Aldeidi e Chetoni

Aldeidi e chetoni

Introduzione

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.

OO CH₃CH₂CH₂CH₂CHO Pentanale (aldeide) CH₃CH₂CH₂COCH₃ 2-Pentanone (chetone)

Il carbonile ha una struttura planare perché ha al centro un carbonio con ibridazione sp². C=O Nel carbonile il carbonio è parzialmente positivo sia per effetto induttivo, a causa dell’elettronegatività dell’ossigeno, sia per risonanza come è illustrato nella seguente figura.

− O=O +C=C Misure del momento dipolare della formaldeide hanno permesso di concludere che sul carbonio del carbonile è presente circa mezza carica positiva quindi le due forme limite hanno circa la stessa importanza. Disegneremo il carbonile utilizzando la prima delle due strutture dove non c’è separazione di carica e tutti gli atomi hanno l’ottetto.

I punti più reattivi nelle molecole di aldeidi e chetoni sono tre:

• L’ossigeno del carbonile che può protonarsi in caso di catalisi acida.
• Il carbonio del carbonile che può essere attaccato dai nucleofili.
• L’idrogeno in posizione alfa che risulta parzialmente acido (pKa 20) e viene strappato nelle reazioni che, attraverso la tautomeria cheto-enolica, hanno l’enolo come intermedio.

+H₁: :O₂ ..C=NuCHH₃ ..B

Indice delle reazioni

• Addizione di acqua
• Addizione di alcoli
• Addizione di acido cianidrico
• Addizione di ammoniaca e derivati
• Addizione di reattivi organometallici
• Addizione di ilidi del fosforo
• Riduzione ad alcoli
• Riduzione ad idrocarburi
• Ossidazione
• Alfa alogenazione
• Addizione e condensazione aldolica
• Reazione con LDA

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Addizione di acqua

La reazione tipica di aldeidi e chetoni è l’addizione nucleofila al carbonile. Questa può essere meglio compresa esaminando con attenzione il caso più elementare, l’addizione di acqua. L’addizione nucleofila al carbonile è influenzata sia da fattori elettronici che sterici. I fattori elettronici (donazioni di elettroni) influenzano la stabilità del doppio legame carbonio-ossigeno e la quantità di carica positiva presente sul carbonio del carbonile.

I fattori sterici (ingombro sterico) condizionano soprattutto la stabilità del prodotto finale nel quale i sostituenti sono più vicini tra loro visto che il carbonio del carbonile da sp² (120°) diventa sp³ (109°). Per comprendere come agiscono questi fattori consideriamo le seguenti tre molecole:

+−.. O OH HO OHO₂:H O₂ C=C H₂ formaldeide formaldeide 99,9% idratata

+−.. O OH OHHOO₂:H O₂C=CH CH₃ acetaldeide acetaldeide 50% idratata

+−.. O OH OHHOO₂:H O₂ C=CH₃ C=CH₃ acetone acetone 0,1% idratato

Fattori elettronici e sterici

I gruppi metilici CH₃ sono leggermente elettron donatori rispetto ai semplici atomi di idrogeno e stabilizzano il doppio legame C=O in modo simile a quanto già visto per gli alcheni. Quindi il carbonile è più stabile se è più sostituito. L’ordine di stabilità è allora: formaldeide < acetaldeide < acetone.

Come si può vedere nel grafico qui sotto, i fattori che stabilizzano i reagenti rendono meno favorevole il ΔG° (come è indicato dalla freccia a sinistra) e quindi abbassano la K di equilibrio. Questo è in accordo con il fatto che la molecola più stabile, acetone, è quella che si idrata meno (0,1%).

E formaldeide acetone idratato acetaldeide acetaldeide idratata acetone formaldeide idratata

Consideriamo ora i fattori sterici. Nelle molecole idratate i sostituenti sono più vicini tra loro rispetto alla molecola di partenza, infatti, durante la reazione, l’angolo di legame passa da 120° (sp²) a 109° (sp³). La presenza di gruppi metilici CH₃, più ingombranti degli atomi di idrogeno, destabilizza le molecole idratate che quindi sono meno stabili se sono più sostituite.

L’ordine di stabilità è allora: acetone idratato < acetaldeide idratata < formaldeide idratata

Nel grafico precedente, l’ingombro sterico destabilizza i prodotti idratati e rende meno favorevole il ΔG° (come è indicato dalla freccia a destra) e quindi abbassa la K di equilibrio. Questo è in accordo con il fatto che la molecola meno stabile, l’acetone idratato, si forma meno (0,1%).

Concludendo, la reazione di idratazione della formaldeide è la più favorevole e procede con ΔG° < 0. La stessa reazione per l’acetaldeide ha circa ΔG° = 0 infatti l’acetaldeide è idratata circa al 50% in acqua. Per l’acetone, invece, la reazione è svantaggiosa e ha ΔG° > 0, infatti l’acetone è idratato allo 0,1% in acqua.

Con ragionamenti simili si può capire perché le aldeidi aromatiche, come la benzaldeide, sono meno reattive delle aldeidi alifatiche. L’anello aromatico stabilizza il carbonile donando elettroni per risonanza.

−HO HO=C=C benzaldeide + La benzaldeide, come l’acetone, è idratata solo allo 0,1% in acqua.

La reazione di idratazione avviene molto più velocemente se viene condotta in ambiente leggermente acido o basico cioè con catalisi acida o basica, cerchiamo di capirne il motivo studiando il meccanismo di reazione.

Meccanismo di reazione

Esaminiamo per prima la catalisi acida.

+ OH+ HO..: OHH O:O O₂:H OH₂ C=C C=CH₃ acetaldeide acetaldeide 50% idratata

Nel primo passaggio, il carbonile si protona sull’ossigeno e questo lo rende molto più reattivo verso l’acqua, un nucleofilo debole. La molecola, durante la reazione, è neutra o positiva, non compaiono mai cariche negative.

Nella catalisi basica, invece, mostrata qui sotto, il carbonile non viene modificato, la reazione accelera perché in ambiente basico il nucleofilo diventa più reattivo infatti al posto dell’acqua reagisce OH^-.

..−: :O OHH OOH..O : −OH H OH +C C OHCHH C H C HH C H₃ acetaldeide acetaldeide 50% idratata

La molecola, durante la reazione, è neutra o negativa, non compaiono mai cariche positive. Notate che in tutti e due i casi si ottiene la stessa percentuale di acetaldeide idratata, 50%, cioè non viene modificata la K di equilibrio. La catalisi, infatti, influenza solo la velocità di reazione perché offre un diverso meccanismo alla reazione con una diversa energia di attivazione, ma l’equilibrio non viene modificato.

Addizione di alcoli, sintesi di acetali

Le aldeidi e i chetoni reagiscono con due molecole di alcol in catalisi acida per dare gli acetali. Il semiacetale che si forma inizialmente per addizione di una molecola di alcol è instabile e in genere non è isolabile, ma reagisce con una seconda molecola di alcol e si trasforma velocemente in acetale, un dietere geminale.

OH CH₃CH₂OH + OH CH₃CH₂OH O₂ CH₃CH₂CH CH₃CH₂CH CH₃CH₂CH CH₃H₂O

+ + CH C CH CH CH C O CH CH CH C O CH CH H O + 2 3 3 2 3 3 3 3 3 2 3 Etanolo Acetaldeide 1-Etossietanolo 1,1-Dietossietano (semiacetale) (acetale)

In questa reazione le aldeidi reagiscono più facilmente dei chetoni come avviene nell’addizione di acqua. Il meccanismo della formazione del semiacetale è identico a quello di idratazione delle aldeidi con catalisi acida.

..: OH.. ++ OHOH:O O H CH CHH +2 3 CH C O CH CHCH C O CH CHCH CCH C 3 2 33 2 33 3H H H H H

La reazione però 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 perché questa disidratazione sia così facile, mentre quella dei normali alcoli, che si disidratano per formare alcheni, richiede 140 °C e H₂SO₄ concentrato. La differenza è dovuta al fatto che nei semiacetali è presente un secondo ossigeno che aiuta l’espulsione di acqua formando un carbocatione stabilizzato per risonanza, come è illustrato qui sotto:

..+ : OH.. +: OHOH 2H + CH CH.. 2 3CH CCH C O CH CH O CH CHO CH CHCH C .. 33 2 3 2 32 33 H HH + ..CH C O CH CH..3 2 3H+H CH CHCH CH OO 2 32 3 Carbocatione stabilizzato per risonanza CH C O CH CHCH C O CH CH 3 2 33 2 3 HH

La reazione, in ambiente acido, è reversibile e quindi l’aldeide viene 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 difficoltà. La reazione però può essere condotta con successo allontanando l’acqua per distillazione azeotropica con benzene (7% acqua, 74% benzene, 19% etanolo). La reazione può anche essere favorita riducendo lo svantaggio entropico dovuto alla diminuzione del disordine molecolare (tre molecole ne producono due). Questo accade negli zuccheri quando l’alcol e l’aldeide (o il chetone) appartengono alla stessa molecola e si ottiene un semiacetale ciclico. Questo accade anche utilizzando un diolo al posto delle due molecole di alcol. Usando 1,2-etandiolo o 1,3-propandiolo si ottiene un acetale ciclico come quello illustrato qui sotto.

O + OOOHOH HC + + H OCH CH CHCH CH CHCHCH 23 2 33 2 3 2 22-Butanone 1,2-Etandiolo 2-Etil-2-Metil-1,3-Dioxolano 80%

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 una aldeide per eseguire reazioni in ambiente basico, nel quale le aldeidi sono instabili (perché possono reagire con i nucleofili o dare condensazione aldolica).

Consideriamo, per esempio, la seguente reazione.

OO CH C CH C C CHCH C CHCH C 3 2 323 4-Esin-2-One 4-Pentin-2-One

Per allungare la catena è necessario trattare l’alchino con sodioamide per ottenere l’acetiluro che poi, per reazione con ioduro di metile, permette di allungare la catena. Questi passaggi in ambiente basico non sono possibili se è presente il chetone, in particolare l’anione acetiluro darebbe condensazione con il chetone formando un alcol superiore. Se però si protegge il chetone trasformandolo in acetale, allora la reazione diventa realizzabile.

OH OH −O OO OONH CH ICH CH 2 32 2CH C CHCH C C C+23 −H :CH CH C CH CH CH C C3 2 3 2OOO H O2 CH C CH C C CHC + 3 2 3HCH CH C C CH3 2 3

Un altro esempio è la seguente reazione di riduzione:

O O OHO CH C CH CH CHCH C CH CH C 3 2 2 23 2 2 OH Acido 4-Oxopentanoico 5-Idrossipentan-2-One

Con LiAlH₄, i chetoni si riducono più facilmente degli acidi carbossilici, quindi per ridurre ad alcol solo il carbossile è indispensabile proteggere il gruppo chetonico trasformandolo in acetale.

OH OHO O O O OO CH CH LiAlH −42 2 OCCH C CH CH C CO+3 2 2 HOH CH CH CH C CH CH CH CH3 2 2 3 2 2 2OHO OHOO H O− 2O CH C CH CH CHC + 3 2 2 2HCH CH CH CH3 2 2 2

Gli acetali non possono essere preparati in ambiente basico. La reazione procede fino alla formazione del semiacetale, ma a questo punto l’ossigeno etereo non può trasformarsi in un nucleofilo migliore (non ha un H⁺ da perdere) e quindi non è in grado di spingere OH^- fuori dalla molecola. L’alcossido può strappare un H⁺ solo dal gruppo OH e questo spinge la reazione indietro.

−.. −: : ..O : : −O H OO CH CH O CH CH ..O 2 3 2 3EtH OCH CH : :O2 3 C CCH C CH3 3 CH CHH C H CCH CH 2 33 33 3 L'alcossido può strappare + semiacetale un H⁺ solo dal gruppo OH

Prof. Mauro Tonellato – ITIS Marconi – Padova Aldeidi e chetoni

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