ALCOHOLES ALDEHIDOS Y CETONAS ACIDOS Y DERIVADOS QUIMICA ORGANICA INGENIERIA BIOMEDICA DRA ING MARIA JULIA BARRIONUEVO



Los alcoholes presentan el grupo funcional -OH



Los alcoholes son compuestos con grupos hidroxilo unidos a átomos de carbono saturados con hibridación sp3



Se encuentran en gran cantidad en la naturaleza y tiene aplicaciones industriales y farmacéuticas.

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los fenoles son compuestos que tienen grupos hidroxilos unidos a anillos aromáticos.



Ambos se pueden considerar como derivados orgánicos del agua en que un grupo orgánico ha sustituido a uno de los hidrógenos H-O-H en comparación con R-O-H ó Ar-OH.



los enoles si bien son compuestos con un grupo OH unido al carbono vinílico tiene propiedades químicas muy diferentes. CH3CH2OH ETANOL

OH

FENOL

R - C=C-OH H H

ENOL

Propiedades físicas de los alcoholes  Forman enlaces mediante puentes de hidrógeno. PE , más altos que los correspondientes RX.  En los alcoholes el oxígeno tiene hibridación sp3 con dos pares de electrones no enlazantes.  La electronegatividad del oxígeno provoca la polarización del enlace O-H y del C-O, generando momentos dipolares.  Tienen Puntos de Fusión y Ebullición debido a la formación de puentes de hidrogeno.

Acidez de los alcoholes  La gran electronegatividad del oxígeno provoca que el hidrógeno pueda ser arrancado por bases. Ec.equil: CH3OH + H2O ↔ CH3O- + H3O+  La

acidez de los alcoholes se obtiene:

pKa = -logKa

Constantes de disolución ácida de alcoholes Compuesto

Estructura

Ka

pKa

Metanol

CH3OH

3,2*10-16

15,5

Etanol

CH3 CH2OH

1,3*10-16

15,9

2-cloroetanol

ClCH2-CH2OH

5,0*10-15

14,3

2,2,2 tri cloroetanol

Cl3 C-CH2OH

6,3*10-13

12,2

Alcohol isopropilico

(CH3)2 CHOH

3,2*10-17

16,5

Alcohol terc butilico

(CH3 )3 COH

1,0*10-18

18,0

Ciclohexanol

C6H11OH

1,0*10-18

18,0

fenol

C6H5OH

1,0*10-10

10,0

Comparación con otros acidos agua

H2O

1,8*10-16

15,7

Acido acetico

CH3 COOH

1,6*10-5

4,8

Acido clorhidrico

HCl

1,6*10+2

-2,2

Desplazamiento del equlibrio  Los hidrógenos ácidos tienen un valor de pKa pequeño. El equilibrio entre el alcohol y el alcóxido se puede desplazar utilizando bases fuertes, como amiduro de sodio (NH2Na), hidruro de sodio. CH3OH + NH2- Na+ → CH3O-Na+ + NH3 pKa(CH3OH)=15,5 pKa(NH3)=35

Solubilidad de alcoholes en agua Metilico

miscible

Etilico

miscible

n-propilico

miscible

t-butilico

miscible

isobutilico

10%

n-butilico

9,1%

n-pentilico

2,7%

ciclohexilico

3,6%

n-hexilico

0,6%

fenol

9,3%

hexano 1,6 diol

miscible

Obtención de alcoholes RCOOH R - C=C - R´ R´´ R´´´´ RCOOR´

ROH

RX 1. 2. 3. 4.

 

Hidratación de alquenos Hidroboración-oxidación de alquenos A partir de compuestos organometálicos A partir de compuestos carbonílicos:

R-C=O R´ R-C=O H ROR´

A partir de compuestos carbonílicos Los reactivos más importantes para realizar esta reducción son el borohidruro de sodio (NaBH4) y el hidruro de alumino y litio (LiAlH4).

A partir de compuestos organometálicos  Los metales, particularmente el litio y el magnesio, reaccionan con haloalcanos generando reactivos organometálicos,  los cuales el átomo de carbono se encuentra unido al metal.  Estos reactivos son muy básicos y nucleófilos, lo que permite utilizarlos para la formación de enlaces C-C  Los magnesianos se preparan por reacción de haloalcanos y magnesio metal.  La reactividad de los haloalcanos aumenta al pasar del cloro al yodo y el flúor normalmente no se emplea en este tipo de reacciones.

Se utilizan las siguientes reacciones:   C MgBr C : MgBr

Reacciones de los alcoholes 1- Deshidratación de alcoholes

H R -C - C-OH + H3O+ H

C=C-R

R

Alcohol 3º 2- Obtención haloalcanos Los alcoholes primarios y secundarios reaccionan con tribromuro de fósforo para dar haloalcanos con bromo. Los tres átomos de bromo del PBr3 son reactivos.

 Por

calentamiento suave del alcohol en presencia de cloruro de tionilo (SOCl2) se produce el cloroalcano correspondientes y se desprende dióxido de azufre y cloruro de hidrógeno.

 Oxidación:

Se realiza con un reactivo de cromo (VI) anhidro llamado clorocromato de piridinio (PCC), este reactivo da muy buenos rendimientos en la oxidación de alcoholes primarios a aldehídos.

 Otros

oxidantes como permanganato o dicromato producen la oxidación del alcohol a ácido carboxílico. El complejo de cromo con piridina en un medio ausente de agua permite detener la oxidación del aldehído.

Las reacciones que se llevan a cabo son:



Los alcoholes secundarios se oxidan a cetonas. El reactivo más utilizado es el CrO3/H+/H2O, (reactivo de Jones).

Otros oxidantes son el dicromato de potasio en medio ácido y el permanganato de potasio que puede trabajar tanto en medios ácidos como básicos.



Alcohol terciario

No se oxida.

Síntesis de éteres Esta reacción no conduce necesariamente al éter como producto mayoritario, puesto que existe competencia con la eliminación.  Reacciones que generan alcóxidos Para arrancar el protón del grupo -OH son necesarias bases fuertes. Como ejemplos tenemos NH2Na, CH3Li metil-litio, hidruros de metales alcalinos (KH). CH3OH + NH2Na

CH3ONa

  R - OH +

Na

R-O Na

+

NH3

Síntesis de éteres de Williamson +

+ NaX Donde X (I,Br,Cl), esta reacción da excelentes resultados cuando R' es un metilo o radical primario pues no hay competencia con la eliminación. R O Na

R´X

Síntesis de ésteres

R-O-R´

  Fenoles   Las reacciones de los fenoles son de sustitución electrofílica aromática teniendo en cuenta que ya existe el sustituyente -OH  Son derivados aromáticos que presentan grupos "hidroxilo", -OH.  Los fenoles tienen cierto carácter ácido y forman sales metálicas.  Se encuentran ampliamente distribuidos en productos naturales, como los taninos.  

Caracterización de alcoholes Los alcoholes se disuelven en ácido sulfúrico cc al igual que alquenos, aminas. Los alcoholes no decoloran la solución de bromo en Cl4C propiedad que permite distinguirlos de alquenos y alquinos. Prueba de yodoformo La prueba de yodoformo indica si el ol tiene o no una unidad estructural determinada. La reacción comprende oxidación, halogenación y OH degradación C=O + HCI O + I 3

2

CH3

O



Esta reacción da positiva con moléculas tales como: R-C=O donde R es H, alquilo o arilo CH3

Reacción de Lucas Se basa en la diferencia de reactividad de los tres tipos de alcoholes (1º, 2º y 3º) con los halogenuros de H. Los alcoholes con menos de 6 átomos de C son solubles en el reactivo de Lucas, que es una mezcla de HCl cc y ZnCl2. Los cloruros de alquilo correspondientes son insolubles. La formación de un cloruro, a partir de alcohol se manifiesta por la turbiedad que aparece cuando se separa el cloruro de la solución en consecuencia el tiempo que transcurre hasta la aparición de la turbiedad es una medida de la reactividad del alcohol  Un alcohol 3º reacciona de inmediato con el reactivo de Lucas mientras que el 2º reacciona en 5 minutos a temperatura ambiente y un 1º no reacciona en forma apreciable.  El alcohol alilico reacciona velozmente como alcoholes 3º y además son solubles. H+ R – OH + Cl2Zn RCl 



Fórmula General de Aldehidos y Cetonas

Propiedades físicas de aldehídos y cetonas:   



El carbono como el oxígeno del grupo carbonilo tienen hibridación sp2 Estan en el mismo plano que los otros dos sustituyentes, con ángulos de enlace de 120º. El oxígeno del grupo carbonilo tiene dos pares de electrones no compartidos y siendo más electronegativo que el carbono, produce una polarización del enlace carbono-oxígeno, generando carga parcial positiva sobre el carbono y negativa sobre el oxígeno. La polarización convierte al carbono en electrófilo y al oxígeno en nucleófilo.

Puntos de fusión y ebullición  Esta polarización hace que los puntos de ebullición de aldehídos y cetonas sean más elevados que los de los hidrocarburos de peso molecular similar, debido a las interacciones entre dipolos. Obtención  Oxidación de alcoholes Oxidación de alcoholes con reactivos de cromo (VI). Los alcoholes primarios dan aldehídos y los secundarios cetonas.

Ozonólisis  Los alquenos rompen con ozono generando aldehídos y cetonas. La reacción requiere un reductor de segunda etapa.

Hidratación de alquinos  Hidratación de alquinos, produce enoles que tautomerizan a compuestos carbonilos. Ésta hidratación puede ser Markovnikov utilizando agua, sulfúrico y sulfato de mercurio.  La hidroboración-oxidación produce la adición anti-Markovnikov.

Reacciones  

Hemiacetales y acetales



Los alcoholes se adicionan también a aldehídos y cetonas, los productos formados se llaman hemiacetales. Estas reacciones son equilibrios desplazados hacia el carbonilo inicial, excepto los formados a partir de carbonilos muy reactivos como el metanal.

La reacción de aldehídos y cetonas con exceso de alcohol en medios ácidos no para en el hemiacetal. En estas condiciones el grupo -OH del hemiacetal se sustituye por un grupo alcóxido procedente del alcohol. Los compuestos así formados se denomina acetales.

Cada etapa en la formación del acetal es reversible, esto permite la hidrólisis del mismo en un medio ácido.

Formación de iminas Los aldehídos y cetonas reaccionan con amoniaco o aminas formando iminas. H+ R-C=O + R´-NH2 R-C=N-R´ H⁄ H⁄

Formación de oximas La reacción con hidroxilamina (HONH2) de los aldehídos y cetonas genera oximas. H+ R-C=O + NH2OH R-C=N-OH H⁄

H⁄

oxima Reacción de carbonilos con fenilhidrazina Los derivados de la hidrazina, fenilhidrazina y 2,4dinitrofenilhidrazina, condensan con aldehídos y cetonas formando hidrazonas que dan precipitados de color amarillo. Esta reacción se puede emplear como ensayo analítico para identificar aldehídos y cetonas, sólo estos compuestos dan dicho precipitado.

Reducción de carbonilos a alcanos.  Reducción de Wolff - Kishner La reacción de hidrazina con aldehídos y cetonas genera hidrazonas que sufren descomposición por perdida de nitrógeno cuando se tratan con bases a temperaturas elevadas. El producto de esta reacción es el hidrocarburo correspondiente.

Reducción de Clemmensen La reacción de la amalgama zi nc-mercurio en medio ácido con aldehídos y cetonas, produce la reducción de los mismos a alcanos. Es una reacción equivalente a Wolff-Kishner.

Formación de enaminas La condensación de aminas primarias con aldehídos y cetonas generan iminas, mientras que la condensación de carbonilos con aminas secundarias dan enaminas.

Formación de Cianhidrinas Existen multitud de nucleófilos capaces de atacar al carbono carbonilo (agua, alcoholes, aminas). También el cianuro de hidrógeno se adiciona a aldehídos y cetonas formando las cianhidrinas.

Caracterización de aldehidos y cetonas  Ensayos de Fehling y Tollens Son ensayos analíticos específicos de aldehídos, basados en su fácil oxidación a ácidos carboxílicos.  El ensayo de Fehling se emplea como oxidante el ión cúprico en medio básico, la precipitación de oxido cuproso (rojo) indica la presencia de un aldehído.



El ensayo de Tollens utiliza como reactivo una disolución amoniacal de plata, con presencia de un aldehído se produce un precipitado de plata elemental en forma de espejo de plata.

Formación de enoles y enolatos. Condensación de aldehídos y cetonas 

Los aldehídos y cetonas tienen hidrógenos ácidos en el carbono α, que se pueden sustraer empleando bases fuertes, formándose los iones enolato estabilizados por resonancia.



Los valores de pKa de los hidrógenos α de aldehídos y cetonas oscilan entre 18 y 21. Esto hace que bases fuertes desprotonen este carbono generando enolatos.



Los iones enolato se encuentran estabilizados por resonancia, deslocalizando la carga negativa sobre el oxígeno. La resonancia convierte al enolato en una base relativamente débil cuyo ácido conjugado es relativamente fuerte (pKa = 18-20). El mecanismo de la condensación aldólica transcurre en tres etapas:



Etapa 1.- Formación del enolato por sustracción del hidrogéno a.



Etapa 2.- Atáque nucleófilo del enolato al carbonilo de otras moléculas.



Etapa 3.- Protonación del aldol.

Reacciones

 Si

la temperatura supera los 5ºC el aldol pierde agua formando el a,b-insaturado. El mecanismo de esta reacción transcurre a través del enolato, que elimina ión hidróxido dando el producto final.

Propiedades físicas 

Presentan puntos de fusión y ebullición elevados por puentes de hidrógeno, las moléculas se unen de a dos formando dímeros.



Los ácidos carboxílicos presentan una polaridad importante, debida al doble enlace carbono-oxígeno y al grupo hidroxilo, que interacciona mediante puentes de hidrógeno con otras moléculas como agua, alcoholes u otros ácidos carboxílicos.



Los ácidos carboxílicos de menor tamaño (hasta cuatro carbonos) son totalmente solubles en agua debido a las importantes interacciones que se establecen entre las moléculas del ácido y las de agua. Puros o en disolución acuosa se encuentran formando dímeros unidos mediante puentes de hidrógeno.

Acidez y basicidad de los ácidos carboxílicos El hidrógeno del grupo hidroxilo de los ácidos carboxílicos presenta un pKa comprendido entre 4 y 5, valores relativamente bajos que tienen su explicación en la importante electronegatividad del grupo carbonilo al que está unido y a la estabilización por resonancia de la base conjugada. O R

O OH

+

OH2

R O

Ka=104,7 pKa= -logKa= 4,7

+

H3O+

O R

O O

R

-

O

Estabilización por resonancia del grupo carboxilato



Los grupos electronegativos aumentan la acidez del los ácidos carboxílicos ya que roban carga por efecto inductivo, estabilizando la base conjugada (ion carboxilato). En la siguiente tabla puede observarse la disminución de pKa que se produce al introducir halógenos en la cadena carbonada, llegándose incluso a valores cercanos a cero. Compuesto pKa CH3COOH

4,75

ClCH2COOH

2,86

Cl2CHCOOH

1,26

Cl3CCOOH

0,64

F3CCOOH

0,23

 La

protonación del grupo ácido se produce sobre el oxígeno del grupo carbonilo ya que la especie obtenida se estabiliza por resonancia, deslocalizando la carga positiva sobre el grupo hidroxilo.

Obtención  Oxidación de alcoholes primarios Los alcoholes primarios por oxidación se convierten en aldehídos y estos a su vez en ácidos carboxílicos. Se pueden utilizar como oxidantes permanganato de potasio, dicromato de potasio y el reactivo de Jones (CrO3 / H3O+) RCH2OH + CrO3, H+, piridina (PCC)

RCOOH

Oxidación de alquenos  La oxidación de alquenos con permanganato de potasio genera ácidos carboxílicos y cetonas Esta reacción genera productos similares a la ozonólisis, aunque en lugar de aldehídos da ácidos carboxílicos. R-CH

C-R

R

+

+ KMnO4, H ,

R-C

O +O OH

C-R R

Hidrólisis de nitrilos 

La hidrólisis de nitrilos es otro método importante en la obtención de ácidos carboxílicos. El nitrilo se puede obtener a partir de un haloalcano primario o secundario mediante SN2.



Partiendo de haloalcanos primarios o secundarios y mediante una SN2 con el ion cianuro, se prepara un nitrilo, que por hidrólisis en medio ácido o básico y calentando conduce al+ ácido carboxílico. Br +

C

CN + H , H2O,

N

COOH

S N2



Cuando el haloalcano de partida contiene grupos que puedan reaccionar con los organometálicos, como grupos hidroxilo, carbonilo o nitro, esta reacción se convierte en el mejor método para la síntesis de ácidos carboxílicos.

Reacción de organometálicos con CO2  Los

reactivos organometálicos atacan al dióxido de carbono de modo similar a su reacción con aldehídos y cetonas, formando carboxilatos que se protonan en una etapa posterior de tratamiento acuoso.

Reacción con alcoholes, aminas y PBr3  Por reacción con alcoholes se transforman en ésteres, con aminas en amidas, el PBr3 los transforma en haluros de alcanoilo. Todas las reacciones siguen el mecanismo de adición eliminación.  Los ácidos carboxílicos también forman enolatos por pérdida de un hidrógeno α. Los enolatos de ácidos carboxílicos son buenos nucleófilos y dan reacciones de alquilación, apertura de epóxidos, ataque a carbonilos, etc.

Reducción de ácidos carboxílicos 

El hidruro de litio y aluminio (LiAlH4) ataca a los ácidos carboxílicos de modo similar a los organometálicos de litio reduciéndolos a alcoholes. CH OH COOH

2

+

LiAlH4

Descarboxilación de ácidos carboxílicos: Reacción de Hunsdiecker 

Consiste en la oxidación de la sal de plata del ácido carboxílico, liberándose dióxido de carbono y formándose un bromoalcano en el cual el bromo ocupa la posición del grupo carboxílico.

 Halogenación de los ácidos carboxílicos Los ácidos carboxílicos se pueden halogenar en su posición α, por reacción con Br2 catalizado con PBr3. El PBr3 se forma en el medio de reacción por adición de una pequeña cantidad de fósforo elemental que se combina con el bromo.

Derivados de ácidos  Síntesis de cloruro de ácido R O

SOCl2

OH



R H C C=O H Cl

+ SO2 +

ClH

Reacciones

R H C C=O H Cl

R R

O HOH

OH ácido R

R´COOH

OR´

R

OH R´

éster

R

alcohol terciario

O R´NH2

O C=O R´ R´

R´MgX/HOH

O R´OH

anhidrido

O

NHR´ amida

LiHAl4/HOH

R

OH

alcohol primario

Propiedades físicas de derivados de ácidos

Síntesis de amidas 

Las amidas se obtienen por reacción de ácidos carboxílicos con aminas calentando



El mecanismo comienza con el ataque de la amina al carbono carbonilo. Unos equilibrios ácido-base permiten la protonación del -OH que se va de la molécula ayudado por la cesión del par electrónico del segundo grupo hidroxilo. El mecanismo de la reacción es reversible y se puede invertir con ácidos o bases en caliente obteniéndose de nuevo el ácido y la amina.



Síntesis de Lactamas Una molécula que contenga un grupo ácido y una amina se cicla generando una amida cíclica llamada lactama.

Saponificación de un éster

Hidrólisis de una amida en medio básico

Hidrólisis de una amida en medio ácido