Composti Carbonilici - ITIS E. Divini

Composti Carbonilici
1

Introduzione
• Due grandi classi di composti contengono il gruppo carbonilico:
1. Composti che hanno solo atomi di carbonio e di idrogeno
legati al carbonile: aldeidi e chetoni.
O
C R H
aldeidi
O
C R R'
chetoni
2. Composti che contengono un atomo elettronegativo legato al
carbonile: acidi e derivati.
R
O
C OH
acidi
R
O
C Cl
cloruri acidi
R
O
C O
O
C
anidridi
R'
R
O
C OR'
esteri
R
O
C N
ammidi
2

Il gruppo carbonilico
• Il gruppo carbonilico consiste di:
– un legame σ formato da
sovrapposizione di orbitali ibridi sp 2
– un legame π formato da sovrapposizione di orbitali 2p.
• Il legame C=O è polarizzato verso l’atomo più elettronegativo,
rendendo il carbonio elettron deficiente.
• Usando la descrizione della risonanza il carbonile ha due forme
di risonanza.
C O
contributo
maggiore
C O
contributo
minore
δ+ δ-
C O
ibrido
carbonile polarizzato
3

Aldeidi e Chetoni
4

Molecole che contengono il gruppo
carbonilico
O
O
H
H
HO
OCH 3
O
H
geraniale
(E)-3,7-dimetil-2,6-ottadienale
aldeide cinnamica
trans-3-fenil-2-propenale
vanillina
4-idrossi-3-metossibenzaldeide
OH
O
O
O
O
testosterone
progesterone
canfora
5

Nomenclatura aldeidi
A. IUPAC
1. generale: alcanale (carbonio aldeidico #1)
2. aldeidi cicliche: cicloalcancarbossaldeide
3. priorità: aldeide > chetone > alcool
B. Nomi comuni
Usare il prefisso del nome comune dell’acido che si forma per
ossidazione, facendolo seguire da aldeide.
1 C: acido formico, formaldeide
2 C: acido acetico, acetaldeide
3 C: acido propionico, propionaldeide
4 C: acido butirrico, butirraldeide.
• In una molecola contenente un gruppo funzionale a priorità
maggiore, C=O è osso- e –CHO è formile.
• Aldeide priorità maggiore del chetone.
6

A. IUPAC
1. generale: alcanone (carbonio carbonilico # più basso)
2. priorità: aldeide > chetone > alcool
B. Nomi comuni
Nomenclatura chetoni
alchil alchil′ chetone (dagli alchili legati a C=O)
chetoni aromatici: fenoni
O
O
O
O
R
fenone
acetofenone
propiofenone
benzofenone
7

Proprietà Fisiche
Proprietà
p. eb.
e p.f.
Composti con PM paragonabile: i p. eb. e p.f. seguono il solito trend.
Maggiori le forze intermolecolari, maggiore il p.eb o il p.f.
CH 3
CH 2
CH 2
CH 2
CH 3
CH 3
CH 2
CH 2
CHO CH 3
CH 2
CH 2
CH 2
OH
PM 72
p.eb. 36°C
PM 72
p.eb. 70°C
PM 74
p.eb. 118°C
VDW VDW, DD VDW, DD, HB
CH 3
CH 2
COCH 3
PM 72
p.eb. 80°C
forze intermolecolari crescenti
p. eb. crescente
Solubilità
RCHO e RCOR solubili in solventi organici
RCHO e RCOR con 5C sono insolubili in acqua
VDW = van der Waals, DD = dipolo-dipolo, HB = legame idrogeno
8

Formaldeide
• Gas a t.a.
• Formalina è una soluzione acquosa al 40%.
O
O
O
triossano
p.f. 62°C
calore
O
H H
formaldeide
p.eb. –21°C
H 2
O
HO OH
H H
formalina
• Esiste anche un polimero lineare della formaldeide che si
chiama paraformaldeide.
9

Preparazione di aldeidi e chetoni
• Aldeidi
– Ossidazione di alcoli 1° con PCC
– Riduzione di esteri e nitrili con DIBAL-H e cloruri di acidi
con LiAlH[OC(CH 3 ) 3 ] 3
– Idratazione di alchini terminali per idroborazioneossidazione
• Chetoni
– Ossidazione di alcoli 2° con reagenti di Cr 6+
– Reazione di cloruri di acidi con organocuprati
– Acilazione di F.C.
– Idratazione di alchini interni per idroborazione-ossidazione
10

Preparazione di aldeidi e chetoni
• Riduzione di esteri e nitrili con DIBAL-H e cloruri di acidi con
LiAlH[OC(CH 3 ) 3 ] 3.
Li +
OBu t
H Al OBu t
OBu t
H Al
Litio tri-tert-butilossialluminio idruro
Diisobutilalluminio idruro
• Essi sono meno reattivi di LAH, in parte perché stericamente
ingombrati.
R
R
O
Cl
O
OR'
R-C≡N
1) LiAlH(OBu t ) 3
, etere, -78°C
2) H 2
O
1) DIBAL-H, esano, -78°C
2) H 2
O
1) DIBAL-H, esano
2) H 2
O
R
R
R
O
H
O
H
O
H
11

Riduzione di esteri e nitrili e cloruri di acidi
• Meccanismo:
R
O
Cl
Al(OC(Me 3 ) 3
H
R
O
Cl
Al[Bu t ] 3
H
R
O Al[Bu t ] 3
C H
− Cl −
Cl
R
O Al[Bu t ] 3
C H
H 2 O
R
O
H
R
O
OR'
AlBu i 2
H
R
O AlBu i 2
H
OR'
R
O AlBu i 2
C H R
OR' − − OR′
O AlBu i 2
C H
H 2 O
R
O
H
R-C≡N
AlBu i 2
H
R C N AlBu i 2 R C N AlBu i 2
H
H
H 2 O
R
O
H
12

Reattività di aldeidi e chetoni
C O
basico
1. Formazione di legami H
2. Protonazione
δ+ δ-
C O
C elettrofilo
ADDIZIONE
NUCLEOFILA
Nucleofili dell’O
Nucleofili dell’N
Nucleofili del C
Nucleofili dell’H
3. Addizione di H 2 O (idratazione)
4. Addizione di alcoli
5. Addizione-eliminazione di NH 3
e derivati G-NH 2
6. Addizione ioni CN –
7. Addizione di organometallici
8. Addizione di idruro
9. Riduzione catalitica ad alcoli
10. Riduzione C=O a CH 2
11. Ossidazione di CHO a COOH
13

Reattività di aldeidi e chetoni
• Le aldeidi sono più reattive dei chetoni verso i nucleofili per
ragioni steriche e elettroniche.
aldeidi
chetoni
R
: O:
H
ingombro sterico
minore
R
δ-
: O:
δ+
H
un solo R
stabilizza la
carica +
R
: O:
R
ingombro sterico
maggiore
R
δ-
: O:
δ+
R
due R
stabilizzano
la carica +
C meno
elettrofilo
14

Addizione Nucleofila
• I carbonili reagiscono con i nucleofili carichi (:Nu − ) o neutri
(:Nu). Se neutri, hanno un H legato (:Nu–H).
• La presenza o assenza di un gruppo uscente sul carbonile
determina il tipo di reazione.
1. Aldeidi e chetoni subiscono addizione nucleofila.
R
O
H (R')
:Nu –
2. I composti carbonilici che contengono un gruppo uscente
subiscono sostituzione nucleofila.
R
O
Z
R
O –
H(R')
Nu
intermedio tetraedrico
H 2
O
R
O H
H(R')
Nu
Nu – e H +
si addizionano
Nu – sostituisce Z –
:Nu – O –
O Questa reazione è
R Z
chiamata sostituzione
–Z – R Nu
Nu
nucleofila acilica:
intermedio tetraedrico
RCO- era legato a Z
ora è legato a Nu.
Z = Cl, OH, OR, OCOR, NH 2
, NHR, NR 2
15

Addizione Nucleofila ad Aldeidi e Chetoni
Quali Nu si addizionano al carbonile?
• Cl – , Br – e I – sono buoni nucleofili nelle sostituzioni al C saturo
ma sono inefficaci nelle reazioni al C insaturo.
– Quando essi si addizionano a un carbonile, si forma un
alcossido. Dato che X – è una base molto più debole
dell’alcossido, l’equilibrio è spostato verso i reagenti.
base forte
O
C
Cl –
base debole
O
C
Cl
alcossido
16

Addizione Nucleofila ad Aldeidi e Chetoni
Meccanismo:
O
C
O
C
H+
OH
C
Nu
Nu
intermedio
tetraedrico
Nu
Con alcuni nucleofili neutri l’addizione ha luogo solo con catalisi acida.
O
C
OH
H+ OH
–H +
C
C
HNu
HNu
intermedio
tetraedrico
OH
C
Nu
17

3. Addizione di H 2 O – Idratazione
• Per trattamento di un aldeide o chetone con H 2 O in presenza di
un acido o una base si ha addizione di H e OH sul legame π
C=O, generando un 1,1-diolo, gem-diolo o idrato.
R
O
C
H(R')
H–OH
H + o – OH
OH
C H(R')
OH
• La resa in gem-dioli è buona solo con aldeidi non ingombrate o
con aldeidi con gruppi elettron attrattori. Gruppi elettron
attrattori destabilizzano il carbonile favorendo la forma idrata.
R
H
O
C
H
H 2
O
H
OH
C H
OH
Cl 3
C
O
C
H
H 2
O
Cl 3
C
OH
C H
OH
18

3. Addizione di H 2 O – Idratazione
• Sia l’acido che la base catalizzano l’addizione di H 2 O al carbonile.
1. In base, il nucleofilo è – OH, più forte di H 2 O.
HO
O
C
O
C
OH
intermedio
tetraedrico
2. In ambiente acido la protonazione dell’ossigeno del carbonile rende più
elettrofilo il carbonio.
H
OH
OH
C
OH
+OH
O
C
H 3 O
H 2 O
O
C
H
H 2 O
H
OH
C
O
H
intermedio
tetraedrico
OH
C
OH
+H 3
O
19

3. Addizione di H 2 O – Idratazione
• Aumentando il numero di alchili (elettron donatori) sul carbonio
carbonilico, diminuisce la quantità di forma idrata.
numero di R crescente
stabilità crescente del carbonile
H
O
C
H
formaldeide
H 2
O
H 3 C
O
C
H
acetaldeide
H 2
O
O
H 3 C
C
CH 3
acetone
H 2
O
H
OH
C H
OH
H 3 C
OH
C H
OH
H 3 C
OH
C CH 3
OH
99.9% 58% 0.2%
quantità di forma idrata crescente
20

4. Addizione di Alcoli: Formazione di Acetali
• Aldeidi e chetoni reagiscono con 2 equivalenti di alcool per dare
acetali.
• La formazione di acetali è catalizzata da acidi come TsOH (acido p-
toluensolfonico).
R
O
C
R'
• Quando si usa un diolo si forma un acetale ciclico.
O
+ 2 R′′OH
+
H +
HOCH 2
CH 2
OH
etilenglicol
R''O OR''
H 2
O R
C
R'
acetale
TsOH
O
O
gli acetali
non sono
eteri
+ H 2
O
• La sintesi di acetali è reversibile. Per favorirne la formazione si rimuove
l’acqua.
21

4. Addizione di Alcoli: Formazione di Acetali
R
Meccanismo:
1) Attacco nucleofilo al carbonile catalizzato da acido (1 eq di alcool)
R
2) S N 1 CA (1 eq di alcool):
OH
C
C O
OR"
emiacetale
R'
H
O
OH
H -H
R C R'
R
C R'
O
••
H R"
R"OH
••
OH 2
R' H R C R'
OR"
••
R"OH
••
R
C
O
R'
R"
H
R
O
C
OR"
R
emiacetale
gen. instabile
R"
R'
C
-H
OH
OR"
R'
R
OR"
C
OR"
acetale
R'
22

4. Addizione di Alcoli: Formazione di Acetali
Esempi
O CH 3
O OCH 3
CH 3 OH, H +
-H 2 O
cicloesanone
dimetil acetale
O
OEt
H
EtOH, H +
-H 2 O
OEt
benzaldeide
dietil acetale
O
HO
H +
OH
O
O
2-pentanone
etilene acetale
OH
O
O
OH
H +
O
23

Acetali come gruppi proteggenti
Br
O
H
?
HC
C
O
H
Br
protezione
del
carbonile
HO
O
H
H+
1) HC CNa
2) H 2 O
OH
Br
OH
C
CH
l’addizione al
carbonile è più
veloce della S N
2
O
O
HO+
3
O
O O HC CNa C
Br
H
HC
C
H
HC
H
non reattivo
con nucleofili
deprotezione
24

Acetali come gruppi proteggenti
O
O
?
Br
OH
O
Mg
O
incompatibili
Br
MgBr
HO
H +
OH
O
O
Mg
O
O
1)
O
O
Br
MgBr
2) H 3 O +
OH
25

4a. Emiacetali ciclici
• Emiacetali ciclici a 5 e 6 termini sono composti stabili isolabili.
C legato a:
un OH
un OR
HO
HO
OR
emiacetale
O
5-idrossipentanale
H
O
HO
H
4-idrossibutanale
=
=
O
H
OH
OH
Sono reazioni intramolecolari, molto più veloci di quelle intermolecolari:
i gruppi reattivi OH e C=O sono spazialmente vicini.
O
OH
OH
6% 94%
O
OH
O
H
OH
O
11% 89%
O
C legati a:
un OH
un OR con R
parte dell’anello
26

5. Addizione Nucleofila di R −
• Il trattamento di un’aldeide o chetone con un organometallico (RLi,
RNa, RMgX, RZnX), seguito da acqua produce un alcool 1°, 2°, 3°.
• Il nucleofilo è R – .
R
O
C
H(R')
R′′MgX
o R′′Li
H 2
O
R
OH
C H (R')
R''
• Il meccanismo è a due stadi.
O
H
Li
O – Li +
H
H–OH
OH
H
+ LiOH
attacco
nucleofilo
intermedio
tetraedrico
protonazione
(ac. debole)
27

6. Addizione Nucleofila di − CN
• Il trattamento di un’aldeide o un chetone con NaCN e un acido forte
come HCl addiziona HCN sul carbonile generando una cianidrina.
• Il meccanismo è il solito.
R
NaCN + H 2 SO 4 →
O
C
–
CN
H(R')
attacco
nucleofilo
O –
• La reazione è reversibile in ambiente basico.
R
C
CN
intermedio
tetraedrico
H(R')
H–CN
protonazione
R
OH
C
CN
H(R')
cianidrina
+ – CN
Keq > 100
aldeidi e chetoni
ciclici
Keq < 0.02
chetoni lineari
O
H
–
OH O–
O
R
C H(R')
CN
R
C H(R')
CN
R
C
H(R')
+ − CN
28

Cianidrine come Intermedi di Sintesi
• Il ciano gruppo di una cianidrina può venir idrolizzato a gruppo
carbossilico per riscaldamento con un acido o una base acquosi o
può essere ridotto ad ammino gruppo (con un atomo di C in più).
R
OH
C R'
CN
H 2
O
H + o – OH
R
OH
C R'
COOH
α-idrossiacido
riduzione
R
OH
C R'
1) LiAlH 4
2) H 3
O +
CH 2
NH 2
β-amminoalcool
29

La Reazione di Wittig
• La reazione di Wittig usa un carbonio nucleofilo (il reagente di Wittig)
per formare alcheni.
• Il gruppo C=O viene trasformato in C=C.
R
C O
(R') H
Ph 3 P
C
R
C C
(R') H
+ Ph 3
P=O
• Formazione dell’ilide:
– Nel primo stadio si forma il sale di fosfonio.
– Nel secondo stadio una base forte rimuove un protone dando l’ilide.
Ph 3
P: + CH 3
–Br
ilide del
fosforo
H
S N
2
Bu–Li
Ph 3 P CH 2
–BuH
metiltrifenilfosfonio
bromuro
alchene
Ph 3 P
CH 2
Ph 3 P
ilide
carbonio nucleofilo
Ilide: una
molecola che,
scritta nella
struttura di
Lewis, ha una
carica positiva
e una negativa
su atomi
adiacenti.
CH 2
30

La Reazione di Wittig
• La reazione di Wittig è una addizione-eliminazione.
R
C O
R'
H 2 C PPh 3
R
+
O PPh 3
C CH 2
R'
betaina
O PPh 3
R C CH 2
R'
ossafosfetano
R
C CH 2
R'
+
O=PPh 3
trifenilfosfina
ossido
• La formazione del doppio legame P=O, molto forte, è la driving
force per la reazione di Wittig
• Quando il carbonio dell’ilide è sostituito si ottiene una miscela di
alcheni.
31

7. Addizione Nucleofila di Idruro H −
Riduzione di C=O a CHOH
• Fonti di idruro sono sodio boridruro NaBH 4 (in acqua o alcool) o litio
alluminio idruro LiAlH 4 (in etere anidro). NaH non va bene perché H – è
un Nu debole. Segue la protonazione che produce un alcool 1° o 2°.
• Il nucleofilo è H:¯
• Meccanismo:
Li +
Na +
O
H 3
Al–H
H 3
B–H
R
H
O
C
H(R')
attacco
nucleofilo
NaBH 4
LiAlH 4
intermedio
tetraedrico
–
–BH 3
Na
–
+
O–AlH 3
Li +
H
H
H 2
O
R
OH
C
H
H(R')
–
–B Na
–
+
O––Al Li +
4
H–OH
protonazione
32
OH
H
+ LiOH
H

Riduzione di C=O a CH 2
1. Riduzione di Clemmensen: condizioni acide: Zn(Hg), HCl conc.,
riscaldamento.
R C O
R'
Zn(Hg), HCl
EtOH, 80°C
R–CH 2
–R′
2. Riduzione di Wolff-Kishner: condizioni basiche.
(R')
R
C
H
O
NH 2
NH 2
R
R
1) NaOH, H 2
O, ∆
C N
CH 2
(R') H NH 2) H 3
O +
2 (R') H
idrazone
3. Desolforazione di tiochetali (idrogenolisi): condizioni neutre
O
HS
SH
BF 3
, etere
S
S
Ni Raney
EtOH
33

Meccanismo della Wolff-Kishner
(R')
R
C
H
HO –
N
N
H
H
(R')
R
C
H
N
N H
(R')
R
C
H
N
N H
H 2
O
si protona il
C - , più
basico di N -
(R')
R
H
H 2
O
R
H C
(R') H
–N 2
lento
R
H C
(R') H
N
N
R
H C
(R') H
N
N H
–
OH
carbanione
34

8. Addizione Nucleofila di Ammine e
Derivati
R
O
C
CH 2 R
G-NH 2
R 2
NH
G
R
N
C
CH 2 R
R
R
N
C
R
CHR
immine
enammine
G = –H, –R, –OH, –NH 2
, –NHC 6
H 3
(NO 2
) 2
, –NHCONH 2
35

Meccanismo Formazione di Immine
• È simile all’addizione di alcoli:
R
O
C
CH 2 R
La formazione
dell’immina è
più veloce
quando il mezzo
è debolmente
acido (pH 4-5).
OH
+
H + NH 2
G HO NHG
C
C
C
R CH 2 R R CH 2 R R CH 2 R
carbinolammina
‥
G–NH 2
instabile
G
R
N
C
CH 2 R
HO + H+
G +
NH
H 2
O + NHG
C
C
R CH 2 R −H 2 O
R CH 2 R
addizione
nucleofila
disidratazione
stereoisomeria
geometrica!
G = –H, –R, –Ar, –OH, –NH 2
, –NHC 6
H 3
(NO 2
) 2
, –NHCONH 2
36

Meccanismo Formazione di Enammine
• La prima parte, addizione nucleofila, è uguale:
R
O
C
CH 2 R
La formazione
dell’enammina è
più veloce
quando il mezzo
è debolmente
acido (pH 4-5).
OH
+
H + HO NHR + 2 −H+ HO NR2 addizione
C
C
R CH 2 R
R C
R CH 2 R
CH 2 R nucleofila
carbinolammina
‥
R 2
NH
H+
R + R
R R
N
N
H 2
O + NR
C
2 disidratazione
C
R CHR
C
R CHR
−H 2 O R CH 2 R
H
enammina ione immonio
37

Formazione di Immine
G = –H, –R, –Ar
Composto
carbonilico
O
‥
G–NH 2
Immina
NH
+
‥
H–NH 2
H +
cicloesilimmina
O N CH 3
N-metilimmina
+ CH 3 NH H + del 2-pentanone
2
O
H
+
NH 2
H +
N
N-fenilimmina
della
benzaldeide
38

Composto
carbonilico
Formazione di Immine
G = –NH 2 , –NHC 6 H 3 (NO 2 ) 2 , –NHCONH 2
‥
G–NH 2
Immina
O N OH acetone ossima
+ HO–NH H +
2
acetone
idrossilammina
+
+
O 2 N
NHNH 2
NO 2
2,4-dinitrofenilidrazina
+
H 2 N–NH 2 H +
idrazina
O
H 2 N NHNH 2
semicarbazide
NNH 2
acetone idrazone
NHN acetone 2,4-
H +
dinitrofenilidrazone
2,4-DNP
O 2 N NO 2
O
H + acetone semicarbazone
H 2 N
NHN
39

Ossidazione delle aldeidi
R
C O
O
[O]
H R C
OH
[O] = Cr VI Mn VII
CrO 3 KMnO 4 Ag 2
O/NH 3 O 2
K 2 Cr 2 O 7
R
O
C
H
C
R H
OH
OH
CrO 3
H 3 O+
R
O
C
OH
Alcune aldeidi sono ossidate facilmente:
O
O
H
Ag 2 O
NH 4 OH, H 2 O,
EtOH
OH
O 2
aria
40

Ossidazione dei chetoni
• I chetoni sono inerti alla maggior parte degli agenti ossidanti.
– Subiscono lenta rottura in soluzione bollente alcalina di KMnO 4 .
O 1. KMnO 4 ,H 2 O,
NaOH
COOH
2. H 3 O + COOH
• Reazione di Bayer-Villiger:
R
C O
R'
protonazione
chetone
O
R"COO –
+
R′′COOOH
OH
RCR'
R′
O
C
R−CR'
+
O R R′′COOH
O–H
O−OCR′′
O
R migra con ritenzione
di configurazione
attitudine migratoria:
3° > 2° > 1° > CH 3
41

Ossidazione dei chetoni di J. Baeyer-Villiger
Esempi
O
CH 3 CO 3 H
O
O
non
O
OCH 3
CH 3 CO 3 H
O
O
O
42