5 Aldeidi e chetoni

L’addizione di nucleofili al carbonio è molto importante perché in questo processo si forma un nuovo legame

carbonio-carbonio. Ognuna di queste reazioni segue il meccanismo di *) formazione di un legame tra il nucleofilo

e il carbonio elettrofilo del carbonile per formare il composto tetraedrico di addizione al carbonio e **) addizione

di un protone sull’anione alcossido appena sviluppatosi per formare un gruppo –OH nel prodotto.

Il meccanismo di reazione è sempre quello visto a pagina 2, con questo veloce memorandum.

-L’addizione di un nucleofilo al carbonio alla formaldeide porta alla formazione di un alcol primario.

- L’addizione ad un’aldeide (che non sia la formaldeide) porta alla formazione di un alcol secondario.

- L’addizione ad un chetone porta alla formazione di un alcol terziario. -

Questo perché, la parte anionica di un reattivo, ad esempio, di Grignard (R ) va a legarsi al carbonio elettrofilo,

mentre la parte alogeno-metallica salifica sull’ossigeno carbonilico, staccandosi poi al momento di una reazione

con acido, durante la quale viene protonato l’ossigeno. Nel caso dello ione cianuro, esso si attacca per intero al

gruppo carbonilico, formando, dopo protonazione dell’ossigeno con una molecola di acido cianidrico, una

cianoidrina.

LA REAZIONE DI WITTIG La reazione di Wittig è la reazione che si ha tra aldeidi/chetoni e composti chiamati

+

iliri di fosforo (che hanno formula (Ph3P -R) e dà alcheni come prodotto di sintesi. In

questa reazione, un doppio legame C=O è convertito in un doppio legame C=C (per

questo si ha la formazione di un alchene). Si forma anche ossido di trifenilfosfina,

Ph3P=O, che favorisce la reazione perché il legame P=O è estremamente stabile. La

reazione di Wittig è importante dal punto di vista sintetico perché avviene in condizioni

moderate e perché la posizione del legame doppio C=C è determinata in maniera non

ambigua. Come si può vedere, gli iluri di fosforo sono estremamente ingombrati, quindi

hanno un handicap; la reazione avrà infatti resa maggiore con le aldeidi, che sono certamente

meno ingombrate dei chetoni. Si può preparare un iluro di fosfonio per reazione di trifenilfosfina con un alogenuro

alchilico.

Meccanismo/Stadio 1: La reazione di un iluro di fosfonio nucleofilo con il carbonio elettrofilo di un’

aldeide/chetone porta alla formazione di un intermedio dipolare chiamato betaina

Stadio 2: La betaina “collassa su se stessa” per formare un ossafosfetano (un anello a 4 termini); semplicemente,

si forma un nuovo legame interno alla molecola stessa, perché fosforo e ossigeno portano due cariche di segno

opposto.

Stadio 3: l’ossafosfetano si decompone, con la rottura contemporanea del legame tra O-CR2 e del legame tra

Ph3P-CH2, per dare ossido di trifenilfosfina e un alchene. Il doppio legame dell’alchene finale si forma tra il

carbonio del carbonile e il carbonio dell’iluro di fosfonio.

ADDIZIONE DI NUCLEOFILI OSSIGENATI

Addizione di acqua: formazione di carbonili idrati. L’addizione nucleofila di acqua porta al gruppo carbonilico

porta alla formazione di un diolo geminale (forma idratata del carbonile) comunemente abbreviata come gem-

diolo.

Questi composti sono però instabili e vengono raramente isolati. Queste reazioni sono acido/base catalizzati e il

meccanismo è identico a quello che si ha per l’addizione di alcoli, che vedremo in seguito. L’idratazione di un

ald/chet è facilmente reversibile, e il diolo elimina acqua senza problemi per riformare il carbonile. Per poche

aldeidi semplici, è invece favorito l’idrato, ad esempio nel caso della formaldeide la reazione è spostata verso i

prodotti, in maniera tale che all’equilibrio si abbia più del 99% della forma idrata e solo l’1% di formaldeide. La

formalina (formaldeide al 37% in acqua) è utilizzata per la conservazione dei campioni biologici. Al contrario, una

soluzione acquosa di acetone contiene meno dello 0.01% di forma idrata (2,2propandiolo) all’equilibrio.

Addizione di alcoli: formazione di emiacetali e acetali. Gli alcoli si addizionano ad aldeidi e chetoni allo stesso

modo descritto per l’acqua. L’addizione di una molecola di alcol al gruppo carbonilico dà luogo alla formazione di

un emiacetale (cioè mezzo acetale).

Il gruppo funzionale di un emiacetale è un carbonio legato ad un gruppo ossidrile e ad un gruppo –OR. Essi sono

molto instabili e rappresentano solo una piccola parte delle specie presenti all’equilibrio. Osserviamo il

meccanismo di reazione così come lo ha descritto il professore.

Stadio 1: una molecola del carbonile subisce, sul carbonio elettrofilo, l’attacco del nucleofilo alcol, formando un

intermedio di reazione che porta una carica positiva e una carica negativa.

Stadio 2: l’intermedio appena formatosi, possiede un centro acido (+) e un centro basico (-), quindi è facile

immaginare una deprotonazione e riprotonazione mediata dal solvente. Più avanti, se in altre reazioni avverrà

questo processo, ometteremo la mediazione del solvente, come se il processo fosse intramolecolare.

Gli emiacetali sono spesso meno stabili rispetto ai composti di partenza, ma essi reagiscono ulteriormente con

alcoli per formare un acetale e acqua. Gli acetali sono molto più stabili e possono essere isolati con buone rese.

La formazione degli acetali non è base catalizzata perché il gruppo OH non viene ben spostato da un nucleofilo.

Il gruppo funzionale di un acetale è un carbonio legato a due gruppi OR (una specie di “doppio etere”). Studiando

il meccanismo di questa reazione, si osserva come l’acido sia un vero e proprio catalizzatore, perché viene

consumato un protone allo stadio 1 e generato un altro protone allo stadio 4.

Meccanismo. Stadio 1. Avviene un trasferimento dall’alcol protonato (o comunque dall’acido) all’OH dell’acetale

e si forma uno ione ossonio.

Stadio 2. Si ha l’uscita di una molecola d’acqua e si forma un carbocatione stabilizzato per risonanza.

Stadio 3: Il catione stabilizzato per risonanza, elettrofilo, reagisce con l’alcol, nucleofilo, e porta alla formazione

dell’acido coniugato dell’acetale, cioè l’acetale protonato. Stadio 4. L’acetale protonato elimina un protone al

solvente e si ha la formazione del prodotto finale.

Tutti i passaggi descritti sono all’equilibrio e reversibili, quindi si può procedere anche all’indietro. Per far

procedere la reazione iniziale verso la formazione degli acetali, bisogna allontanare uno dei prodotti man mano

che procede la reazione o, secondo il principio di azione di massa, aggiungere alcol in eccesso.

ADDIZIONE NUCLEOFILI AZOTATI. –Ammoniaca e suoi derivati. L’azoto è un nucleofilo, e tutti i nucleofili

all’azoto possono essere scritti in forma G-NH2 , e sono

La reazione di addizione è favorita in ambiente acido, nel quale si forma la specie cationica

Bisogna però evitare un ambiente eccessivamente acido, in quanto verrebbe protonato anche l’azoto, il quale

perderebbe così le sue caratteristiche nucleofile, sfavorendo la reazione.

Solitamente quindi, si lavora con un tampone a pH 4-5, che ha un’acidità ottimale. Questi composti si conservano

sotto forma di Sali, e prima di utilizzarli, vengono disciolti.

La reazione di addizione generale è: Stadio 1: attacco del nucleofilo azotato sul carbonio + formatosi durante la

protonazione del carbonile. Dopodiché, si ha una deprotonazione e riprotonazione per trasferire un idrogeno da

H2NG a OH, formando acqua, un buon gruppo uscente.

Il carbocatione è stabilizzato per effetto mesomerico, infatti è un ibrido di risonanza tra le forme limite:

E quindi, generalmente

Il composto formato >C = N – R è detto immina o base di Schiff. I prodotti di reazione sono simili ma

leggermente differenti a seconda del tipo di nucleofilo azotato che reagisce con il carbonio.

TAUTOMERIA CHETO-ENOLICA. ACIDITA’ IDROGENI IN ALPHA.

Come sappiamo, un carbonio adiacente ad un gruppo carbonilico è detto carbonio

alpha e i gli H ad esso legati sono detti Idrogeni alpha.

Poiché idrogeno e carbonio hanno elettronegatività paragonabili, il legame CH ha di

norma bassa polarità. E inoltre, se comparato ad un atomo come l’ossigeno, il carbonio ha bassa

elettronegatività e un carbanione risulta essere abbastanza instabile. Proprio per l’instabilità dell’eventuale base

coniugata (che sarebbe appunto il carbanione) gli idrogeni hanno solitamente bassa acidità. Non è lo stesso il

discorso per gli idrogeni alpha dei carbonili. Essi sono più acidi di quelli dei normali idrocarburi, ma meno acidi

degli idrogeni idrossilici. La maggiore stabilità dell’anione enolato deriva dal fatto che la struttura è appunto

stabilizzata per risonanza.

L’anione enolato è stabilizzato anche dall’ effetto induttivo, perché l’ossigeno, elettron-attrattore, tira gli

elettroni verso di sé. L’equilibrio della tautomeria chetoenolica è il seguente:

OSSIDAZIONE DEI CARBONILI

Le aldeidi contengono il gruppo funzionale più

facilmente ossidabile tra i composti organici.

Aggiungendo ossigeno, è infatti semplice

trasformare il gruppo –CHO nel gruppo –COOH

caratteristico degli acidi carbossilici. I chetoni

invece si ossidano solo in condizioni drastiche.

I reattivi più comunemente utilizzati per

ossidare la aldeidi sono il Reattivo di Tollens e il

Reattivo di Fehlinc. Essi sono blandi ossidanti,

ma bastano e avanzano per questo compito.

La reazione con il reattivo di Tollens è: - -

Il reattivo di Tollens è nitrato di argento ammoniacale (quindi al posto di OH ci sarebbe NO3 ) in soluzione basica.

È un complesso di un metallo e, come abbiamo visto in laboratorio in chimica inorganica, l’ammoniaca riesce a

+

mantenere in soluzione lo ione Ag da precipitati di alogenuri d’argento AgX. Si ha così la riduzione dell’argento

da ione alla sua forma metallica, e l’ossidazione dell’aldeide ad acido carbossilico.

La reazione con il reattivo di Fehling è invece la seguente:

Il rame (II) si riduce a rame (I) e precipita sotto forma di ossido rameoso.

OSSIDAZIONE DEI CHETONI

L’ossidazione dei chetoni è più complicata perché è necessario rompere un legame carbonio carbonio. Se i gruppi

R ed R’ legati al carbonio carbonilico sono differenti, si ottiene una miscela di prodotti contenente diversi acidi

carbossilici, per questo la reazione non ha grande interesse sintetico/industriale. Eccezion fatta per il

cicloesanone che, essendo un chetone simmetrico, si “apre” dando come prodotto acido adipico.