Unità Didattica 10

I composti carbonilici

Struttura, nomenclatura e reattività

Capitolo 13 di Brown e Poon

I composti caratterizzati dal gruppo carbonilico sono le aldeidi ed i chetoni

Il gruppo funzionale è il doppio legame C=O

Altri gruppi oltre al carbonile(oggetto soprattutto della prossima unitàdidattica)

Il carbonile ha geometria planare (il carbonio è sp2)

Il doppio legame C=O è più forte del doppio legame C=C

A differenza degli alcheni, il legame C=O è fortemente polare

Da questo dipendono le proprietà dei composti carbonilici e la loro reattività: il carbonio ha comportamento elettrofilo e subisce attacco nucleofilo

La reattività caratteristica dei carbonili

I composti caratterizzati dal gruppo carbonilico sono le aldeidi ed i chetoni

Sono composti che rappresentano uno stato di ossidazione superiore a quello degli alcol: si possono infatti preparare per ossidazione da questi, qualora siano presenti idrogeni attaccati al carbonio che porta l’ossidrile alcolico

Alla nomenclatura IUPAC sopravvive anche quella comune:

-ale è la desinenza delle aldeidi per la nomenclatura IUPAC

Il nome comune deriva da quello dell’acido carbossilico corrispondente con desinenza -aldeide

-one è la desinenza IUPAC per i chetoni. Si numera dall’estremità che consente di dare il numero più basso al carbonile.

Nella nomenclatura comune, si indicano i sostituenti del carbonile e si usa la desinenza chetone.

propanone

Nomi comuni

La nomenclatura IUPAC di carbonili, carbossili e derivati: strutture e desinenze

Alogeno- (es: cloro-)–Alogenuri alchiliciAlcossi- (es: metossi-)–EteriAlchil- (es: butil-)-anoAlcaniAlchinil- (es: propinil-)-inoAlchiniAlchenil- (es: propenil-)-eneAlcheniAmmino--amminaAmmineIdrossi--oloAlcolOsso--oneChetoni

Osso-Formil- (nel caso di –CH=O)

-aleAldeidiCyano--nitrileNitriliAmido--ammideAmmidiAlcossicarbonil--oatoEsteriCarbossi-Acido -oicoAcidi carbossilici

Prefisso nel caso di sostituente

DesinenzaClasse

Prio

rità

cres

cent

e

Regola generale per la priorità di nomenclatura dei composti

Esempi di denominazione di molecole con più di un gruppo funzionale Proprietà chimico-fisichePolarità del gruppo carbonile

Le aldeidi sono meno impedite stericamente e il carbonio carbonilico è meno stabilizzato: sono più reattive.

Χ

Generalità sulla reattività dei carbonili e dei substrati correlatiIl doppio legame C=O è altamente polare: il C è la parte elettrofila, specialmente reattiva nella formaldeide e nelle aldeidi perché meno impedita e più povera di elettroni. Un carbonile reagisce con i nucleofili per dare alcoli in seguito ad addizione nucleofila.

Se in seguito all’addizione di nucleofilo c’è un H legato in alfa al carbonio ex-carbonilico, può avvenire una disidratazione (si perde l’ossigeno carbonilico) per formare un nuovo doppio legame tra il carbonio carbonilico e l’atomo del nucleofilo entrato.

La riduzione del doppio legame C=O produce un alcol (primario da un’aldeide, secondario da un chetone), La riduzione dei carbonili (spesso condotta con idruri come NaBH4 o LiAlH4) può essere interpretata come un attacco nucleofilo da parte dello ione idruro (H–).

L’addizione di un reattivo di Grignard ad un carbonile genera un alcol (Alcolprimario da formaldeide, alcol secondario da altra aldeide, alcol terziario da chetone).

Reazione con i nucleofili: riduzione e addizione di Grignard

Attacco nucleofilo su substrati che portano buoni gruppi uscenti

In questo caso, la reazione può evolvere nella direzione di espellere il gruppo uscente per portare alla conversione del prodotto in un nuovo composto carbonilico

meccanismo

L’idratazione dei carbonili: catalisi basica

gem-dioli

L’idratazione dei carbonili: catalisi acida

È un esempio di reazioni di questo tipo: non danno generalmente addizionistabili, essendo il carbonile il compostofavorito ed Y, elettronegativo, in gradodi stabilizzare bene la carica negativa

La reazione dei carbonili con le ammine: la formazione delle immine (e delle enammine)

: :

Le immine sono intermedi importanti di molti processi metabolici.

Queste sono reazioni all’equilibrio: si possono riottenere i carbonili o fare reagire le immine o enammine per avere altri composti stabili (ad esempio ridurre l’immina ad ammina)

Sono esempi tipici di addizioni nucleofile in cui si elimina H2O dall’intermedio tetraedrico (le due reazioni hanno meccanismi analoghi).

Esempi di formazione di immine e enammine

La formazione degli acetali

Le aldeidi ed i chetoni reagiscono con due equivalenti di alcol in ambiente acido per dare acetali (detti anche chetali se derivati da un chetone). Come l’acqua, gli alcoli sono nucleofili e si sommano al C=O. In ambiente acido, la protonazione del carbonile ne aumenta la reattività rendendo la reazione più veloce.

L’addizione porta inizialmente ad un idrossietere detto emiacetale (analogo al gem-diolo che si forma per addizione di acqua al carbonile).

In presenza di acido, l’OH dell’emiacetale può essere protonato e può disidratare (meccanismo E1) dando uno ione ossonio che addiziona un’altra molecola di alcol per dare l’acetale (dopo deprotonazione).

Tutti i passaggi sono reversibili: si può usare in un verso o nell’altro, semplicemente modificando le condizioni di reazione (reazione in alcol e separazione dell’acqua fanno prevalere l’acetale).

Gli acetali sono importanti come gruppi protettori dei carbonili(ricordate i silil-eteri per proteggere i gruppi alcolici?)

Gli acetali (come gli eteri) sono inerti alla maggior parte delle reazioni (reattivi di Grignard, riduzioni con idruri o con idrogeno) e sono stabili in ambiente alcalino (si riconvertono in carbonili in ambiente acido).

Un esempio dell’impiego di un equivalente di glicole etilenico (1,2-etandiolo) come gruppo protettore del un carbonile per ottenere esclusivamente la riduzione del carbossile ed evitare la contemporanea riduzione del carbonile (che avverrebbe nelle stesse condizioni). La formazione dell’acetale in questo caso è ulteriormente favorita per fattori entropici (reazione intramolecolare).

Addizioni coniugate su aldeidi o chetoni α,β-insaturi (doppio legame tra le posizioni 2 e 3 rispetto al carbonile in 1)Nel caso di un carbonile α,β-insaturo, il carbonio β è elettrofilo per risonanza.

Questi prodotti possono dare addizione coniugata di un nucleofilo al doppio legame C=C. Il prodotto iniziale è uno ione enolato stabilizzato per risonanza che viene protonato al carbonio in α per dare un’aldeide o un chetone saturo.

α β

Ricordate l’addizione coniugata agli 1,3-dieni?

Doppio legame C=C attivato, può reagire con un nucleofilo (altrimenti non c’èreazione)

Esempi di addizione di nucleofili a carbonili α,β-insaturi

(diverso meccanismo con i diversi organometallici, per cui posso scegliere)

I reattivi di Grignard o di organo-litio in genere nondanno addizione coniugata, mentre i reattivi di organi-rame danno addizione coniugata.

La tautomeria cheto-enolicaOgni composto carbonilico con un idrogeno sul carbonio in α è in rapido equilibrio con l’enolo corrispondente. Sono tautomeri quegli isomeri che differiscono per

la localizzazione di un atomo di idrogeno ed un doppio legame. Sono composti diversi, con struttura diversa, messi in relazione da una reazione: non sono forme di risonanza.

Gli enoli sono in genere sfavoriti (prevale la forma chetonica) e sono difficili da isolare, ma sono molto reattivi (quindi molto importanti).

La tautomeria cheto-enolicaè catalizzata sia dagli acidi che dalle basi.

La tautomeria cheto-enolica è molto importante per spiegare la reattività dei carbonili con idrogeni in α. Ad esempio, spiega la racemizzazione spontanea al carbonio in α in presenza anche solo di tracce di acido.

Una base molto forte (NaH, ad esempio) è in grado di strappare un idrogeno in αad un carbonile. In questo modo si forma uno ione enolato, stabilizzato per risonanza. L’idrogeno in α è molto più acido che per un alcano.

Per lo stesso tipo di risonanza, i composti 1,3 dicarbonilici hanno idrogeni ancora più acidi (studia le forme di risonanza come esercizio)

Ph O

H

Ph O

H

Ph OH

(3R)-3-fenilbutan-2-one enolo achirale (3S)-3-fenilbutan-2-one

Gli ioni enolato

Gli ioni enolato sono molto utili: sono un modo per fare un nucleofilo al carbonio (e quindi poter fare reazioni per costruire una catena di carboni lunga da reagenti semplici).

LDA=litio di-isopropil ammide, una base molto forte.

Abbiamo visto che il carbonile può comportarsi sia da elettrofilo al carbonio che da nucleofilo al carbonio quando trasformato nell’enolato.

Il carbonio α dell’enolato può addizionarsi al carbonio elettrofilo del carbonile non deprotonato, anche dello stesso composto, per dare un prodotto di condensazione (un aldolo).

La condensazione aldolica

Esempi di condensazione aldolica (può essere sfruttata a scopi sintetici)

Fattori sterici (affollamento) spesso sembrano motivare le basse rese della condensazione aldolica su aldeidi con sostituenti in α o su chetoni.