aldeidi e chetoni

ALDEIDI E CHETONI
Introduzione
O
Il gruppo funzionale di aldeidi e chetoni è il carbonile:
C
Nelle aldeidi il carbonile si trova in posizione terminale, nei chetoni si trova all’interno della catena.
O
O
CH3 CH2 CH2 C CH3
CH3 CH2 CH2 CH2 C
H
pentanale
aldeide
2-pentanone
chetone
Il carbonile ha una struttura planare perchè ha al centro un carbonio con ibridazione sp 2.
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:
1) l’ossigeno del carbonile che può protonarsi in caso di catalisi acida
2) il carbonio del carbonile che può essere attaccato dai nucleofili.
3) 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.
+
H
1
:O:
2
..
C
Nu
CH
H
3
..
B
Indice delle reazioni:
1) Addizione di acqua
2) Addizione di alcoli
3) Addizione di acido cianidrico
4) Addizione di ammoniaca e derivati
5) Addizione di reattivi organometallici
6) Addizione di ilidi del fosforo
7) Riduzione ad alcoli
8) Riduzione ad idrocarburi
9) Ossidazione
10) Alfa alogenazione
11) Addizione e condensazione aldolica
12) Reazione con LDA
www.pianetachimica.it
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
H2O:
−
H
H
H
H2O:
+
OH2
−
O
C
H
H3C
C
H
H3C
H
acetaldeide
idratata
..
O
99,9 %
OH
HO
C
H
acetaldeide
H2O:
+
OH2
−
O
CH3
H3 C
50 %
OH
HO
C
C
H3C
H
formaldeide
idratata
..
O
OH
C
formaldeide
H3C
HO
C
C
H
+
OH2
O
C
CH3
acetone
H3 C
CH3
acetone
idratato
0,1 %
Consideriamo dapprima i fattori elettronici. Confrontiamo l’effetto dei sostituenti sul carbonile. 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 a sinistra, i fattori che stabilizzano i reagenti rendono meno
favorevole il ∆G° (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
acetaldeide
acetone
l'effetto elettron donatore
stabilizza il carbonile
acetone idratato
acetaldeide idratata
formaldeide idratata
c.r.
l'ingombro sterico
destabilizza il composto idratato
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
Prof. Mauro Tonellato – ITIS Marconi – Padova
Aldeidi e chetoni
2
www.pianetachimica.it
Nel grafico precedente, sulla destra, si vede che l’ingombro sterico destabilizza i prodotti idratati e rende
meno favorevole il ∆G° (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 ∆G° < 0.
La stessa reazione per l’acetaldeide ha circa ∆G° = 0 infatti l’acetaldeide è idratata circa al 50% in acqua.
Per l’acetone, invece, la reazione è svantaggiosa e ha ∆G° > 0, infatti l’acetone è idratato allo 0,1 % in acqua.
Con ragionamenti simili si può capire perchè le aldeidi aromatiche, come la benzaldeide, sono meno
reattive delle aldeidi alifatiche. L’anello aromatico stabilizza il carbonile donando elettroni per risonanza.
−O
H
O
H
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.
Esaminiamo per prima la catalisi acida.
:O :
H
+ H
O
+
H2O:
H
H3 C
+
OH2
HO
H
H3 C
OH
HO
C
C
C
C
H3C
..
H3 C
H
H
acetaldeide
idratata
acetaldeide
50 %
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
perchè in ambiente basico il nucleofilo diventa più reattivo infatti al posto dell’acqua reagisce OH−.
− ..
.. −
O
:O: OH
:OH
C
H3C
H3C
acetaldeide
+
C
H
−
OH
C
H
OH
HO
H
H3C
OH
H
acetaldeide
idratata
50 %
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 perchè offre un
diverso meccanismo alla reazione con una diversa energia di attivazione, ma l’equilibrio non viene
modificato.
Prof. Mauro Tonellato – ITIS Marconi – Padova
Aldeidi e chetoni
3
www.pianetachimica.it
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
OH
O
H
+
OH
+ CH3 CH2
CH3 C
CH3 C
H
acetaldeide
O
CH2 CH3
H
H
etanolo
CH2 CH3
O
CH3 CH2
CH3 C
+
O
CH2 CH3
+ H2 O
H
1-etossietanolo
(semiacetale)
1,1-dietossietano
(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.
..
..
O:
H
+
O H
+
:OH
CH2 CH3
CH3 C
CH3 C
H
OH
CH3 C
H
H
OH
+
O CH2 CH3
CH3 C O CH2 CH3
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 perchè 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
H
+
CH3 C
CH3 C O CH2 CH3
..
+
OH2
: OH
..
CH3 C
O
.. CH2 CH3
H
H
+
O
CH3 C
CH2 CH3
CH2 CH3
H
+
CH3 C
H
+
O
..
O
..
CH2 CH3
H
CH2 CH3
O
O
CH3 C
CH2 CH3
CH2 CH3
O
CH2 CH3
carbocatione stabilizzato
per risonanza
H
H
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
OH OH
C
CH3 CH2
CH3
2-butanone
+
CH2 CH2
1,2-etandiolo
Prof. Mauro Tonellato – ITIS Marconi – Padova
+
H
O
O
CH3 CH2 CH3
+
H2O
2-etil-2-metil-1,3-dioxolano
80 %
Aldeidi e chetoni
4
www.pianetachimica.it
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 (perchè possono reagire con i nucleofili o dare
condensazione aldolica).
Consideriamo, per esempio, la seguente reazione.
O
O
CH2 C
CH3 C
CH3 C
CH
CH2 C
C
CH3
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
CH2 CH2
CH2 C
CH3 C
CH
H
O
O
CH3
CH2 C
C CH3
CH3 I
C
CH3
CH2 C
CH
CH3
CH2 C
C:
−
O
H2O
H
O
O
C
+
C
−
NH2
O
O
CH3 C
+
CH2 C
C CH3
Un altro esempio è la seguente reazione di riduzione:
O
O
O
OH
CH3 C CH2 CH2 CH2
CH3 C CH2 CH2 C
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 OH
O
O
CH2 CH2
CH3 C CH2 CH2 C
H
OH
O
O
LiAlH4
C
+
CH3
O
O
O
C
O
CH2 CH2 C
CH3
−
CH2 CH2 CH2
OH
O
O
O
C
CH3
O
H2O
−
H
CH2 CH2 CH2
OH
CH3 C CH2 CH2 CH2
+
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
CH3 C CH3
−..
CH2 CH3
:O: O CH2 CH3
H3 C
HO
H
O CH2 CH3
O Et
C
.. −
:O:
C
CH3
H3C
CH3
semiacetale
Prof. Mauro Tonellato – ITIS Marconi – Padova
CH2 CH3
l'alcossido può strappare
un H+ solo dal gruppo OH
Aldeidi e chetoni
5
www.pianetachimica.it
Addizione di acido cianidrico
Aldeidi e chetoni possono reagire con acido cianidrico per formare cianidrine.
O
OH
pH 10
+
CH3 C
HCN
CH3 CH
H
acetaldeide
C
N
2-idrossipropanonitrile
(cianidrina)
La reazione viene condotta con catalisi moderatamente basica, a pH 10. Il pH deve essere abbastanza alto
da generare una quantità sufficiente di ione CN−, la specie che fa l’attacco nucleofilo al carbonile, (HCN ha
pKa 10) ma non deve diventare troppo basico per consentire all’alcossido, che si forma durante la reazione,
di protonarsi. La reazione si conduce quindi con NaCN a pH 10, al quale si ha 50% di CN− e 50 % di HCN, e
si mantiene a pH 10 aggiungendo H2SO4 goccia a goccia.
O
−
:C
CH3 C
− ..
:O:
H
CH3 CH C
N
N
pH 10
H2SO4
H
OH
CN
CH3 CH
C
N
goccia goccia
La reazione di sintesi delle cianidrine è facilmente reversibile.
Trattando la cianidrina con metossido di sodio CH3ONa, in ambiente quindi decisamente basico, si può
spingere a sinistra la reazione mostrata sopra.
CH3 CH
.. −
:O:
.. −
H
O
CH3 O
..:
C
N
CH3 CH
O
C
+
CH3 C
N
−
:C
N
H
Dato che la reazione delle cianidrine è così facilmente reversibile, può essere usata sia per allungare sia per
accorciare la catena di atomi di carbonio di uno zucchero.
Viene anche utilizzata per la sintesi degli α idrossiacidi, qui vediamo la sintesi di acido lattico a partire da
acetaldeide.
O
CH3 C
OH
pH 10
+
HCN
CH3 CH
H2O
C
N
H
H
acetaldeide
+
2-idrossipropanonitrile
(cianidrina)
OH
CH3 CH
COOH
acido lattico
Una variante di questa reazione che parte da un cloruro acilico produce invece un α ossiacido, qui
vediamo la sintesi di acido piruvico.
O
CH3 C
O
pH 10
+
Cl
cloruro di acetile
HCN
CH3 C
H2 O
C
N
H
2-oxopropanonitrile
Prof. Mauro Tonellato – ITIS Marconi – Padova
+
O
CH3 C
COOH
acido piruvico
Aldeidi e chetoni
6
www.pianetachimica.it
Addizione di ammoniaca e derivati
L’ammoniaca e i suoi derivati (ammine primarie e secondarie, idrossilammina, fenilidrazina, ecc.) sono
molecole nucleofile e quindi reagiscono regolarmente con aldeidi e chetoni con una reazione di sostituzione
nucleofila nella quale l’azoto si lega con doppio legame al carbonio e viene espulsa acqua. Si formano gli
analoghi azotati di aldeidi e chetoni.
Aldeidi e chetoni, reagendo con ammoniaca e ammine primarie, formano immine. Il pH della reazione
deve essere intorno a 5, cioè abbastanza acido da permettere di ottenere una sufficiente quantità di aldeide o
chetone con il carbonile protonato, ma non troppo acido perché l’ammina verrebbe trasformata in ione
ammonio che non è più nucleofilo.
O
NH
pH 5
+
CH3 C
CH3 C
NH3
NH2
H
acetaldeide
N CH2 CH3
pH 5
CH3 C
CH2 CH3
+
CH3 C
H2O
H
etanimmina
H
acetaldeide
O
+
+
H2O
H
N-etilideneetanammina
etanammina
Le immine ottenute dall’ammoniaca sono reattive e possono polimerizzare per attacco dell’azoto (che resta
parzialmente nucleofilo) sul carbonile. Queste immine, quindi, vengono fatte reagire immediatamente nello
stesso ambiente di reazione. Con NaBH4, per esempio, le immine si riducono ad ammine, oppure per
reazione con lo ione cianuro le immine formano le corrispondenti cianammine che possono essere idrolizzate
ad amminoacidi.
O
NH
+ NH3
CH3 C
CN
−
NH2
CH3 CH CN
CH3 C
H
H
H
acetaldeide
etanimmina
NH2
H2 O
CH3 CH COOH
+
2-amminopropanonitrile
(cianammina)
alanina
(amminoacido)
La sintesi delle immine avviene in due tempi. Prima si ha l’addizione nucleofila dell’ammina all’aldeide (o al
chetone) con formazione di una molecola simile ai semiacetali chiamata carbinolammina, poi questa perde
una molecola d’acqua per formare l’immina finale.
..
O:
H
+
O H
+
CH3 C
: NH2
CH2 CH3
CH3 C
H
+
CH3 C NH CH2 CH3
H
OH
OH
CH3 C NH CH2 CH3
H
H H
carbinolammina
..
:OH
CH3 C NH CH2 CH3
H
H
+
+
OH2
CH3 C
NH
.. CH2 CH3
H
carbinolammina
Prof. Mauro Tonellato – ITIS Marconi – Padova
+
NH CH2 CH3
CH3 C
N CH2 CH3
CH3 C
H
H
N-etilideneetanammina
Aldeidi e chetoni
7
www.pianetachimica.it
Aldeidi e chetoni reagendo con ammine secondarie formano le enammine.
N
O
+
CH3 C
CH3
CH3
H
N CH2 CH3
pH 5
CH2 C
CH2 CH3
+
H2O
H
H
N-metiletanammina
acetaldeide
N-etil-N-metiletenammina
L’azoto dell’ammina secondaria non ha due idrogeni da perdere per formare i due nuovi legami con il carbonio, quindi non si può formare un’immina neutra. Quando la carbinolammina, che si forma inizialmente,
perde una molecola d’acqua, si forma uno ione immonio, questo perde la carica positiva attraverso una
tautomeria che produce l’enammina.
CH3
..
O:
H
+
O H
+
CH3 C
CH2 CH3
CH3 C
H
OH
CH3 C
H
..
:OH
CH3 C
: NH
H
CH3
N
..
+
OH2
+
CH3 C
CH2 CH3
H
H
H
N
..
+
N
H
OH
CH3
CH3 C
CH2 CH3
CH2 C
CH2 CH3
CH2 CH3
carbinolammina
CH3
N CH2 CH3
+
N CH2 CH3
tautomeria
H
H
ione immonio
carbinolammina
N
H
CH3
CH3
CH3
CH2 C
H
N-etil-N-metiletenammina
Aldeidi e chetoni reagendo con idrossilammina formano le ossime.
Mentre con fenilidrazina formano i fenilidrazoni.
Queste reazioni sono molto simili a quelle che formano le immine con le ammine primarie.
O
N OH
pH 5
+
CH3 C
CH3 C
NH2 OH
acetaldeide
idrossilammina
O
etanal ossima
N
pH 5
+
H2O
H
H
CH3 C
+
NH2 NH
NH
+
CH3 C
H2O
CH3
CH3
fenilidrazina
acetone
acetone fenilidrazone
O2 N
O2 N
O
CH3 C
CH3
acetone
N
pH 5
+
NH2 NH
NO2
2,4-dinitrofenilidrazina
NH
NO2
+
CH3 C
H2 O
CH3
acetone 2,4-dinitrofenilidrazone
I derivati 2,4-dinitrofenilidrazoni sono poco solubili e formano un precipitato cristallino che presenta un
punto di fusione caratteristico e diverso per ogni aldeide e chetone.
Per questo motivo un tempo questa sintesi veniva utilizzata per identificare un’aldeide o un chetone in base
al punto di fusione del suo derivato 2,4-dinitrofenilidrazone.
Oggi si preferisce identificare le molecole organiche per via strumentale con la spettroscopia IR, NMR o di
massa.
Prof. Mauro Tonellato – ITIS Marconi – Padova
Aldeidi e chetoni
8
www.pianetachimica.it
Addizione di reattivi organometallici
I reattivi organometallici come i reattivi di Grignard (magnesio organici), i litio organici e gli acetiluri di
sodio reagiscono con aldeidi e chetoni con una 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.
O
MgBr
O
OH
H2O
etere
C
+ CH2 CH2 CH3
H
H
1-propilmagnesio
formaldeide
bromuro
CH2 CH2 CH2 CH3
1-butanolo
MgBr
O
OH
etere
+
CH3 C
H
acetaldeide
CH2 CH2 CH3
CH3 CH CH2 CH2 CH3
1-propilmagnesio
bromuro
2-pentanolato
magnesio bromuro
O
O
MgBr
+
C
CH3 C
CH2 CH2 CH3
CH3
acetone
H2 O
2-pentanolo
OH
CH2 CH2 CH3
H2 O
CH3 C
CH2 CH2 CH3
CH3
2-metil-2-pentanolo
CH3
2-metil-2-pentanolato
magnesio bromuro
1-propilmagnesio
bromuro
CH3 CH CH2 CH2 CH3
MgBr
etere
H3C
CH2 CH2 CH2 CH3
1-butanolato
magnesio bromuro
MgBr
O
MgBr
I reattivi litio organici si comportano in modo analogo ai magnesio organici. Qui vediamo la sintesi di un
alcol β-γ insaturo.
Li
Li
O
O
etere
+ CH CH2
C
H
benzaldeide
CH CH CH2
1-fenil-2-propen-1-olato
litio
vinillitio
OH
H2 O
CH CH CH2
1-fenil-2-propen-1-olo
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.
O
O
MgBr
OH
etere
C
+
H
H
formaldeide
Na
C
C
CH2 C
CH3
1-propinilsodio
C
CH3
H2 O
CH2 C
2-butin-1-olato
magnesio bromuro
C
CH3
2-butin-1-olo
Il meccanismo di reazione consiste in un attacco concertato dell’ossigeno del carbonile sul magnesio
positivo e del carbonio del reattivo organometallico (che ha carattere carbanionico) sul carbonio del
carbonile. Si forma quindi un sale alcossido nel quale il legame ossigeno-magnesio è in buona parte ionico. Il
trattamento con acqua ci dà l’alcol per reazione acido base con l’alcossido.
MgBr
..
O:
MgBr
O
etere
C
H
+
CH2 CH2 CH3
CH2 CH2 CH2 CH3
OH
H2O
CH2 CH2 CH2 CH3
H
Prof. Mauro Tonellato – ITIS Marconi – Padova
Aldeidi e chetoni
9
www.pianetachimica.it
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
+
trifenilfosfina
+
(C6H5)3P
Br
bromometano
−
Br
CH3
metiltrifenilfosfonio
Questo, per trattamento con una base forte, come sodiometil metil solfossido (in dimetilsolfossido),
produce la ilide, un alchilidene-trifenilfosforano.
H
+
(C6H5)3P
Na
O
O
CH2 + CH2 S
metiltrifenil
fosfonio
CH3
CH3 S CH3
(C6H5)3P
sodiometil metil
solfossido
CH2
O
..−
+
(C6H5)3P
CH2
metilenetrifenilfosforano
(ilide)
+ CH3 S CH3
dimetilsolfossido
Come base, in alternativa, si può anche usare butillitio (in tetraidrofurano).
La ilide non viene isolata e viene subito fatta reagire aggiungendo l’aldeide o il chetone nel pallone
di reazione.
(C6H5)3P
+
CH2
metilenetrifenilfosforano
(ilide)
CH3SOCH3
O
cicloesanone
+
CH2
(C6H5)3P
O
ossido di
trifenilfosfina
metilenecicloesano
Il meccanismo di reazione prevede un attacco concertato dell’ossigeno del carbonile sul fosforo
positivo e del carbonio con parziale carattere carbanionico della ilide al carbonile del chetone.
L’intermedio di reazione è un anello a quattro atomi che si rompe per formare da una parte
l’alchene finale e dall’altra l’ossido di trifenilfosfina che possiede un doppio legame fosforoossigeno particolarmente stabile (130 kcal/mol).
Ph
Ph
Ph
Ph
P+
:O :
O
−
: CH2
Ph
Ph
P
Ph
CH2
Ph
Ph
CH2
P
+
O
Se il gruppo alchilico della ilide è asimmetrico, e anche il composto carbonilico è asimmetrico,
allora si possono formare miscele di alcheni cis e trans. L’alchene più stabile si forma in quantità
maggiore.
O
CH3
(C6H5)3P
+
C
CH3 C
CH2 CH3
H
etilidenetrifenilfosforano
ilide
CH3SOCH3
H3 C
CH3
C
CH3 CH2
2-butanone
+
C
H
CH3 CH2
C
H3C
90 % (E)
CH3
C
H
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.
H3 C
CH3 Spesso le sintesi Wittig possono essere progettate in due modi diversi, la scelta
del frammento da preparare come composto carbonilico oppure come ilide è
C C
legata anche alla loro disponibilità.
CH CH
H
3
2
Prof. Mauro Tonellato – ITIS Marconi – Padova
Aldeidi e chetoni
10
www.pianetachimica.it
Riduzione ad alcoli
La riduzione su grande scala di aldeidi e chetoni per ottenere alcoli viene eseguita con idrogeno e
catalizzatore, Ni, Pt, Pd o Ru. In queste condizioni, però, il doppio legame degli alcheni si riduce molto più
velocemente del carbonile, quindi per questa via non è possibile ridurre aldeidi e chetoni ad alcoli senza
ridurre anche un eventuale doppio legame carbonio-carbonio presente nella molecola.
O
OH
Pt
+
CH3 CH2 C
H2
CH3 CH2 CH2
H
1-propanolo
propanale
O
OH
Pt
+
CH3 CH CH C CH3
H2
CH3 CH2 CH2 CH CH3
2-pentanolo
pent-3-en-2-one
In laboratorio, aldeidi e chetoni vengono di solito ridotti ad alcoli utilizzando sodio boroidruro NaBH4 o
litio alluminio idruro LiAlH4. Questi idruri metallici complessi sono inerti nei confronti dei doppi legami
carbonio-carbonio e quindi permettono una riduzione più selettiva rispetto all’idrogenazione catalitica.
H
+
Na
H
B
−
H
Li
H
+
H
Al
−
H
H
H
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. Permette quindi di ridurre in modo selettivo il gruppo
carbonilico di aldeidi e chetoni in molecole che possiedono anche altri gruppi funzionali.
Tutti e quattro gli ioni idruro di NaBH4 sono reattivi. L’estere borico, che si ottiene dopo la riduzione, viene
idrolizzato per leggero riscaldamento per liberare l’alcol finale.
− OR
B
OR
RO
O
4 CH3 CH2 C
O
metanolo
+ NaBH4
CH3 CH2 CH2
−
H2O / OH
calore
H
estere borico
propanale
O
+
NaBH4
OH
4 CH3 CH CH CH CH3
−
2) H2O / OH
pent-3-en-2-one
O
pent-3-en-2-olo
O
OH
1) metanolo
+
4 CH3 C CH2 C
O
−
4 CH3 CH2 CH2 + B(OH)4
1-propanolo
1) metanolo
4 CH3 CH CH C CH3
OH
CH3
NaBH4
−
2) H2O / OH
metil 3-oxobutanoato
Prof. Mauro Tonellato – ITIS Marconi – Padova
4
O
CH3 CH CH2 C
O
CH3
metil 3-idrossibutanoato
Aldeidi e chetoni
11
www.pianetachimica.it
LiAlH4 è un riducente molto più reattivo e viene distrutto anche da tracce di acqua, per questo viene
utilizzato in etere e va trattato con le stesse precauzioni necessarie per i reattivi di Grignard.
Oltre ad aldeidi e chetoni, LiAlH4 può ridurre anche altre molecole più difficili da ridurre come gli acidi
carbossilici e i loro derivati, esteri, ammidi, nitrili, ecc. ma è inattivo verso alcheni e alchini. Anche qui dalla
riduzione si ottiene un estere che viene idrolizzato per riscaldamento con acqua in ambiente basico per
liberare l’alcol finale.
− OR
Al
OR
RO
O
O
etere
+ LiAlH4
4 CH3 CH2 C
CH3 CH2 CH2
−
H2O / OH
calore
H
OH
−
4 CH3 CH2 CH2 + Al(OH)4
estere
propanale
O
OH
1) etere
+ LiAlH4
4 CH2 CH C
H
1-propanolo
−
4 CH2 CH CH2 + Al(OH)4
−
2) H2O / OH
propanale
prop-2-en-1-olo
Meccanismo di reazione:
Gli idruri complessi riducono il carbonile per trasferimento di uno ione idruro dal boro (o dall’alluminio)
al carbonio del carbonile e il contemporaneo attacco dell’ossigeno del carbonile al boro o all’alluminio.
Questa riduzione non può essere realizzata usando un normale idruro metallico, come NaH, perché questo
libera H−, lo ione idruro, che da solo non è abbastanza nucleofilo perchè i suoi elettroni si trovano in un
orbitale 1s troppo piccolo per dare una buona sovrapposizione con l’orbitale LUMO del carbonile (che ha le
dimensioni di un orbitale 2p del carbonio). Gli idruri complessi, invece, hanno orbitali di dimensioni adatte e
la reazione avviene con un trasferimento di idruro, non con un attacco dello ione idruro libero.
Vediamo il meccanismo nella reazione dell’acetaldeide con sodio boroidruro che produce etanolo.
:O:
H
CH3 C
H
H
B
−
H
H
L’attacco iniziale del sodio boroidruro all’aldeide è un attacco concertato che può essere meglio
capito vedendolo in due tempi:
H
O
H
H
CH3 C
H
RO
−
B
O
CH3 C
H
−
H
CH3 C
O
H
B
H
H
H
CH3 C
H
H
O
H
H
H
tutti e 4 gli
ioni idruro
sono riducenti
H
H
3 CH3 C
OR
OR
H
B
.. −
:O:
−
B
.. −
:O:
.. −
:OH
calore
(4 volte)
4 CH3 C
OH
H
−
+ B(OH)4
H
OH
4 CH3 C
H
H
H
La meccanismo di reazione del LiAlH4 è del tutto identico a questo.
Prof. Mauro Tonellato – ITIS Marconi – Padova
Aldeidi e chetoni
12
www.pianetachimica.it
Riduzione ad idrocarburi
Le aldeidi e i chetoni possono essere ridotti direttamente ad idrocarburi con tre diverse reazioni: la riduzione
di Clemmensen, la riduzione di Wolff-Kishner, la desolforazione dei tioacetali.
Esistono comunque altre vie di riduzione “creative” che possono essere realizzate in più passaggi, ad
esempio si possono fare le seguenti trasformazioni:
1) chetone => alcol => bromuro alchilico => alcano
O
CH3 C CH3
OH
1) NaBH4
−
2) H2O / OH
CH3 CH CH3
acetone
Br
PBr3
2-propanolo
Zn / HCl
CH3 CH CH3
CH3 CH2 CH3
2-bromopropano
propano
MgBr
Mg
HCl
CH3 CH CH3
CH3 CH2 CH3
bromuro di
isopropilmagnesio
propano
Oppure:
2) chetone => alcol => alchene => alcano
O
CH3 C CH3
OH
1) NaBH4
2) H2O / OH
−
acetone
H2SO4
CH3 CH CH3
H2 / Pt
CH3 CH CH2
CH3 CH2 CH3
propene
propano
2-propanolo
Le tre reazioni classiche operano la riduzione in modo più veloce e conveniente.
La riduzione di Clemmensen riduce aldeidi e chetoni con zinco in amalgama di mercurio in HCl
concentrato.
O
Zn / Hg
CH3 C CH3
CH3 CH2 CH3
HCl conc
acetone
propano
Questa reazione non segue lo schema [chetone => alcol => cloruro alchilico => alcano], infatti un alcol non
si riduce in queste condizioni. Piuttosto, durante la reazione il chetone si lega sulla superficie del metallo
formando intermedi zinco organici.
Le molecole sensibili agli acidi non possono essere ridotte con la reazione di Clemmensen dato che è
condotta in HCl concentrato.
I chetoni che sopportano l’ambiente basico possono essere ridotti ad idrocarburi con la riduzione di WolffKishner, con idrazina, trietilenglicole , KOH a 175 °C, oppure, in una variante più moderna, con idrazina e
poi con dimetilsolfossido e terzbutossido a 30 °C. Le aldeidi, invece, non sopportano l’ambiente basico e non
possono essere ridotte con questa reazione.
O
N
NH2NH2
CH3 C CH3
acetone
CH3 C
NH2
DMSO
CH3
tBuO −
CH3 CH2 CH3
+
N2
propano
2-propanone idrazone
Nella prima parte della reazione si prepara l’idrazone, questo viene isolato e poi viene fatto reagire in un
solvente polare aprotico, dimetilsolfossido DMSO, nel quale una base come terzbutossido è molto più
reattiva perché non deve fare legami idrogeno col solvente. Questo permette di eseguire la reazione a
temperatura ambiente.
H
H
N
N
CH3 C
H
− ..
:O
..
N
tBu
CH3 CH
CH3
H O
idrazone
− ..
:O
..
N
CH3
N
tBu
N
H O tBu
−..
CH3 CH CH3
CH3 CH2 CH3
tBu
propano
tautomeria
Prof. Mauro Tonellato – ITIS Marconi – Padova
Aldeidi e chetoni
13
www.pianetachimica.it
Se l’aldeide o il chetone non sopportano nè l’ambiente acido nè quello basico, si può eseguire la riduzione
operando in assenza di acidi e basi. Si trasforma il carbonile in un tioacetale e si esegue una idrogenazione
catalitica con nichel Raney, polvere di nichel saturata con idrogeno. Lo zolfo viene estratto dalla molecola e
incorporato nel catalizzatore che viene così “avvelenato”. Per questo si usa nichel e non platino!
SH
O
CH3 C CH3
SH
S
S
CH2 CH2
Ni Raney
CH3 C
CH3
CH3 CH2 CH3
propano
2,2-dimetil-1,3-ditiolano
(tioacetale)
acetone
Ossidazione
Le aldeidi vengono ossidate facilmente ad acidi carbossilici da una varietà di reattivi. Il più utilizzato è forse
il Cr(VI) sotto forma di bicromato in ambiente acquoso acido nel quale si forma acido cromico H2CrO4. Le
aldeidi reagiscono nella forma idratata come si è 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.
O
H2O / H
+
CH3 C
OH
CH3 C
H
acetaldeide
O
H2CrO4
CH3 C
OH
H
acetaldeide
idratata
H2SO4
OH
acido acetico
Ricordiamo brevemente il meccanismo:
O
+
O H
CH3 C
OH
CH3 C
Cr
O
Cr
OH
+
O
CH3 C
H
O
.. :
..
H2O:
H
H
+
OH
O
OH
OH
O
O
..
CH3 C OH
..
H
..
H2O:
H
+
HO Cr OH2
+
O H
+
CH3 C
H2O
.. :
H
O
O
E2
OH
Cr
HO
OH
estere dell'acido cromico
L’intermedio è un estere dell’acido cromico che subisce una reazione di eliminazione E2 per produrre il
doppio legame C=O dell’acido carbossilico.
I reattivi di Fehling, Benedict e Tollens ossidano le aldeidi ad acidi carbossilici, vengono usati solo a scopo
analitico e non preparativo soprattutto coi carboidrati.
Nei saggi di Fehling e Benedict il reattivo ossidante è il Cu2+ che in ambiente basico ossida le aldeidi ad
acidi carbossilici. Si forma un precipitato rosso mattone di ossido rameoso Cu2O che permette di confermare
la presenza di aldeidi.
O
+
CH3 C
2 Cu2+
+
5 OH
−
H
O
CH3 C
+
O−
Cu2O
+
3 H2O
precipitato
rosso mattone
Il reattivo di Fehling è composto di due soluzioni da mescolare al momento dell’uso: soluzione A: NaOH e
tartrato di sodio (un complessante del Cu2+); soluzione B: CuSO4. Il tartrato impedisce per qualche tempo al
rame di precipitare come idrossido e questo consente di eseguire la reazione.
Prof. Mauro Tonellato – ITIS Marconi – Padova
Aldeidi e chetoni
14
www.pianetachimica.it
Il reattivo di Benedict, invece, consiste in un’unica soluzione: NaOH, citrato di sodio e CuSO4. Si può conservare senza che il rame precipiti come idrossido perchè il citrato è un complessante più forte del tartrato.
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. Precipita argento metallico che forma uno specchio sulle
pareti di vetro.
O
O
+
CH3 C
2
Ag+
+
3 NH3
+
CH3 C
H2O
H
+
2 Ag
3 NH4+
+
O−
precipitato
a specchio
I chetoni si ossidano solo se viene rotto uno dei legami C−C a ridosso 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 con perossiacidi che trasforma i chetoni
in esteri. Qui vediamo l’ossidazione con acido perossiacetico dell’acetofenone che dà fenil acetato.
O
O
C
CH3
O
O
+
CH3
C
O
+
CH3 C
O
O
CH3 C
H
OH
In questa reazione l’ossigeno perossidico del perossiacido (in grassetto e indicato da una freccia) si inserisce
nel legame C−C a fianco del carbonile che così diventa un estere.
La reazione avviene con catalisi acida. Il meccanismo è il seguente:
+
OH
C
OH
OH
CH3
..
H O
..
O
C
CH3
C
CH3
..
O:
O
O
O
H
+
C
CH3
+
OH
O
C
O
CH3
O+
CH3
+
OH
..
:OH
C
C
OH
CH3 O
C
trasposizione
CH3 del fenile
C
CH3
−H
O
+
O
O
C
CH3
Per chiarezza i due passaggi centrali del meccanismo sono stati mostrati distinti anche se in realtà
l’espulsione dell’acido e la trasposizione avvengono contemporaneamente. Il gruppo che traspone mantiene
la configurazione. Se nel chetone ci sono due gruppi diversi (come nell’esempio) quello che traspone è
prevedibile in base alla seguente gerarchia:
terz-alchile > sec-alchile > > fenile > n-alchile > metile
Nell’esempio qui sopra, quindi, migra il gruppo fenile piuttosto del metile.
Prof. Mauro Tonellato – ITIS Marconi – Padova
Aldeidi e chetoni
15
www.pianetachimica.it
Alfa alogenazione
Le aldeidi, trattate con Cl2 o Br2, si ossidano formando acidi carbossilici.
I chetoni enolizzabili, invece, trattati con Cl2 o Br2 vengono alogenati in posizione alfa. La reazione procede
in modo molto diverso a seconda che sia condotta in catalisi acida o basica.
O
O
+
H2O / H
C
H3 C
CH2 CH3
+
C
Cl2
H3 C
catalisi
acida
−
H2O / OH
C
H3C
CH2 CH3
+
3 Cl2
HCl
O
C
−O
catalisi
basica
2-butanone
+
CH3
Cl
3-cloro-2-butanone
2-butanone
O
CH
CH2 CH3
+
+
CHCl3
3 Cl
−
propanoato
La velocità di questa reazione è v = k [chetone] cioè dipende solo dalla concentrazione del chetone, e non
dipende da quella dell’alogeno, questo suggerisce che nello stadio lento si formi l’intermedio enolo e che
questo poi reagisca velocemente con l’alogeno.
Con la catalisi acida si ha la monoalogenazione del chetone dalla parte più sostituita, quindi nella prima
reazione qui sopra si forma 3-cloro-2-butanone e non 1-cloro-2-butanone. Il cloroderivato, inoltre, è meno
reattivo del chetone di partenza (il doppio legame dell’enolo è destabilizzato dal cloro elettronegativo) e
quindi, se si usa una sola mole di Cl2, si ha la monoalogenazione. Inoltre, poichè lo stato di transizione è
simile all’enolo, la reazione procede attraverso l’enolo più stabile, cioè quello col doppio legame più
sostituito.
OH +
:O:
C
H3C
CH
CH3
H
+
O
H
C
H3 C
CH
H
H
2-butanone
..
:OH
Cl
C
O
CH
H3C
CH3
CH
veloce
CH3
C
tautomeria
H3 C
H
CH3
O
.. −
:Cl
.. :
Cl
CH
enolo
più stabile
H
C
H3C
CH3 :O :
H
+
Cl
OH
H
C
H3C
CH
CH3
Cl
meno reattivo del chetone iniziale
enolo
Con la catalisi basica si ha la polialogenazione del chetone dalla parte meno sostituita. Lo stato di
transizione non assomiglia ad un enolo, ma ad un anione e dato che gli anioni meno sostituiti sono più
stabili, lo strappo dell’H+ avviene dal lato meno sostituito. L’intermedio simile ad un anione ha poi un’altra
conseguenza, risulta più stabile se è alogenato (il cloro elettronegativo stabilizza la carica negativa). Quindi il
chetone monoalogenato è più acido (pKa 14) del chetone iniziale e la seconda alogenazione è più veloce
della prima e l’eventuale terza alogenazione (nel caso di metilchetoni) è ancora più veloce.
O
C
H2C
CH2 CH3
− ..
:OH
..
1^
tautomeria
lenta
.. −
: O:
O
C
H2 C
.. −
H
2-butanone (pKa 20)
O
C
Cl
HC
CH2 CH3
−..
:OH
..
Prof. Mauro Tonellato – ITIS Marconi – Padova
Cl
CH2 CH3
Cl
C
Cl
più veloce
H2 C
enolato
meno sostituito
.. −
:O:
2^
tautomeria
H
chetone monoalogenato (pKa 14)
più acido del chetone iniziale
Cl
C
CH2 CH3
HC
Cl
CH2 CH3
enolato
Aldeidi e chetoni
16
www.pianetachimica.it
O
Cl
C
3^
tautomeria
− ..
: OH
..
C
CH2 CH3
ancora
più veloce
H
chetone dialogenato
ancora più acido
Cl
C
Cl
C
Cl
CH2 CH3
Cl
enolato
− ..
:O:
− ..
:OH
..
C
Cl
C
Cl
Cl
O
.. −
:O:
CH2 CH3
O
C
Cl
Cl
Cl
OH
C
CH2 CH3
− ..
:OH
..
CH3 CH2 C
Cl
Cl
chetone trialogenato
Cl
O
C: −
H
H
OH
Cl
O
Cl
CH3 CH2 C
Cl
O−
ione propanoato
C
H
Cl
cloroformio
Il chetone trialogenato che si forma può perdere un carbonio per idrolisi basica. Infatti il metile trialogenato è
diventato CCl3 e si è trasformato in un buon gruppo uscente dato che la carica negativa sul carbonio è
stabilizzata per effetto induttivo dai tre atomi di cloro. Si ottiene quindi CCl3− e acido propanoico. CCl3− si
protona e diventa cloroformio CHCl3 mentre l’acido, in ambiente basico, forma lo ione carbossilato. Dal
metilchetone originale (2-butanone) abbiamo ottenuto il sale dell’acido propanoico, un acido carbossilico
con un carbonio in meno rispetto al chetone di partenza.
Questa reazione è tipica dei metilchetoni ed è nota come reazione aloformio, il gruppo metilico del chetone
viene perso come cloroformio e il metilchetone diventa un acido carbossilico con un carbonio in meno.
Un tempo la reazione iodoformio veniva usata per il riconoscimento qualitativo dei metilchetoni.
Se, trattando la sostanza incognita con KI, Cl2, NaOH, si osservava la formazione di un precipitato giallo,
iodoformio appunto, allora la sostanza incognita era un metilchetone. Ecco la reazione nel caso dell’acetone.
O
C
H3 C
+ 4 OH
CH3
−
O
+ 6 KI + 3 Cl2
acetone
CH3 C
O−
−
+ CHI3 + 6 KCl + 3 H2O + 3 I
iodoformio
Il Cl2 ossida KI formando I2, questo viene attaccato dall’intermedio enolato che dopo tre alogenazioni con I2
perde iodoformio CHI3 che forma un precipitato giallo.
Prof. Mauro Tonellato – ITIS Marconi – Padova
Aldeidi e chetoni
17
www.pianetachimica.it
Addizione e condensazione aldolica
Le aldeidi, se trattate in ambiente acquoso moderatamente basico, danno addizione aldolica, cioè due aldeidi
si sommano tra loro per formare una beta idrossi aldeide chiamata aldolo.
O
2
OH
CH3 CH2 C
−
CH3 CH2 C
H2O
H
OH
H
O
CH C
H
CH3
3-idrossi-2-metilpentanale
β-idrossialdeide
propanale
Il carbonio in alfa di un’aldeide si lega al carbonile di una seconda aldeide per formare una molecola con una
catena di carboni più lunga che è chiamata aldolo (aldeide e alcol). Anche questa reazione, come
l’alogenazione, procede attraverso la formazione di enoli. Il primo passaggio della reazione è dunque la
tautomeria cheto enolica catalizzata dalle basi che produce enolati. L’intermedio enolato dà poi una
reazione di addizione nucleofila al carbonile di un’altra aldeide con formazione di un alcossido che
nell’ultimo passaggio si protona formando l’aldolo. La pKa dell’idrogeno in alfa dei chetoni e delle aldeidi è
circa 20, cioè si tratta di un idrogeno 1025 volte più acido di un normale idrogeno di un alcano che ha pKa
circa 45.
H
− ..
: OH
..
O
CH3 CH C
−..
CH3 CH C
H2O
H
O−
O
CH3 CH C
H
tautomeria
H
enolato
.. −
:O:
O
CH3 CH2 C
H
..−
CH C
O
CH3
H
H
O
OH
CH C
CH3 CH2 C
H
CH3
OH
CH3 CH2 C
H
H
O
CH C
CH3
H
Mentre con le aldeidi l’addizione aldolica in ambiente basico è spostata a destra, con i chetoni è spostata a
sinistra e quindi i chetoni formano solo tracce di aldolo (a freddo) perchè il carbonile dei chetoni è meno
reattivo sia per l’effetto induttivo dei sostituenti che per l’ingombro sterico che destabilizza i prodotti.
Se la reazione, però, viene condotta in ambiente acido, anche i chetoni reagiscono e danno condensazione
aldolica (cioè addizione ed eliminazione). Infatti il beta idrossi chetone che si forma in minima quantità
espelle una molecola d’acqua producendo un chetone alfa beta insaturo, che si sottrae all’equilibrio e trascina
a destra la reazione.
La condensazione in ambiente acido di aldeidi e chetoni produce composti carbonilici alfa beta insaturi e
viene chiamata condensazione aldolica. La condensazione può avvenire anche in ambiente basico se si
conduce la reazione a temperatura elevata, a 80 - 100 °C.
O
H
2 CH3 CH2 C
H2O
CH3
OH
+
CH3 CH2 C
O
CH C
CH3 CH3
CH3
H
O
+
− H2O
CH3 CH2 C
CH3 CH3
β-idrossichetone
(tracce)
2-butanone
C
C
CH3
chetone alfa-beta insaturo
Il meccanismo di reazione inizia con la tautomeria cheto enolica catalizzata dagli acidi:
..
O:
CH3 CH2 C
CH3
H
+
OH
+
H2O
CH3 CH C
H
CH3
2-butanone
Prof. Mauro Tonellato – ITIS Marconi – Padova
OH
tautomeria
H2O
..:
CH3 CH C
CH3
enolo
Aldeidi e chetoni
18
www.pianetachimica.it
L’enolo attacca il chetone protonato con una addizione nucleofila:
+
OH
..
:OH
CH3 CH2 C
CH C
CH3
CH C
CH3 CH2 C
CH3
CH3
+
OH
OH
CH3
CH3 CH3
beta idrossi chetone
(tracce)
Il beta idrossi chetone perde il gruppo OH in modo estremamente facile. Bisogna quindi invocare un
meccanismo diverso da quello della normale disidratazione degli alcoli che invece avviene con difficoltà e
richiede 150 °C e H2SO4 concentrato.
L’H+ in posizione alfa in questa molecola può essere strappato facilmente grazie alla tautomeria cheto
enolica. Il beta idrossi enolo che si forma può espellere acqua invece di ricreare 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.
H
OH
..
H2O:
CH3
tautomeria
OH
C
C
CH3 CH2 C
+
OH
CH3 CH3
CH3 CH2 C
..
:OH
+
C
CH3
CH3 CH3
+
OH
− H2O
C
CH3 CH2 C
CH3
CH3 CH3
H
beta idrossi enolo
(tracce)
C
C
C
CH3 CH2 C
beta idrossi chetone
(tracce)
+
OH2
OH
O
C
CH3 CH2 C
CH3
CH3 CH3
C
CH3 CH3
beta idrossi enolo
(tracce)
C
CH3
chetone alfa-beta insaturo
3,4-dimetiles-3-en-2-one
Le aldeidi che non possiedono alfa idrogeni non sono enolizzabili e quindi non possono dare addizione
aldolica. Questi sono tre esempi:
O
O
H
C
H
CH3
C
H
H3 C
C
CH3
formaldeide
benzaldeide
O
C
H
2,2-dimetilpropanale
Tuttavia se queste aldeidi vengono trattate in ambiente molto basico si rivelano instabili e vanno incontro ad
una reazione di ossidoriduzione interna, una dismutazione conosciuta come reazione di Cannizzaro.
O
O
C
H
2
−
OH
H2 O / H
+
OH
C
+
H2O
benzaldeide
Prof. Mauro Tonellato – ITIS Marconi – Padova
CH2
OH
acido benzoico
alcol benzilico
Aldeidi e chetoni
19
www.pianetachimica.it
La reazione procede per trasferimento di uno ione idruro dal dianione di un’aldeide idratata ad un’altra
aldeide. Dopo neutralizzazione si ottiene un acido carbossilico ed un alcol.
Il meccanismo è il seguente:
O
.. −
: OH
..
C
H
.. −
: OH
..
−
O
C
O−
C
OH
O
−
H
H
benzaldeide
dianione
O
.. −
:O :
−
O
C
trasferimento
di idruro
C
H
−
O
O
+
C
H
O−
H
C
H
dianione
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 un’aldeide può addizionarsi sia con sè stessa che con
l’altra aldeide. Quindi, da due aldeidi A e B, si possono ottenere i 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.
O
O
O
C
H
+
benzaldeide
H3C
CH CH C CH3
−
OH
C
CH3
H2O
acetone
4-fenil-but-3-en-2-one
Notate che in questa reazione, nonostante l’ambiente basico, si è ottenuto un chetone alfa beta insaturo.
Questo è dovuto al fatto che il doppio legame è particolarmente stabilizzato non solo dal carbonile, ma anche
dalla coniugazione 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 una 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 diisppropilammide, pKa 36) che lo trasforma tutto nel suo enolato e
poi aggiungendo goccia a goccia l’aldeide. Questa non ha il tempo di trasformarsi in enolato, ma reagisce
con l’eccesso di enolato del chetone che trova in soluzione.
O
O
O
LDA
H
C
H3C
CH3 CH2 C
C
CH3
acetone
THF
H2 C
..
−
CH3
enolato dell'acetone
Prof. Mauro Tonellato – ITIS Marconi – Padova
H2O
OH
O
CH3 CH2 CH CH2 C CH3
4-idrossiesan-2-one
Aldeidi e chetoni
20
www.pianetachimica.it
Reazione con LDA, litio diisopropil ammide
LDA, litio diisopropil ammide, si prepara per trattamento di diisopropil ammina con butillitio o con litio
metallico:
H
N
+
diisopropil ammina
.. −
N
..
THF
Li
butillitio
+
Li
+
LDA
butano
E una base molto forte (pKa 36) ma ingombrata a causa dei due sostituenti isopropilici che le impediscono di
agire da nucleofilo, per questo nelle reazioni si comporta solo da base senza attaccare il carbonile.
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 essere fatto reagire con una varietà di
molecole. Nella pagina precedente abbiamo visto che può reagire con una aldeide, ma può reagire anche con
alogenuri alchilici (metilici o primari) e con cloruri acilici.
Nella reazione di un chetone con LDA e poi con un cloruro alchilico si ottiene un chetone con una catena
di atomi di carbonio più lunga. 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.
Cl
O
LDA
C
H3 C
CH3
THF
acetone
O
O
CH3 CH2 CH2
C
H2 C
CH3
..
−
enolato dell'acetone
CH3 CH2 CH2 CH2 C CH3
esan-2-one
Trattando un chetone con LDA e poi con un cloruro acilico si ottiene un β dichetone:
O
O
LDA
C
H3C
CH3
acetone
THF
O
CH3 CH2 C
C
H2 C
CH3
..
−
enolato dell'acetone
Prof. Mauro Tonellato – ITIS Marconi – Padova
O
Cl
O
CH3 CH2 C CH2 C CH3
esan-2,4-dione
Aldeidi e chetoni
21