivi delle aldeidi e producono acetali con più difficoltà. La reazione però può essere condotta con successo allontanando l’acqua per distillazione azeotropica con benzene. In alternativa, la reazione può essere favorita riducendo lo svantaggio entropico, cioè la diminuzione del disordine molecolare che si ha quando molecole diverse si sommano. Questo accade negli zuccheri che formano semiacetali ciclici per reazione tra un alcol e un’aldeide (o un chetone) che appartengono alla stessa molecola. Questo accade anche quando si prepara un acetale facendo reagire un’aldeide (o un chetone) con un diolo invece che con due molecole di alcol. Usando 1,2-etandiolo o 1,3-propandiolo si ottiene un acetale ciclico come quello illustrato qui sotto con buone rese. CH2 C CH3 O CH3 CH2 OH CH2 OH OO CH2CH3 CH3 + H2O 2-butanone + H+ 2-etil-2-metil-1,3-dioxolano (80%)1,2-etandiolo Prof. Mauro Tonellato – ITI Marconi – Padova Aldeidi e chetoni 6 Gli acetali sono stabili alle basi, in questo assomigliano agli eteri. Il gruppo alcossido, infatti, è un pessimo gruppo uscente. Questo consente di usare l’acetale come gruppo protettore di un’aldeide (o di un chetone) per eseguire reazioni in ambiente basico, nel quale le aldeidi sono instabili (perchè possono reagire con i nucleofili o dare condensazione aldolica). Consideriamo, per esempio, la seguente reazione di allungamento di catena. CH3 C CH2 C CH O CH3 C CH2 C C O CH3 pent-4-in-2-one es-4-in-2-one Per allungare la catena è necessario trattare l’alchino terminale con sodioamide per ottenere l’acetiluro che poi, per reazione SN2 con ioduro di metile, si allunga di un carbonio. Questi passaggi in ambiente basico non sono possibili se nella molecola è presente il chetone, perchè l’anione acetiluro condenserebbe con il chetone formando un alcol superiore. Se però si protegge il chetone trasformandolo in acetale, la reazione diventa realizzabile. CH3 C CH2 C CH O NH2 CH3 ICH2 CH2 OHOH CH3 C CH2 C CH OO CH3 C CH2 C C OO :H+ : _ _ SN2 CH3 C CH2 C C OO CH3 CH3 C CH2 C C O CH3 H2O H+ Un altro esempio è la reazione di riduzione di un acido carbossilico in presenza di un chetone: CH3 C CH2 CH2 C O OH O CH3 C CH2 CH2 CH2 O OH acido 4-oxopentanoico 5-idrossipentan-2-one LiAlH4 riduce sia i chetoni che gli acidi carbossilici, quindi per ridurre solo il carbossile senza ridurre il chetone è indispensabile proteggere il gruppo chetonico trasformandolo in acetale. CH3 C CH2 CH2 C O OH O CH2 CH2 OHOH CH3 C CH2 CH2 C OO OH O CH3 C CH2 CH2 CH2 OO O H+ LiAlH4 H2O H+ _ CH3 C CH2 CH2 CH2 O OH H2O H+ Gli acetali non possono essere preparati in ambiente basico. A pH basico la reazione procede fino alla formazione del semiacetale, ma a questo punto l’ossigeno etereo non può trasformarsi in un nucleofilo migliore perchè non ha un H+ da perdere, e quindi la catalisi basica non lo può aiutare a spingere OH− fuori dalla molecola. L’alcossido può strappare un H+ solo dal gruppo OH, ma questo spinge la reazione indietro. CH3 C CH3 O CH2 CH3 O CH3 C CH3 O O CH2 CH3 OH Et CH3 C CH3 OH O CH2 CH3 CH2 CH3 O CH2 CH3 O : .. : semiacetale l'alcossido non può strappare un H+ dall'ossigeno etereo _ _ _ : _ Prof. Mauro Tonellato – ITI Marconi – Padova Aldeidi e chetoni 7 Addizione di acido cianidrico Aldeidi e chetoni possono reagire con acido cianidrico per formare cianidrine. CH3 C H O CH3 CH OH C N pH 10 acetaldeide 2-idrossipropanonitrile cianidrina + HCN La reazione viene condotta con catalisi moderatamente basica, a pH 10. Il pH deve essere abbastanza basico da trasformare una quantità sufficiente di HCN (pKa 10) in CN−, il nucleofilo che attacca il carbonile, ma non deve diventare troppo basico altrimenti impedirebbe all’alcossido, che si forma durante la reazione, di protonarsi (pKa 16). La reazione si conduce quindi con NaCN a pH 10 in modo da avere il 50% di CN− e il 50% di HCN. Dato che l’alcossido tende ad alzare il pH, si mantiene pH 10 aggiungendo H2SO4 goccia a goccia. CH3 C O H C N CH3 CH O C N H CN CH3 CH OH C N: : pH 10 H2SO4 goccia a goccia _ _ La reazione di sintesi delle cianidrine è facilmente reversibile . Trattando la cianidrina con metossido di sodio CH3ONa, quindi in ambiente decisamente basico, si può spingere a sinistra la reazione mostrata sopra. CH3 CH O C N H CH3 O CH3 CH O C N CH3 C H O C N .. : + : _ _ _ Dato che la reazione delle cianidrine è facilmente reversibile, può essere usata sia per allungare sia per accorciare la catena di atomi di carbonio di uno zucchero (reazione trattata nella chimica dei carboidrati). Questa reazione viene anche utilizzata per la sintesi degli α-idrossiacidi, qui vediamo la sintesi di acido lattico a partire da acetaldeide. CH3 C H O HCN CH3 CH OH C N CH3 CH OH COOH+ pH 10 acetaldeide 2-idrossipropanonitrile cianidrina acido 2-idrossipropanoico acido lattico H2O H+ Una variante di questa reazione che parte da un cloruro acilico produce invece un α-ossiacido, qui vediamo la sintesi di acido piruvico. CH3 C Cl O HCN CH3 C O C N CH3 C O COOH+ pH 10 cloruro di acetile 2-oxopropanonitrile acido piruvico H2O H+ Prof. Mauro Tonellato – ITI Marconi – Padova Aldeidi e chetoni 10 Addizione di composti organometallici I composti organometallici come i reattivi di Grignard (magnesio organici), i litio organici e gli acetiluri di sodio reagiscono con aldeidi e chetoni con un’addizione nucleofila che forma alcoli superiori. Queste sono quindi reazioni importanti dal punto di vista sintetico. Con la formaldeide si ottengono alcoli primari, con le aldeidi si ottengono alcoli secondari, con i chetoni si formano alcoli terziari. H C O H CH2 MgBr CH2 CH3 CH2 CH2 CH3CH2 O MgBr CH2 CH2 CH3CH2 OH + formaldeide H2Oetere bromuro di propil-1-magnesio butan-1-olato magnesio bromuro butan-1-olo CH3 C H O CH2 MgBr CH2 CH3 CH2 CH2 CH3CH O MgBr CH3 CH2 CH2 CH3CH OH CH3+ acetaldeide H2Oetere bromuro di propil-1-magnesio pentan-2-olato magnesio bromuro pentan-2-olo CH2 MgBr CH2 CH3 CH2 CH2 CH3C O MgBr CH3 CH3 CH2 CH2 CH3C OH CH3 CH3 CH3 C O CH3 + H2Oetere propil-1-magnesio bromuro 2-metilpentan-2-olato magnesio bromuro 2-metilpentan-2-oloacetone I composti litio-organici si sommano ai carbonili di aldeidi e chetoni in modo analogo ai magnesio-organici. Qui vediamo la sintesi di un alcol β-γ-insaturo. C O H CH Li CH2 CH O Li CH CH2 CH OH CH CH2+ etere H2O benzaldeide vinillitio 1-fenilprop-2-en-1-olo1-fenilprop-2-en-1-olato di litio Gli acetiluri si sommano ad aldeidi e chetoni producendo alcoli acetilenici. La reazione è del tutto analoga a quella dei reattivi di Grignard e litio-organici. C C CH3Na H C O H C C CH3CH2 O Na C C CH3CH2 OH + formaldeide etere but-2-in-1-olato di sodio H2O but-2-in-1-olo(prop-1-in-1-il)sodio Il meccanismo di reazione consiste in un attacco concertato del carbonio del composto organometallico (che ha carattere carbanionico) sul carbonio del carbonile e dell’ossigeno del carbonile sul magnesio positivo. Si forma un sale alcossido nel quale il legame ossigeno-magnesio è in buona parte ionico. Il trattamento finale con acqua trasforma l’alcossido in alcol con una reazione acido base. H C O H CH2 MgBr CH2 CH3 CH2 CH2 CH3CH2 O MgBr CH2 CH2 CH3CH2 OH + etere : H2O Prof. Mauro Tonellato – ITI Marconi – Padova Aldeidi e chetoni 11 Addizione di ilidi del fosforo (reazione di Wittig) Le ilidi del fosforo sono composti nei quali il fosforo è legato ad un carbonio con carattere carbanionico e condensano facilmente con aldeidi e chetoni per produrre alcheni nei quali la posizione del doppio legame è determinata senza incertezze. La sintesi comincia con la preparazione della ilide che si ottiene in due passaggi. Nel primo si tratta un alogenuro alchilico con trifenilfosfina per ottenere un sale di alchil-trifenilfosfonio. (C6H5)3P CH3 Br (C6H5)3P CH3 Br + trifenilfosfina bromometano metil-trifenilfosfonio + .. _ Nel secondo passaggio, si tratta il sale di alchil-trifenilfosfonio con una base forte, come sodiometil metil solfossido (in dimetilsolfossido DMSO), per ottenere la ilide, un alchilidene-trifenilfosforano. (C6H5)3P CH2 H CH2 S O CH3 Na (C6H5)3P CH2 (C6H5)3P CH2 CH3 S O CH3 + metiltrifenil fosfonio + .. metilene-trifenilfosforano (ilide) sodiometil metil solfossido + + dimetilsolfossido DMSO _ Come base, in alternativa, si può anche usare butil-litio (in tetraidrofurano). L’ilide non viene isolata, ma viene fatta reagire subito aggiungendo l’aldeide o il chetone nel pallone di reazione. O(C6H5)3P CH2 CH2 (C6H5)3P O+ DMSO + metilene-trifenilfosforano (ilide) cicloesanone metilenecicloesano ossido di trifenilfosfina Il meccanismo di reazione prevede un attacco concertato: il carbonio con carattere carbanionico della ilide attacca il carbonile del chetone e, contemporaneamente, l’ossigeno del carbonile attacca il fosforo positivo. L’intermedio di reazione è un anello a quattro termini (instabile) che si rompe per formare da una parte l’alchene finale e dall’altra l’ossido di trifenilfosfina. Questa rottura è spinta in avanti dalla tendenza del fosforo a formare il doppio legame fosforo-ossigeno che è particolarmente stabile (130 kcal/mol). P CH2 Ph Ph Ph O P CH2 Ph Ph Ph CH2 P O Ph Ph Ph O: : _ + Se sono asimmetrici sia il gruppo alchilico della ilide, sia il composto carbonilico, l’alchene che si forma può avere configurazione cis o trans (Z o E). Il prodotto che si forma in maggior quantità è l’alchene più stabile, E. (C6H5)3P C H CH3 CH3 C O CH2 CH3 CC H CH3CH3 CH2CH3 CC CH3 H CH3CH2CH3 + DMSO + etilidenetrifenilfosforano ilide 2-butanone 90% (E) 10% (Z) Per identificare il gruppo carbonilico e la ilide che servono per preparare un certo alchene, bisogna immaginare di tagliare l’alchene in corrispondenza del doppio legame. I due frammenti ottenuti vanno preparati uno come composto carbonilico e l’altro come ilide o viceversa. CH2CH3 CC H CH3CH3 Spesso le sintesi Wittig possono essere progettate in due modi diversi, la scelta del frammento da preparare come composto carbonilico oppure come ilide è legata anche alla loro disponibilità. Prof. Mauro Tonellato – ITI Marconi – Padova Aldeidi e chetoni 12 Riduzione ad alcoli La riduzione su larga scala di aldeidi e chetoni per ottenere alcoli viene fatta con idrogeno H 2 e catalizzatore (Ni, Pt, Pd o Ru). In queste condizioni, però, il doppio legame degli alcheni (apolare) si riduce molto più velocemente del carbonile, quindi con questa tecnica non è possibile ridurre aldeidi e chetoni ad alcoli senza ridurre anche un eventuale doppio legame carbonio-carbonio presente nella molecola. CH3 CH2 C O H CH3 CH2 CH2 OH + H2 Pt propanale propan-1-olo CH CH C O CH3CH3 CH2 CH2 CH OH CH3 CH3+ H2 Pt pent-3-en-2-one pentan-2-olo In laboratorio, aldeidi e chetoni vengono di solito ridotti ad alcoli utilizzando NaBH 4 sodio boroidruro o LiAlH4 litio alluminio idruro. Questi idruri metallici complessi sono inerti nei confronti dei doppi legami carbonio- carbonio e quindi permettono una riduzione più selettiva rispetto all’idrogenazione catalitica. B H H H H Al H H H H Na+ Li+ sodio boroidruro litio alluminio idruro _ _ NaBH4 è un riducente piuttosto blando che viene usato in solvente alcolico o acquoso. Può ridurre solo aldeidi, chetoni e cloruri acilici (i derivati più reattivi degli acidi), mentre non riduce gli acidi carbossilici e gli altri derivati né i doppi legami di alcheni e alchini. NaBH4 permette quindi di ridurre in modo selettivo il gruppo carbonilico di aldeidi e chetoni in molecole che possiedono anche altri gruppi funzionali. In teoria tutti e quattro gli ioni idruro di NaBH4 sono reattivi. Dalla riduzione si ottiene un alcol legato al boro come estere borico, l’alcol viene liberato per leggero riscaldamento in presenza di acqua. CH3 CH2 C O H CH3 CH2 CH2 O B RO OR OR CH3 CH2 CH2 OH + CH3OH propanale estere borico NaBH44 calore propan-1-olo 4 + B(OH)4 _ _ H2O CH CH C O CH3CH3 CH CH CH OH CH3 CH3 pent-3-en-2-one pent-3-en-2-olo NaBH4 CH3OH C CH2 CCH3 O O CH3 O CH CH2 CCH3 O O CH3 OH NaBH4 CH3OH metil 3-oxobutanoato metil 3-idrossibutanoato Prof. Mauro Tonellato – ITI Marconi – Padova Aldeidi e chetoni 15 La desolforazione dei tioacetali è una reazione più blanda che permette di ridurre ad idrocarburi anche le aldeidi e i chetoni che non sopportano nè l’ambiente acido nè quello basico. La reazione si svolge in due passaggi: prima si trasforma il carbonile in tioacetale e poi si esegue un’idrogenazione catalitica con nichel Raney, polvere di nichel satura di idrogeno. Lo zolfo viene estratto dalla molecola e incorporato nel catalizzatore che così viene “avvelenato”. Due atomi di idrogeno si legano al carbonio al posto dello zolfo. C CH3CH3 O C CH3CH3 SS CH2 CH3CH3 CH2 CH2 SH SH acetone Ni Raney 2,2-dimetil-1,3-ditiolano (tioacetale) propano (H2) Ossidazione Le aldeidi vengono ossidate facilmente ad acidi carbossilici da una varietà di reattivi. Il più utilizzato è forse Cr(VI) sotto forma di bicromato in ambiente acquoso acido nel quale si trasforma in acido cromico H2CrO4. Le aldeidi possono reagire con acido cromico solo se si trovano nella forma idratata come abbiamo visto nel capitolo sugli alcoli. Solo se possiedono dei gruppi OH, infatti, le aldeidi possono formare esteri dell’acido cromico che sono l’intermedio chiave della reazione di ossidazione. CH3 C H O CH3 C OH H OH CH3 C OH O H2O/H+ H2CrO4 acetaldeide acetaldeide idratata acido acetico H2SO4 CH3 C H OH CH3 C OH H OH OH Cr O OH2 O Cr OHO CH3 C O H O OH CH3 C OH O O Cr OH OH OH2 + + : estere dell'acido cromico Cr(VI) .. aldeide idratata .. H+ acetaldeide acido acetico Cr(IV) L’estere dell’acido cromico che si forma durante la reazione subisce una eliminazione con meccanismo ciclico per produrre il doppio legame C=O dell’acido carbossilico. Le aldeidi si possono ossidare anche con i reattivi di Fehling, Benedict e Tollens che operano in ambiente basico. Questi reattivi vengono usati solo a scopo analitico, soprattutto coi carboidrati. La reazione di ossidazione in ambiente basico non può essere usata a scopo preparativo perchè le aldeidi, in ambiente basico, non sono stabili e tendono a dare addizione aldolica e inoltre i carboidrati tendono a isomerizzare. Nei saggi di Fehling e Benedict l’ossidante è il Cu2+ che, in ambiente basico, ossida le aldeidi ad acidi carbossilici. Il Cu2+, riducendosi, forma un precipitato rosso mattone di ossido rameoso Cu2O che permette di confermare la presenza di aldeidi nel campione analizzato. CH3 C O H CH3 C O O + 2 Cu2+ + 5 OH + Cu2O + 3 H2O precipitato rosso mattone _ _ Il reattivo di Fehling è composto da due soluzioni (A e B) da mescolare al momento dell’uso. La soluzione A contiene NaOH e tartrato di sodio (un complessante del Cu2+); la soluzione B contiene CuSO4. Il tartrato impedisce per qualche tempo al rame di precipitare come idrossido e questo consente di eseguire la reazione. Il reattivo di Benedict, invece, consiste in un’unica soluzione di NaOH, citrato di sodio e CuSO 4. Questo reattivo si può conservare senza che il rame precipiti come idrossido perchè il citrato è il sale di un acido tricarbossilico e, quindi, è un complessante più forte del tartrato che possiede solo due carbossili. Prof. Mauro Tonellato – ITI Marconi – Padova Aldeidi e chetoni 16 Nel saggio di Tollens il reattivo è costituito da una soluzione ammoniacale di AgNO3. Il reagente ossidante è Ag+ che ossida le aldeidi ad acidi carbossilici riducendosi ad argento metallico. L’argento metallico che si genera in caso di saggio positivo, forma uno specchio sulle pareti di vetro della provetta. CH3 C O H CH3 C O O + 2 Ag + 3 NH3 + 2 Ag + 3 NH4 precipitato a specchio + H2O _ + + I chetoni si ossidano solo se viene rotto uno dei legami C─C ai lati del carbonile, ma per questo servono condizioni forti di ossidazione. Per esempio il permanganato a caldo attacca il doppio legame degli enoli che si trovano in equilibrio con i chetoni per tautomeria cheto-enolica. Dato che il chetone può formare l’enolo a sinistra o a destra del carbonile, si ottengono miscele di prodotti e la reazione è di scarso interesse. Più interessante è la reazione di Baeyer Villiger, cioè l’ossidazione dei chetoni con perossiacidi che produce esteri. Qui vediamo l’ossidazione con acido perossiacetico dell’acetofenone che produce fenil acetato. C O CH3 CH3 C O O O H CH3 C O OH O C O CH3 + + acetofenone acido perossiacetico fenil acetato acido acetico In questa reazione l’ossigeno perossidico del perossiacido (rosso) si inserisce tra il carbonile e l’anello benzenico formando un estere. La reazione avviene con catalisi acida. La specie che attacca il carbonile del chetone è il secondo ossigeno del perossido che è un buon nucleofilo perchè i suoi elettroni di non legame non sono impegnati nella risonanza col carbonile. A questo punto la molecola subisce una grande trasformazione con una serie di eventi che avvengono contemporaneamente, ma che, per chiarezza, mostriamo in due fasi. Il legame perossido si rompe con espulsione di acido acetico, un buon gruppo uscente, questo lascia sulla molecola un ossigeno positivo, senza ottetto elettronico. Immediatamente il fenile traspone legandosi all’ossigeno positivo mentre gli elettroni dall’ossigeno in alto scendono per stabilizzare il carbocatione lasciato dall’anello che si è spostato e ricreano il carbonile. C OH CH3 CH3C O OO H C OH CH3 O O C O CH3 C OH CH3 O O C OH CH3 + .. : H+ + : C OH CH3 O O C CH3 O + H+ trasposizione del fenile _ Dopo la trasposizione, il fenile si trova legato all’ossigeno del perossido che si è insinuato nella molecola. Il gruppo che traspone, se è chirale, mantiene la configurazione. Se nel chetone ci sono due gruppi diversi, come metile e fenile nell’esempio qui sopra, traspone quello con maggiore attitudine secondo questa scala: terz-alchile > sec-alchile > > fenile > n-alchile > metile Nell’esempio qui sopra, quindi, migra il gruppo fenile piuttosto del metile. Prof. Mauro Tonellato – ITI Marconi – Padova Aldeidi e chetoni 17 Alfa alogenazione Mentre le aldeidi, trattate con Cl2 o Br2, si ossidano formando acidi carbossilici, i chetoni enolizzabili, trattati con Cl2 o Br2 vengono alogenati in posizione alfa. La reazione dipende dalla particolare acidità degli idrogeni in alfa al carbonile che hanno pKa 20. Se vengono strappati, infatti, la carica negativa non resta bloccata sul carbonio come accade con gli alcani (pKa 60), ma è stabilizzata per risonanza e arriva fino all’ossigeno elettronegativo formando una molecola chiamata enolato. La reazione che dal chetone produce l’enolo è chiamata tautomeria cheto-enolica (tautomeria = rapida isomerizzazione). CH2 C CH3 O CH2 C CH3 O CH2 CH2 CH3 H CH2 CH3CH2 CH2 C CH3 H O .._base pKa 60 base pKa 20 .._ : enolato : : _ La reazione di alogenazione in alfa dei chetoni procede in modo molto diverso a seconda che sia condotta in catalisi acida o basica. O O Cl + Cl2 +H2O/H + HCl butan-2-one 3-clorobutan-2-one catalisi acida O O O+ 3 Cl2 H2O/OH butan-2-one + CHCl3 + 3 Cl propanoato catalisi basica _ _ _ La velocità di questa reazione è: v = k [chetone] non dipende dalla concentrazione dell’alogeno, ma dipende solo dalla concentrazione del chetone. Da questo si deduce che il chetone è il solo protagonista dello stadio lento della reazione, nel quale forma l’intermedio enolo che poi reagisce velocemente con l’alogeno. Con la catalisi acida l’alogenazione avviene dalla parte più sostituita. Nella prima reazione qui sopra si forma 3-clorobutan-2-one e non 1-clorobutan-2-one. Questo dipende dal fatto che lo stato di transizione è simile all’enolo, e quindi la reazione inizia formando l’enolo più stabile, quello col doppio legame più sostituito. Inoltre, in catalisi acida, il cloroderivato che si forma è meno reattivo del chetone di partenza (il cloro elettronegativo rende più difficile formare il doppio legame dell’enolo) e quindi, se si usa una sola mole di Cl 2, la reazione si può fermare alla monoalogenazione. C O CH3 CH CH3 H C OH CH3 CH CH3 H C OH CH3 CH CH3 : 2-butanone + : tautomeria enolo più stabile H+ OH2 C OH CH3 CH CH3 Cl Cl C O CH3 CH CH3 Cl H Cl C O CH3 CH CH3 Cl +: : enolo veloce meno reattivo del chetone iniziale _ Con la catalisi basica l’alogenazione avviene dalla parte meno sostituita. Questo accade perchè lo stato di transizione verso l’enolato, somiglia ad un anione e quindi, dato che gli anioni più stabili sono quelli meno sostituiti, lo strappo dell’H+ avviene dal lato meno sostituito. Prof. Mauro Tonellato – ITI Marconi – Padova Aldeidi e chetoni 20 L’enolo attacca il chetone protonato con un’addizione nucleofila: OH OOH OH beta-idrossichetone (tracce) + enolo + .. butan-2-one H+ Il beta-idrossi chetone può disidratarsi molto facilmente perdendo il gruppo alcolico OH. Per spiegare questo comportamento bisogna invocare un meccanismo diverso da quello della normale disidratazione degli alcoli che, invece, avviene con difficoltà e richiede una temperatura di 150 °C e H 2SO4 concentrato. L’aldolo non è un semplice alcol e può perdere facilmente l’H+ in posizione alfa rispetto all’OH grazie alla tautomeria cheto enolica del carbonile. Questa genera un beta-idrossi enolo che può espellere acqua invece di formare ancora il chetone. La reazione è favorita anche dal fatto che la molecola finale, il chetone alfa-beta insaturo, ha il doppio legame coniugato col carbonile, quindi è stabilizzato per risonanza. OHOH H OHOH OHH2O O tautomeria beta-idrossichetone (tracce) + OH2: enolo H+ :+ chetone alfa-beta insaturo 3,4-dimetiles-3-en-2-one H2O _ Le aldeidi che non possiedono alfa idrogeni non sono enolizzabili e quindi non possono dare addizione aldolica. Qui sono mostrati tre esempi di aldeidi non enolizzabili. C H H O C O H CH3 C CH3 CH3 C O H formaldeide benzaldeide 2,2-dimetilpropanale Anche se non possono dare addizione aldolica, le aldeidi non enolizzabili sono comunque instabili in ambiente molto basico e danno la reazione di Cannizzaro, una ossidoriduzione interna o dismutazione. Qui sotto vediamo la reazione della benzaldeide trattata in ambiente molto basico acquoso. C O H C O O CH2 OH 2 benzaldeide benzoato alcol benzilico + H2O/OH _ _ La reazione procede per trasferimento di uno ione idruro dal dianione di un’aldeide idratata ad un’altra aldeide. La benzaldeide iniziale, quindi, da un parte si ossida, formando l’anione dell’acido benzoico, dall’altra si riduce formando alcol benzilico. C O H OH C O H OH OH C O H O benzaldeide : dianione : _ _ _ _ _ benzaldeide idratata C O H C O O C OH H H C O H O : dianione + trasferimento di idruro _ _ _ H2O alcol benzilicobenzoato Prof. Mauro Tonellato – ITI Marconi – Padova Aldeidi e chetoni 21 L’addizione aldolica tra aldeidi diverse è chiamata addizione aldolica incrociata, questa reazione porta in generale a miscele di prodotti a causa del fatto che ciascuna delle due aldeidi può addizionarsi sia con sè stessa che con l’altra aldeide. Quindi, due aldeidi diverse A e B possono generare quattro prodotti: AA, BB, AB, BA. Se tuttavia la reazione avviene tra un’aldeide che può solo essere attaccata ma non è capace di attaccare (un’aldeide non enolizzabile) e un chetone che può solo attaccare, ma non può essere attaccato (i chetoni non si addizionano in ambiente basico perchè il loro carbonile è poco reattivo), allora la reazione procede con successo. C O H OH CH CH C CH3 O C O CH3 CH3 H2O benzaldeide + acetone 4-fenilbut-3-en-2-one _ In questa reazione, anche operando in ambiente basico e a temperatura ambiente, si è ottenuto un chetone alfa beta insaturo. Questo è dovuto al fatto che il doppio legame è stabilizzato non solo dalla risonanza col carbonile, ma anche da quella con l’anello benzenico. In questo caso è molto difficile impedire la disidratazione dell’aldolo. Si può avere addizione aldolica incrociata anche tra un chetone ed un’aldeide qualsiasi, a patto di far reagire l’aldeide con un grande eccesso dell’enolato del chetone. Questo si realizza trattando il chetone con una base molto forte come LDA (litio diisopropil ammide, pK a 36) che lo trasforma completamente nel suo enolato e poi aggiungendo goccia a goccia l’aldeide. Questa, così, può reagire solo con l’eccesso di enolato del chetone. O O H O OHO acetone LDA THF goccia a goccia _: enolato 4-idrossiesan-2-one Prof. Mauro Tonellato – ITI Marconi – Padova Aldeidi e chetoni 22 Alchilazione in alfa dei chetoni via LDA La litio diisopropil ammide, LDA, è una base molto forte (pK a 36) ma è ingombrata a causa dei due sostituenti isopropilici che le impediscono di agire da nucleofilo, per questo nelle reazioni si comporta solo da base molto forte, senza attaccare il carbonile. Si prepara per trattamento della diisopropil ammina con butillitio o con litio metallico: N H Li N+ THF .. .. Li+ + LDAbutillitio butanodiisopropil ammina _ Il trattamento di un chetone (pKa 20) con una base molto forte (pKa 36) ma ingombrata, come LDA, lo trasforma al 100% nel suo enolato. Questo è nucleofilo e può reagire con una varietà di molecole. Nella pagina precedente abbiamo visto che può reagire con un’aldeide, qui vediamo che può reagire anche con gli alogenuri alchilici (metilici o primari) e con i cloruri acilici. Se l’enolato di un chetone viene fatto reagire con un cloruro alchilico si ottiene un chetone alchilato in posizione alfa, cioè con una nuova catena di atomi di carbonio legata al carbonio in alfa. Se il chetone è asimmetrico, la carica negativa si forma dalla parte meno sostituita se la reazione viene condotta a bassa temperatura, -70 °C, cioè sotto controllo cinetico. O O Cl O acetone LDA THF _ enolato esan-2-one .. Se l’enolato di un chetone viene fatto reagire con un cloruro acilico si ottiene un β-dichetone: O O Cl O OO acetone LDA THF _: enolato esan-2,4-dione Le aldeidi non possono essere alchilate in posizione alfa per trattamento con LDA perchè, essendo molto elettrofile, il loro enolato può condensare con l’aldeide stessa. Vedremo più avanti, nel capitolo sui composti azotati, che questo problema può essere aggirato trasformando prima le aldeidi in immine dato che queste sono meno elettrofile e non condensano rapidamente con il loro enolato. H O H N R H N R Cl H N R H O H+ H2ORNH2 LDA THF .._ propanale immina aza-enolato immina alchilata 2-metilpentanale