Quimica Organica General

Luz Marina Jaramillo Ph. D. Depto. de Química

UNIVERSIDAD DEL VALLE VICERRECTORIA ACADÉMICA

DIRECCIÓN DE EDUCACIÓN DESESCOLARIZADA

CURSO DE

QUÍMICA ORGÁNICA GENERAL

AUTORA:

LUZ MARINA JARAMILLO PhD

Profesora Titular

Facultad de Ciencias - Departamento de Química

Santiago de Cali, 2002


ALDEHIDOS Y CETONAS: REACCIONES DE ADICIÓN NUCLEOFILICA

INTRODUCCION

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

6.1 EL GRUPO CARBONILO Y RASGOS ESTRUCTURALES DE

ALDEHIDOS Y CETONAS

6.2 PROPIEDADES FÍSICAS

6.3 REACCIONES DE ADICIÓN NUCLEOFILICA EN EL GRUPO

CARBONILO

6.3.1 Adición de Agua

6.3.2 Adición de Alcoholes: Acetales y Cetales

6.3.3 Adición de Acido Cianhídrico

6.3.4 Adición de Amoníaco, Aminas Primarias y otros derivados de

Amoníaco

6.3.4.1 Iminas

6.3.4.2 Transaminación Biológica

6.3.4.3 Hidrazonas, Fenil hidrazonas, Oximas, Semicarbazonas

6.3.5 Adición de Reactivos de Grignard

6.3.6 Reducción: Adición de Hidrógeno

6.4 OXIDACIÓN

6.5 REACTIVIDAD DE LOS HIDRÓGENOS ALFA EN ALDEHIDOS Y

CETONAS

6.5.1 Tautomería Ceto-Enólica


6.5.2 Halogenación Alfa. Reacción Halofórmica

6.5.3 Condensación Aldólica: Adición de Iones Enolato o Aldehídos

y Cetonas

6.6 PRUEBAS QUÍMICAS PARA RECONOCIMIENTO DE ALDEHIDOS Y CETONAS

INTRODUCCIÓN

Los aldehídos y las cetonas son compuestos de importancia extraordinaria.

Algunos como la bien conocida acetona o la etil metiIcetona

se utilizan en gran escala como disolvente. Las soluciones

acuosas concentradas de formaldehído (HCHO) se utilizan para preservar tejidos

animales para su estudio biológico. Productos naturales complejos como los

carbohidratos contienen el grupo carbonilo junto con grupos hidroxilo. También

varias hormonas esferoidales contienen la función carbonilo junto a otros grupos

funcionales.

El grupo carbonilo (C=O) que caracteriza la familia de los aldehídos y cetonas

es insaturado además de polar y sus reacciones pueden entenderse fácilmente

con las teorías electrónicas que se han introducido en los capítulos precedentes.

Una de las reacciones mas importantes sobre el grupo carbonilo de los aldehídos y

cetonas es la llamada adición nucleofílica al doble enlace carbono-oxigeno.

Veremos cómo estas reacciones de adición constituyen la base de una gran

variedad de procesos para obtención de diversos compuestos orgánicos así como

numerosos ejemplos importantes de mecanismos de reacción.

Se ha llegado a decir que la química de los compuestos carbonilo es virtualmente,

la espina dorsal de la química orgánica sintética.



OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Al finalizar el estudio de este material el estudiante estará en capacidad de:

6.1 Describir en general, el comportamiento físico de aldehídos y cetonas.

6.2 Explicar el mecanismo general de adición nucleofí1ica.

6.3 Escribir ecuaciones químicas para ilustrar las reacciones de adición de H2O,

alcoholes, ácido cianhídrico, derivados del amoníaco y reactivos de

Grignard.

6.4 Explicar el comportamiento ácido de los hidrógenos α carbonilo.

6.5 Dada la estructura de un aldehído o cetona con hidrógeno α, escribir la

estructura del producto de condensación aldólica bajo tratamiento con

solución diluida de hidróxido de sodio.

6.6 Explicar con ecuaciones químicas las etapas en el mecanismo de la

condensación aldólica.

6.7 Dada la estructura de un determinado aldehído o cetona y condiciones

especificas de reacción, escribir la estructura del producto o productos que

se forman.

6.8 Describir cuatro propiedades comunes a aldehídos y cetonas, cuatro

propiedades químicas particulares para aldehídos y cuatro para cetonas.


6.9 Definir reacción estereoespecífica y reacción estereoselectiva.

6.10 Explicar y representar con ecuaciones químicas las pruebas químicas que

permiten diferenciar aldehídos de cetonas y aldehídos y cetonas de otros

compuestos orgánicos.

DESARROLLO DEL CONTENIDO

6.1 EL GRUPO CARBONILO Y RASGOS ESTRUCTURALES DE ALDEHIDOS Y

CETONAS Los aldehídos y cetonas son sólo dos de las muchas clases de compuestos orgánicos

que contienen un agrupamiento químico de extrema importancia, el doble enlace

carbono-oxigeno, ó grupo carbonilo.

El carbono carbonílico de un aldehído está unido a un hidrógeno y a un grupo alquilo (o

arilo), resultando las fórmulas generales:

Una cetona contiene dos grupos alquilo (o arilo) unidos al carbono carbonílico:


Cetona alifática

Cetonas aromáticas

El grupo carbonilo está formado por un átomo de carbono con hibridación sp2 , unido a un

átomo de oxígeno mediante un enlace σ (sigma) y otro π (pi) . (Ver Figura 1.14 para

la representación de los orbitales). Los enlaces σ del grupo

7

carbonilo están situados en un plano formando ángulos de enlace de

aproximadamente 120º alrededor del carbono con hibridación sp2 (Figura 6.1) .

Figura 6.1 Estructura del Grupo Carbonilo

El grupo carbonilo es polar: el carbono tiene una carga positiva parcial bastante

pronunciada, debido a que los electrones que forman el enlace σ, y especialmente

los que constituyen el enlace π están desplazados hacia el átomo de oxígeno que

es mas electronegativo que el carbono y entonces resulta con una carga negativa

parcial. Además el átomo de oxígeno tiene dos pares de electrones no

compartidos.

Todos estos hechos estructurales (coplanaridad, enlace π, polaridad y

electrones no-compartidos) contribuyen a la reactividad del grupo carbonilo.

Así, un compuesto carbonílico puede ser atacado indistintamente por un agente

electrofíIico o nucleofíIico.

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Muchas reacciones del grupo carbonilo implican una protonación inicial del átomo de

oxigeno. Esta protonación conduce a un aumento de la carga positiva

Estructuras resonantes

sobre carbono carbonílico, de tal forma que dicho átomo es atacado mas fácilmente

por agentes nucleofílicos débiles.

6.2 PROPIEDADES FÍSICAS

Ya que el grupo carbonilo es polar se originan atracciones intermoleculares dipolo-

dipolo, lo cual se traduce en que los aldehídos y cetonas tengan puntos de

ebullición más altos que los hidrocarburos del mismo peso molecular. Sin embargo,

puesto que los aldehídos y las cetonas no pueden formar enlaces de hidrógeno

fuertes entre sí, sus puntos de ebullición son menores que los de los alcoholes

correspondientes.

El oxigeno de carbonilo permite que los aldehídos y cetonas formen fuertes enlaces

de hidrógeno con el agua. Por tanto varios aldehídos y cetonas de bajo peso

molecular presentan una apreciable solubilidad en agua. Es así como la acetona

y el

9


acetaldehído son solubles en agua en todas las proporciones. La Tabla 6.1 indica

las propiedades físicas de varios aldehídos y cetonas seleccionados.

Los aldehídos de peso molecular bajo tienen olores irritantes, pero los compuestos

de peso molecular alto especialmente aldehídos aromáticos de fuentes naturales

tienen olores muy agradables.


Benzaldehído (de las almendras amargas)

vainillina (de la vainilla)

Salicilaldehído

Cinamaldehído (canela)

Piperonal

Varias cetonas extraídas de fuentes naturales también tienen olores agradables.

Tales aromas los hace provechosos al campo de la perfumería y como agentes que

dan sabor.

Por ejemplo la civetona y la muscona son cetonas cíclicas de anillos grandes,

empleados en fabricación de perfumes.

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Tabla 6.1 Propiedades Físicas de algunos Aldehídos y Cetonas

11


Tabla 6.1 Propiedades Físicas de algunos Aldehídos y Cetonas (Continuación)

12


La β-ionona es una esencia fragante responsable del olor de las violetas.

β-Ionona

El aldehído citral (un monoterpeno) se encuentra en los aceites de los frutos

cítricos.

6.3 REACCIONES DE ADICIÓN NUCLEOFILICA EN EL GRUPO CARBONILO

La concentración de carga positiva sobre el carbono del grupo carbonilo

polarizados lo convierte en un centro electrofíIico apto para ser atacado por

reactivos nucleofíIicos (ricos en electrones o bases de Lewis), de allí que la

reacción característica de los aldehídos y cetonas es la Adición Nucleofílica.

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Un primer mecanismo general se dá cuando el nucleófilo es fuerte:

(R puede ser H) Intermediario tetrahédrico

En este tipo de adición el nucleófilo utiliza su par de electrones para formar un

enlace al carbono del carbonilo. A medida que esto sucede uno de los pares de

electrones del enlace π carbono-oxigeno se desplaza hacia el oxigeno y el

estado de hibridación del carbono cambia de sp2 -----> sp3. Se forma entonces,

un intermediario tetrahedral cuya geometría es mas apretada que la

geometría trigonal del sustrato original. La fuerza directriz que permite esta etapa

es la tendencia del oxígeno a adquirir electrones o su capacidad para soportar

una carga negativa.

En la segunda etapa, el oxígeno se asocia con un electrófilo (por lo general un

protón).

Un sequndo mecanismo general que opera en las adiciones nucleofílicas al

grupo carbonilo es el catalizado por ácidos:

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Este mecanismo se presenta cuando los aldehídos o cetonas se tratan con

reactivos que son ácidos fuertes pero nucleófilos débiles. En la primera etapa

(1) un protón (o ácido de Lewis) se asocia con el oxígeno del carbonilo debilitando

el enlace π entre carbono—oxígeno y facilitando aún mas el ataque al carbono

electrofílico del carbonilo por el nucleófilo que puede ser una especie neutra.

En la segunda etapa (2) el nucleófilo ataca rápidamente al carbono que tiene

ahora, mas concentrada la carga positiva.

Por lo general, los aldehídos sufren la adición nucleofílica con mayor facilidad que

las cetonas. Esta diferencia puede atribuirse en parte, a la magnitud de la carga

positiva sobre el carbono carbonílico y al grado de aglomeración de los grupos en el

estado de transición, lo que a su vez depende de factores electrónicos y

estéricos . Los aldehídos tienen solamente un grupo alquilo o arilo unido al carbono

carbonilo por tanto resisten mayor aglomeración en el estado de transición. Por otro

lado, una cetona con dos grupos alquilo o arilo tiene mas impedimento estérico y al

mismo tiempo tiene la carga positiva sobre el carbono mas estabilizada por los

sustituyentes alquilo o arilo. Ambos efectos se refuerzan y la cetona resulta menos

reactiva.

En general el orden de reactividad puede expresarse como:

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El formaldehído, que no tiene grupos alquilo, es el mas reactivo de todos los

aldehídos y cetonas.

Ejercicio 6.1

Coloque los siguientes aldehídos en orden creciente de reactividad:

CH2CHO, ClCH2CHO, Cl2CH2CHO y Cl3CCHO.

Solución:

El cloro siendo un átomo electronegativo incrementa la carga positiva en el

carbono carbonilo. Por consiguiente lo hace mas reactivo a medida que aumenta el

número de átomos de cloro unidos al carbono α (carbono adyacente al carbonilo).

CH3CHO < ClCH2CHO < CI2CHCHO < Cl3CCHO

Incremento de reactividad

Ejercicio 6.2

Coloque las siguientes cetonas en orden creciente de reactividad:

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Solución:

En este caso será mas fácil tener en cuenta los factores estéricos ya que en todas

las cetonas la contribución de los dos grupos alquilo a la dispersión (o

estabilización) de la carga positiva es mas o menos comparable. Por el contrario la

diferencia en el volumen de los grupos alquilo sustituyentes si incide efectivamente

en la reactividad. De allí el siguiente orden correcto de reactividad decreciente:

O O O O ll II II II

CH3CCH3 > CH3CCH2CH3 > (CH3) 2CH-C-CH3 > (CH3) 3C-C-CH3

Decrecimiento en la reactividad

Entre los reactivos que pueden adicionarse al grupo carbonilo encontramos: H20,

alcoholes, ácido cianhídrico, derivados de amoníaco, etc. para formar

respectivamente: hidratos, acetales y cetales, cianhidrinas, iminas, enaminas,

fenilhidrazonas, semicarbazonas, etc.

6.3.1 Adición de Agua - Formación de Hidratos

El H2O se adiciona en forma reversible a los aldehídos formando hidratos. La

cantidad hidratada de formaldehído en solución acuosa es elevada. No obstante la

mayoría de los aldehídos de peso molecular mas alto no forman hidratos

apreciablemente. Desde luego, los hidratos (dioles geminales), son muy inestables

y difíciles de purificar.

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Una de las excepciones es el hidrato de cloral formando a partir del

tricloroacetaldehído (un aldehído muy reactivo)

el cual es un compuesto estable que se usa como narcótico e hipnótico.

6.3.2 Adición de Alcoholes: Acetales y Cetales

La adición de un mol de alcohol en presencia de un catalizador ácido, a un aldehído o

cetona forma hemiacetales o hemicetales respectivamente.

La mayoría de estos compuestos (especialmente si son de cadena abierta) no son

suficientemente estables para ser aislados. De tal manera que la reacción continúa con

otra molécula de alcohol, la cual desplaza una molécula de agua del hemiacetal y

hemicetal

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para producir gem-diéteres conocidos como acetales o cetales.

Las ce tonas en su mayoría no experimentan fácilmente esta reacción.

Mecanismo General

La formación de un acetal o cetal implica una serie de equilibrios

y para obtener buenos rendimientos es preciso usar un exceso del alcohol o el

compuesto carbonilo. Generalmente se usa HCI (conc.) o se burbujea HCI

gaseoso a través de la solución alcohólica del aldehído.

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Los acetales se parecen a los éteres en su reactividad. Son estables en medio básico

pero reaccionan con los ácidos (reacción de hidrólisis), regenerando el alcohol y el

aldehído.

Así:

La formación de cetales no se favorece cuando las cetonas se tratan con alcoholes

simples y HCl gaseoso. Sin embargo, cuando se trata con un exceso de etilenglicol (1,2-

etanodiol) y una pequeñísima cantidad de ácido se favorece la formación de cetales

cíclicos.

También los aldehídos producen fácilmente acetales cíclicos con etilenglicol.

La formación de acetales (y especialmente los cíclicos) se emplean con frecuencia

en química preparativa como grupos protectores.

Un grupo protector es una agrupación molecular cuya misión es la de proteger de una determinada reacción a un grupo funcional, mientras que dicha reacción tiene lugar en otra parte de la molécula.

El grupo protector debe ser inerte a la mencionada reacción, pero

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debe ser fácilmente eliminable. Es por ello que los acetales y cetales resultan

buenos grupos protectores cuando se requiere hacer reacciones (en medio básico)

sobre otros grupos funcionales en la molécula.

Si se desea por ejemplo obtener 2,3-dihidroxipropanal (gliceraldehído) a partir de

propenal (acroleína) por oxidación del doble enlace con solución acuosa alcalina

fría de permanganato, existe el peligro de oxidación del grupo aldehído al

carboxilato. Por tanto es necesario proteger el grupo carbonilo. Veamos:

Protección:

Acroleína

Oxidación del doble enlace y regeneración del grupo aldehído:

Gliceraldehído

Como ya se mencionó, la mayoría de los hemiacetales son bastante inestables

para ser aislados y, en general, el equilibrio entre un aldehído, un hemiacetal y un

acetal generalmente se desplaza hacia la forma aldehído. Existe una excepción

importante a esta regla general. Una molécula que tiene un grupo OH en posición τ

o δ (posiciones relativas 1,4 ó 1,5) respecto a un grupo

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carbonilo aldehídico o cetónico, puede experimentar una reacción intramolecular

para formar un anillo hemiacetálico de cinco o seis miembros. Estos hemiacetales

cíclicos se favorecen sobre las formas aldehícas de cadena abierta.

Ejemplo:

- Hemiacetales Cíclicos

La mayoría de los azúcares simples (monosacáridos) que son polihidroxi-aldehídos

(aldosas) o polihidroxicetonas (cetosas) tienen grupos hidroxilo en posiciones τ y δ

respecto a grupos carbonilo. Por lo tanto los azúcares forman hemiacetales cíclicos

en disolución acuosa y se establece un equilibrio entre la forma de cadena abierta

y la cíclica.

La D (+)glucosa en solución acuosa está en equilibrio con sus dos formas cíclicas

llamadas anómero α y β de la D-( + )-glucosa.

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La ciclación se produce entre el hidroxilo del C-5 y el grupo carbonilo del C-1

para formar un anillo de 6 miembros. Resultan dos formas cíclicas ya que el

>C=O planar puede ser atacado por encima o por debajo.

Cada anómero puede existir en forma cristalina y producir una rotación específica

[α]D20ºC característica. Para el anómero α [α]D = +112º y el anómero β [α]D =

+19º . Si cualquiera de ellos se disuelve en agua, al cabo de un tiempo se

establece un equilibrio entre las dos formas cíclicas y la rotación específica

cambia gradualmente hasta un valor constante de +52.5°. Es lo que se conoce

como el fenómeno de "mutarotación".

Para otros monosacáridos pueden obtenerse estructuras como estas:

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- Glicósidos

La formación de acetales o cetales mixtos por la interacción de monosacáridos con

alcoholes, en presencia de cantidades catalíticas de ácidos minerales, es una reacción

importante.

Así la reacción del anómero α de D-(+)-glucosa con metanol produce el metil-α-D-

glucósido:

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Por lo general, los acetales y cetales de los carbohidratos se llaman glicósidos. Pero

reciben nombres particulares, por ejemplo, un acetal de glucosa se denomina glucósido,

los acetales de la galactosa son galactósidos, de la fructosa, fructósidos, de la manosa,

manósidos, etc.

Puesto que los glicásidos son acetales, en medios acuosos, neutros o básicos no existen

en equilibrio con una forma de cadena abierta. Bajo estas condiciones los glicósidos no

presentan mutarotación.

El enlace qlicosídico es el enlace entre el oxígeno de un monosacárido y el carbono de

un radical R. La mayor parte de los azúcares se presentan en la naturaleza en forma de

glicósidos, o sea, unidos a fragmentos de tipo no azúcar como esteroides.

Los disacáridos son glicósidos en los cuales el grupo R es otro monosacárido. Un

ejemplo es la maltosa donde el oxígeno del C-4 de una unidad de glucosa se ha unido al

C-1 del hemiacetal cíclico α de otra molécula de glucosa:

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Obsérvese que el disacárido maltosa aún tiene un carbono C-1 hemiacetal que le

permitiría reaccionar con otra molécula de α-D-glucosa. El trisacárido formado podría

seguirse extendiendo hasta formar un polisacárido (carbohidrato) de cadena larga como el

almidón. Es así entonces, como se forman los carbohidratos naturales de largan cadenas

que constituyen las reservas de energía de los cuerpos vivos .

Ejercicio 6.3

Cuál de las siguientes estructuras contiene un grupo hemiacetálico y cuál contiene un

grupo acetálico o cetálico? Señale con un círculo e identifique cada grupo.

Ejercicio 6.4

Escriba las estructuras del alcohol y del aldehído o cetona necesarios para preparar cada

uno de los compuestos indicados en el problema anterior.

Ejercicio 6.5

a) Qué reacción conocida ilustra la ecuación siguiente?

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b) A qué familia de compuestos pertenece 1?

c) Qué dá 1 por tratamiento con ácido? con base?

Ejercicio 6.6

Ilustre con estructuras los hemiacetales cíclicos que resultan de los siguientes

monosacáridos:

6.3.3 Adición de Acido Cianhídrico

De la misma manera que el agua y los alcoholes, el ácido cianhídrico se puede

adicionar al grupo carbonilo de un aldehído o una cetona, formando una clase de

compuestos denominados cianhidrinas (2-hidroxinitrilos).

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El ácido cianhídrico (p.e.26º C ) puede considerarse como un gas o un líquido de

bajo punto de ebullición. Es un compuesto letal (es el gas empleado en las

cámaras de gas) ya que el CN - bloquea toda la cadena respiratoria y produce

la muerte por asfixia. Su olor a almendros es inconfundible pero cuando el

olfato humano lo detecta su concentración ya es letal.

En operaciones normales de laboratorio puede utilizarse como un gas tomando

precauciones extremas. Pero es quizás mas seguro obtenerlo "in situ" en la mezcla

de reacción, a partir de las sales cianuro de potasio (KCN) y cianuro de sodio

(NaCN) con un ácido mineral fuerte.

Las reacciones que involucren el ión cianuro siempre deben realizarse en

campanas extractoras eficientes.

El ión cianuro (CN ) es un nucleófilo fuerte para añadirse al grupo carbonilo.

Las cianhidrinas son intermediarios muy útiles en síntesis. Por ejemplo, el grupo

cianuro puede hidrolizarse (en medio ácido) a un grupo carboxilo o se puede

reducir a un grupo —CH2NH2

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Ejemplos:

Una mezcla diastereomérica de dos ácidos tartáricos fue obtenida a través de la

siguiente secuencia de reacciones realizada en 1917 a partir del D-(+)-

gliceraldehído. La primera etapa de esta secuencia es la formación de una mezcla

de cianhidirinas diastereoméricas:


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La mezcla de los ácidos dicarboxílicos produjo uno ópticamente inactivo (III) y otro

que rotaba el plano de la luz polarizada hacia la izquierda (IV). Al ácido (-)-tartárico

así obtenido, se le asignó la configuración IV y, puesto que estaba relacionado con

el D-gliceraldehído se designó ácido D-(-)-tartárico.

El ácido tartárico resultó así, el eslabón estereoquímico entre los carbohidratos y el

patrón de referencia, gliceraldehído. Es posible entonces, aumentar la cadena

carbonada de un monosacárido (aldosa) y convertirlo en otro de mayor número de

carbonos, usando la reacción de las cianhidrinas.

Varios árboles frutales del género Prunus (ciruelas, cerezas, ciruelos, melocotones,

etc.) contienen cianhidrinas. Tales cianhidrinas se biosintetizan y almacenan corno

derivados en las almendras o corazón de tales frutas. El olor y el sabor de las

almendras amargas se debe en parte al benzaldehído y a la cianhidrina de

benzaldehído y aunque el HCN tiene una estructura muy diferente expide un olor

similar. La amigdalina es un glucósido y a la vez una cianhidrina que se encuentra

en las semillas de los albaricoques:

30 Luz Marina Jaramillo Ph. D. Depto. de Química

Ya que las cianohidrinas se pueden hidrolizar enzimáticarneóte a HCN, no se

deben comer en exceso las almendras de los albaricoques, cerezas y otras

especies de Prunos.

6.3.4 Adición de Amoniaco, Aminas Primarias y otros derivados del

Amoníaco

El amoniaco, las aminas primarias y otros de sus derivados son agentes

nucleofílicos, y al igual que otros nucleófilos, pueden atacar al carbono carbonilo de

aldehídos y cetonas. La reacción debe catalizarse por trazas de ácidos. En principio

puede imaginarse la primera etapa de la reacción como una simple adición del

grupo amino al grupo carbonilo. El producto de adición obtenido es inestable y

puede formar un doble enlace >C=N donde inicialmente se encontraba el grupo

carbonilo >C=O, por eliminación de una molécula de agua.

Mecanismo General :

6.3.4.1 Iminas

Cuando los aldehídos y cetonas reaccionan con amoniaco o aminas primarias bajo

condiciones suavemente acidas se forman las iminas.

31


Las iminas formadas a partir de amoníaco son inestables y se polimerizan cuando se

dejan en reposo. Pero las iminas obtenidas de aminas primarias (R-NH2) llamadas también

bases de Schiff son mas estables, aunque algunas veces son sólo intermediarios en

ciertas reacciones.

Los aldehídos aromáticos (tal como benzaldehído) o arilaminas (como anilina) dan las

iminas mas estables, aunque se pueden usar otros aldehídos, cetonas y aminas

primarias.

Ejemplos:

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Todas estas reacciones son equilibrios y deben catalizarse por ácidos diluidos. El pH

óptimo para la velocidad de esta reacción es entre 3 y 4.

Cerno se mostró en el mecanismo general, se trata de un proceso en dos etapas, conocido

a menudo como reacción de adición-eliminación.

La primera etapa es el ataque rápido y reversible del grupo amino al carbonilo para formar

el derivado hemiaminal (análogo a un hemiacetal pero con nitrógeno). La segunda etapa

controla la velocidad de la reacción, es la eliminación de agua y se requiere protonación

del grupo hidroxilo. De allí que sea necesaria la catálisis acida:

Etapa1, adición:

Etapa 2, eliminación:

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6.3.4.2 Transaminación Biológica

Las iminas son intermediarias importantes en la biosíntesis de α-aminoácidos (R-

CH(NH2)CO2H). Si la dieta no contiene las proporciones requeridas de los

aminoácidos necesarios, en algunos casos el organismo convierte un aminoácido

no necesario en otro indispensable a través de una transaminación. El proceso

involucra la transferencia de un grupo amino del aminoácido no necesario a un

cetoácido. Esto es:

Se cree que la reacción procede a través de una serie de equilibrios donde

intervienen iminas intermediarias. El proceso es catalizado por las enzimas

transaminasas.

6.3.4.3 Oximas, Arilhidrazonas, Semicarbazonas

Los aldehídos y cetonas también pueden reaccionar con otros derivados del

amoníaco donde G no es un grupo alquilo (R) o arilo (Ar).

En la Tabla 6.2 se dá la reacción general con cada uno de estos derivados, la clase

de producto que se forma y ejemplos de cada una.

34


Todas ellas ocurren bajo catálisis ácida y siguen el mismo patrón mecanístico

general presentado arriba.

Los productos formados son sólidos muy estables con puntos de fusión

característicos, por lo que se utilizan con frecuencia para identificación de ciertos

aldehídos y cetonas.

Tabla 6.2 Reacción de Aldehídos y Cetonas con Derivados de Amoniaco

Reacción General

Aldehído o cetona Derivado de Amoníaco Producto

35


Tabla 6.2 Reacción de Aldehídos y Cetonas con Derivados de Amoniaco (Continuación)

Aldehído o cetona Derivado de Amoníaco Producto

6.3.5 Adición de Reactivos de Grignard: Formación de Alcoholes

Los reactivos de Grignard preparados a partir de halogenuros de alquilo con Mg en éter

seco se adicionan fácilmente al carbonilo de un aldehído o cetona para formar alcoholes.

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Reacción general:

Esta reacción ocurre porque el enlace del reactivo de Grignard es bastante

polar por el carácter electropositivo del metal. De tal manera que el carbono de la posición

alquílica o arílica actúa entonces, como un nucleófilo (base de Lewis) sobre el carbono

electrofílico del carbonilo, para formar un enlace

El alcóxido de magnesio (una sal blanca) se hidroliza fácilmente hasta el alcohol con una

solución ligeramente acídica.

La reacción de Grignard es considerada como uno de los métodos sintéticos (o

preparativos) mas populares entre los químicos orgánicos para obtener alcoholes de

mayor número de carbonos.

Con el formaldehído se obtienen alcoholes primarios, con el resto de los

aldehídos, alcoholes secundarios y con las cetonas alcoholes terciarios.

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El reactivo de Grignard es inestable y debe obtenerse "in situ" por tratamiento del

halogenuro de alquilo o arilo con Mg en éter seco y bajo atmósfera de N2 ya que el

reactivo de Grignard se descompone fácilmente en presencia de O2 ó H2O de la

atmósfera.

Con el H20 y otros compuestos que contengan hidrógeno activo como alcoholes,

fenoles, aminas y tioles el reactivo de Grignard se hidroliza fácilmente. Esto es:

Por tanto, el compuesto carbonilo que se añada a la mezcla de reacción con el

reactivo de Grignard no puede contener otros grupos funcionales como -NH, -O-H,

ó -S-H.

Ejemplos:

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Usando la síntesis de Srignard es posible entonces planificar la preparación de alcoholes

de mayor número de carbonos, alquenos y aún alcanos partiendo sólo de alcoholes mas

simples. Uno de los alcoholes puede transformarse en un halogenuro de alquilo usando

halogenuros de hidrógeno (H-X) o halogenuros de fósforo (PCl3, PCl5, PBr3) . El otro

alcohol se oxidaría bajo condiciones suaves hasta aldehído (si es un alcohol 1º) o hasta

cetona (si es un alcohol 2º), de esta forma tendríamos los reactantes para la reacción

de Grignard.

Ejercicio 6.7

Sugiera una síntesis para el ácido láctico: a partir de

39


etanol y HCN.

Solución :

Vemos que el ácido láctico tiene un carbono más que el etanol, como carboxilato. La

adición de cianhidrina a un carbonilo >C=O y posterior hidrólisis de nitrilo resultante

produce un ácido carboxílico. Así que el etanol debemos convertirlo en acetaldehído por

oxidación suave:

PCC = CIorocrornato de Piridinio

Ejercicio 6.8

Escriba las estructuras de los compuestos precursores: carbonilo y amino para las

siguientes iminas:

Ejercicio 6.9

Qué reactivos de Grignard utilizaría para llevar a cabo las siguientes conversiones (o

síntesis):

40 Luz Marina Jaramillo Ph. D. Depto. de Química

Ejercicio 6.10

Represente la estructura y proponga un nombre para el producto de cada una de las

reacciones de Grignard siguientes:

Una solución acuosa de cloruro de amonio (NH4Cl) es acídica por la siguiente reacción

de hidrólisis:

N+H4 + H20 :NH3 + H3O+

41


Ejercicio 6.11

Escriba un mecanismo por etapas para la formación del siguiente cetal cíclico:

Ejercicio 6.12

Escriba el producto orgánico principal para las siguientes reacciones:

42


6.3.6 Reducción: Adición de Hidrógeno

Los aldehídos y cetonas pueden convertirse respectivamente a alcoholes primarios

o secundarios por reducción del grupo carbonilo con H2 en presencia de un

catalizador apropiado, ó bien empleando agentes reductores químicos.

La reducción de un grupo carbonilo a alcohol implica la adición de dos átomos de

hidrógeno al enlace doble del carbonilo:

Hidrogenación catalítica


Hidrogenación Química

Entre los agentes reductores químicos mas comunes están el hidruro de aluminio y

litio (Li Al H4) y el borohidruro de sodio (Na BH4) . El primero se usa con el

compuesto en solución etérea seca y el segundo en metanol acuoso.

Ejemplos:

43

Estos agentes reductores tienen la ventaja de ser selectivos, es decir, que sólo

reducen los carbonilos sin intervenir con dobles o triples enlaces presentes en la

molécula.

6.4 OXIDACIÓN

Los aldehídos se oxidan con facilidad a ácidos carboxílicos, no así las cetonas. Por

regla general casi cualquier reactivo que oxide un alcohol, oxida también un

aldehído. Las sales de permanganato y dicromato son los agentes oxidantes mas

empleados, pero de ninguna manera son los únicos reactivos que se pueden

utilizar.

Además de la oxidación con los agentes mencionados, los aldehídos se oxidan

mediante agentes oxidantes suaves tales como Ag+ o Cu2+ . El reactivo de Tollens (solución alcalina de un complejo plata-amoniacal se utiliza como prueba

para reconocimiento de aldehídos . El grupo aldehído se oxida al anión

carboxilato, la Ag+ en el reactivo de Tollens se reduce a plata

44


metálica. Si la prueba es positiva aparece un espejo de plata sobre las paredes de

tubo de ensayo:

espejo 6.5 REACTIVIDAD DE LOS HIDRÓGENOS ALFA EN ALDEHIDOS Y CETONAS

Los aldehídos y cetonas además de estar propensos al ataque nucleofílico en el

carbono del carbonilo, presentan una segunda característica que es la marcada

acidez de los hidrógenos en los carbonos adyacentes al grupo carbonilo. Estos

hidrógenos se denominan por lo general hidrógenos α (alfa) y el carbono al que

están unidos es el carbono α:

Al decir que los hidrógenos-α son ácidos, significa que son mucho más ácidos

que otros hidrógenos unidos al carbono.

Las constantes de acidez (Ka) de los hidrógenos α en los aldehídos o cetonas

más simples son del orden de 19 -19 - 10 -20. O sea que son más ácidos que los

hidrógenos del acetileno

(Ka = 10-25) .

Por qué es ácido un átomo de hidrógeno en posición α a un grupo

45


carbonilo? Hay dos razones: La primera, es que el carbonilo α está adyacente a uno (o dos)

átomo(s) de carbono parcialmente positivo: el carbono del carbonilo . Por

efecto inductivo de atracción de electrones el carbono α participa un poco de esta carga

positiva, y el enlace -C-H se debilita.

En segundo lugar, y mas importante, está la estabilización por resonancia del anión

que se produce y el cual se denomina ión enolato o simplemente carbanión:

Puede observarse que es posible escribir dos estructuras en resonancia A y B para el

anión. En la estructura A la carga negativa está sobre el carbono y en la estructura B está

sobre el oxígeno.

El híbrido de resonancia puede a su vez representarse como:

46


Por otro lado, si un átomo de hidrógeno está en posición α respecto a dos grupos

carbonilo la acidez de aquel se incrementa aún más y puede dar lugar a una sal al tratarse

con bases fuertes como los alcóxidos (R0-). Así por ejemplo, el Ka de la 2,4-

pentanodiona es 10 -9 , mucho mas ácido que el etanol

(Ka ≅ 10 -16) o que el agua (Ka ≅ 10-15) . El tratamiento de este

compuesto β-dicarbonílico con etóxido de sodio (EtO – Na+ ) o cualquier otra

base fuerte, tal como hidruro de sodio (NaH) o amida de sodio (NaNH2)

conduce a la sal sódica o ión enolato

Por supuesto que la mayor acidez de un compuesto dicarbonílico se debe al

grado de estabilización por resonancia del carbanión o ión enolato resultante:

C, D y E son estructuras contribuyentes al híbrido:

47


Es corriente que por comodidad sólo representemos en las ecuaciones una de las

estructuras contribuyentes o localizadas (caso de la sal sódica de 2,4-

pentanodiona) pero no debe olvidarse que la carga negativa puede estar

deslocalizada en dos o tres átomos.

Ejercicio 6.13

Escriba las estructuras en resonancia de los iones enolato que se forman cuando

las siguientes dionas se tratan con alcóxidos de sodio:

6.5.1 Tautomería Ceto-Enólica

Aún en ausencia de una base fuerte se puede evidenciar la acidez de un átomo de

hidrógeno alfa(α).Un compuesto carbonílico con un átomo de hidrógeno alfa ácido,

puede existir en dos formas llamadas tautómeros: Una forma tautómera ceto y otra

enol. El tautómero enol, (de -eno + ol), que es un alcohol vinilíco, se forma por

transferencia de un hidrógeno ácido, situado sobre un carbono α, al oxígeno

carbonílico. Como un átomo de hidrógeno α está en diferentes posiciones, las

dos formas tautómeras no

48


son estructuras en resonancia, son dos estructuras diferentes en equilibrio.

(Recuerde que las estructuras en resonancia se diferencian solamente en la

posición de los electrones).

En los compuestos monocarbonílicos sencillos como la acetona y el acetaldehído

las cantidades de la forma enol presente en el equilibrio es muy pequeña. En la

acetona es inferior al 1%, en el acetaldehído la concentración del enol es

demasiado pequeña para ser detectada.


Forma Ceto Forma Enol

Con los compuestos que tienen dos grupos carbonilos separados por un carbono saturado

(llamados compuestos β-dicarbonílicos) , la

49

cantidad de enol presente en el equilibrio es mucho mayor. Por ejemplo, la 2,4-

butanodiona existe en forma enol en una proporción de 76%:

Ejercicio 6.14

Cuáles de cada uno de los siguientes pares de compuestos son tautómeros y

cuáles son estructura en resonancia?

Enoles en Bioquímica

Una reacción importante en la síntesis y degradación de los azúcares implica la

interconversión de una cetona de tres carbonos y un aldehído de tres carbonos.

50


Esta notable reacción es catalizada por una enzima llamada isomerasa del fosfato de

triosa. Aunque no se comprendan en su totalidad los detalles de la reacción enzimática,

hay evidencia sustancial de que la interconversión se lleva a cabo a través de un

intermediario enol (específicamente un enodiol) que se representa enseguida.

Ejercicio 6.15

La primera etapa en el metabolismo de los carbohidratos (almidones y azúcares) es la

degradación de estos a glucosa en vías digestivas (Esta degradación corresponde a la

hidrólisis de los enlaces acetálicos). Luego, en las células de un organismo, la glucosa se

convierte al final en C02 y H20 y tal conversión se inicia con la formación de glucosa-σ-

fosfato, seguida de su isomerización a fructosa-σ -fosfato.

51


A través de cual intermediario (escriba su estructura) ocurre esa interconversión?

6.5.2 Halogenación Alfa. Reacción Halofórmica

Las cetonas se halogenan rápidamente en el carbono α. La reacción requiere

condiciones alcalinas o catálisis Acida.

Medio Básico:

El mecanismo implica dos etapas. La primera etapa (la etapa lenta) implica la formación

del carbonión o ión enolato. En la segunda etapa, el ion enolato experimenta rápidamente

reacción con el halógeno para dar la cetona α-halogenada y un ión halogenuro:

52


Uno de los inconvenientes de la reacción de α-halogenación de una cetona promovida por

base, es que un segundo átomo de halógeno se introduce con mayor facilidad que el

primero:

por tanto el rendimiento del producto monohalogenado resulta seriamente afectado.

Si la cetona es una metilcetona: , la halogenación puede continuar hasta el

producto trihalógeno , el cual, bajo las condiciones alcalinas es

inestable y reacciona con OH – para formar un carboxilato y haloformo.

Esta reacción es la base del ensayo químico prueba del yodoformo para metilcetonas. El

grupo metilo de una metilcetona se yoda totalmente (en varias etapas) hasta la formación

de un sólido amarillo, el yodoformo (CHI3).

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Aún los alcoholes secundarios con un grupo metilo terminal dan la prueba del

yodoformo positiva porque bajo las condiciones de la reacción se oxidan a cetonas:

El bromo y el cloro también reaccionan con metil cetonas para dar,

respectivamente, bromoformo <CHBr3) y cloroformo (CHCl3). Como estos últimos

son líquidos que no se distinguen fácilmente en la mezcla de reacción, la formación

de ellos no se lleva a cabo como prueba de ensayo.

Medio ácido;

La α-halogenación en medio ácido da usualmente mayor rendimiento que en medio

básico. A diferencia de la α-halogenación en medio básico, el ácido aquí no es un

reactivo sino un catalizador.

La reacción catalizada por ácido procede vía el enol, siendo la formación de éste la

etapa determinante de la velocidad:

Protonación

Formación del Enol

54


Ejercicio 6.16

a) Qué especies están implicadas en la etapa determinante de la velocidad de la α-

halogenación de la acetona, catalizada por ácido?

b) Escriba el mecanismo para la α-bromacion catalizada por ácido de ciclopentanona.

Ejercicio 6.17

a) Cuál de los siguientes compuestos daría una prueba de

yodoformo pos i t i va.

b) Escriba la estructura de los ácidos carboxílicos formados:

a) Aceto-fenona b) Pentanol

c) 2-Pentanona d) 2-Butanol

e) 1-Acetilnaftaleno f) 3-Pentanol

55


6.5.3 Condensación Aldólica; Adición de Iones Enolato a Aldehídos y

Cetonas

Un aldehído o una cetona pueden reaccionar consigo mismo en presencia de base

diluida. (∼ 10% de NaOH) para producir un β-hidroxialdehído o una β-

hidroxicetona:

Esta clase de reacción (una dimerización) se conoce como condensación aldólica

("alcohol", debido a que el producto es un hidroxialdehído o una hidroxicetona y

"condensación" debido a que dos moléculas se condensan en una). La reacción

puede ocurrir en medio alcalino como ya se mencionó, pero también ocurre en las

células vivientes catalizada por enzimas. La condensación aldólica es una de las

reacciones para la construcción de las grandes moléculas de los, organismos

vivos. También se encontrará que es la reacción inversa, en la bioquímica de los

carbohidratos.

El mecanismo de la adición aldólica es de particular interés porque esta sola

reacción ejemplifica dos importantes

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características de los compuestos carbonílicos: la acidez de sus hidrógenos α y la

tendencia de los grupos carbonilo a efectuar reacciones de adición nucleofílica. A

continuación se ilustra el mecanismo general, con la condensación de acetaldehído.

Etapa 1

"ion enolato" Etapa 2

"ion enolato" Etapa 3

Como puede observase en el esquema anterior, la base (ión hidróxído) separa un protón

del carbono α de una molécula de acetaldehído, en la primera etapa. Se produce el

carbanión (ión enolato) estabilizado por resonancia. En la segunda etapa, el ión enolato

actúa como nucleófilo y ataca al carbono del carbonilo de una segunda molécula de

acetaldehído, produciéndose

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un ión alcóxido. En la tercera etapa, el ión alcóxido separa un protón del agua para formar

el alcohol. Esta etapa se lleva a cabo porque el ión alcóxido es una base mas fuerte que el

ión hidróxido.

Ejercicio 6.18

Ilustre el mecanismo de autocondensación de acetona en solución alcalina de

hidróxido de sodio.

Otros ejemplos:

Es importante advertir que los aldehídos sufren condensaciones aldólicas con mayor

facilidad que las cetonas. Para los aldehídos la condensación puede llevarse a cabo a

temperaturas entre 0-25º C en soluciones diluidas de NaOH. Para las cetonas hay que

usar temperaturas mas altas y un equipo especial.

Si el aldehído o la cetona no tienen por lo menos un hidrógeno α al grupo carbonilo

no puede llevarse a cabo la autocondensación. Por ejemplo:

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Ejercicio 6.19

Cuáles de los siguientes aldehídos no pueden autocondensarse. Explique:

6.5.3.1 Deshidratación de los Alcoholes

Un compuesto β-hidroxicarbonílico sufre fácilmente deshidratación (al calentar

ligeramente el aldol en medio acido o básico), porque el producto resultante contiene un

doble enlace conjugado con el grupo carbonilo.

Por consiguiente se puede obtener con facilidad un aldehído α,β-insaturado. como

producto de la condensación aldólica.

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Si la condensación se lleva a cabo con aldehídos y cetonas

aromáticas, el producto aldol no llega a aislarse y sólo se obtiene el compuesto α,β-

insaturado que tiene un alto grado de conjugación (Por qué?). Así, en la

autocondensación de acetofenona se aisla directamente 1,3-difenil-2-buten-1-ona

6.5.3.2 Condensación Aldólica Cruzada

Las adiciones aldólicas "mixtas" o "cruzadas" entre dos compuestos carbonilo

diferentes son de poca importancia sintética (o preparativa) si ambos reactivos

tienen hidrógeno α, porque tales reacciones producen una mezcla muy compleja

de productos. Por ejemplo, si se llevara a cabo una adición aldólica cruzada, entre

etanal y propanal se esperaría obtener al menos cuatro productos. Dos por

condensación de cada molécula de aldehído consigo misma y dos por

condensación cruzada.

60


Ejercicio 6.20

Escriba los cuatro posibles productos que se obtendrían de la condensación de

etanal y propanal:

Sin embargo, las reacciones aldólicas cruzadas son de uso práctico cuando uno de los

reactivos no tiene hidrógeno α. Generalmente el compuesto carbonilo sin hidrógeno α (un

aldehído) se coloca en el medio alcalino y luego se adiciona lentamente el otro reactivo

que tiene hidrógenos α. De esta forma se asegura, que la concentración del reactivo con

hidrógenos α sea baja y sólo se encuentre como ión enolato el cual atacará al compuesto

carbonilo sin hidrógenos α

La Tabla 6.3 muestra varios ejemplos de este tipo:

61


Tabla 6.3 Condensaciones Aldólicas Cruzadas

Ejercicio 6.21

Prediga los principales productos de:

62


6.5.3.3 Adiciones Aldólicas en Bioquímica

En las células vivas de las plantas y animales se llevan a cabo varias adiciones de tipo

aldólico. Una reacción "in .vivo" de gran importancia en la síntesis de la glucosa implica la

adición aldólica cruzada entre el 3-fosfato de R-gliceraldehído y el fosfato de

dihidroxiacetona para producir 1,6-difosfato de D-fructosa. La enzima que cataliza esta

reacción tiene el nombre apropiado de aldolasa. La reacción es completamente

estereoselectiva y estereoespecífica; sólo produce 1,6-difosfato de D-fructosa, aunque

teóricamente es posible que se formen otros tres estereoisómeros.

Una reacc ión estereoselectiva es la que da predominantemente un enantiómero de un par posible o un diastereómero de varios diastereómeros posibles.

Una reacción estereoespecífica es aquella en la que moléculas estereoquímicamente diferentes reaccionan en forma distinta.

La última definición significa que para el caso de la reacción enzimática que estamos

tratando, solo una clase de enantiómero del gliceraldehído reacciona, el enatiómero R.

Además, éste solamente produce un estereoisómero la D-fructosa.

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La reacción de la aldolosa, como otras adiciones aldólicas es reversible. La célula

puede entonces utilizar la reacción para sintetizar glucosa (vía 1,6-difosfato de

fructosa) o puede utilizarla para degradar glucosa (vía 3-fosfato de gliceraldehído y

fosfato de dihidroxiacetona) a dióxido d« carbono y agua. Puesto que la glucosa

tiene una energía química potencial mucho mayor que el dióxido de carbono y el

agua, la síntesis de glucosa da a la célula un método para almacenar energía.

6.6 PRUEBAS QUÍMICAS DE RECONOCIMIENTO DE ALDEHIDOS Y CETONAS

Los aldehídos y cetonas se caracterizan por la adición de reactivos nucleofílicos al

grupo carbonilo, en especial los derivados de amoniaco (Sec. 6.3.4). Así, por

ejemplo un aldehído o una cetona reaccionará con la 2,4-dinitrofenilhidracina para

formar un sólido insoluble, amarillo o rojo.

Los aldehídos se caracterizan y distinguen en particular de las cetonas por su

facilidad de oxidación: los aldehídos dan la

64


prueba positiva con el reactivo de Tollens (Sec. 6.4), mientras que las cetonas

(excepto las α-hidroxicetonas: ) la dan negativa.

Otros dos ensayos para distinguir los aldehídos son las soluciones de Fehling y

de Benedict. Ambos son alcalinos y contienen el ión cobre (II), Cu2+, estabilizado

por un agente acomplejante. Este agente es el ion tartrato para Fehling y el ion

citrato para Benedict:

Un aldehído reduce el ión Cu2+ acomplejado, para formar óxido cuproso

(precipitado rojo). No obstante estas tres reacciones no son exclusivas de

aldehídos sino de sustancias susceptibles a una oxidación suave.

Lo que se observa cuando el ensayo es positivo es un cambio del color azul intenso

de la solución del ion Cu2+ a un color naranja-rojo del precipitado de óxido de cobre

(I). Los sistemas principales que dan este resultado son α-hidroxialdehídos,

α-cetoaldehídos y α—hidroxicetonas.

65


α-hidroxialdehído α-cetoaldehído α-hidroxicetona

Los α-hidroxialdehidos y α-hidroxicetonas son comunes a la-familia de los azúcares (la

Glucosa es un α-hidroxialdehído, la Fructosa es una α-hidroxicetona).

El ensayo de Benedict es un método común para detectar la presencia de glucosa en la

orina. Normalmente, la orina no contiene glucosa, pero en ciertas condiciones, tal como la

diabetis sí la contiene. Un ensayo positivo para glucosa varía desde un color verde

brillante (0.25% de glucosa), a un amarillo naranja ( 1% de glucosa) hasta un rojo-ladrillo

(2% de glucosa).

Dentro de las cetonas los metilcetonas se caracterizan por la prueba del yodoformo

(Sec. 6.5.2).

Por otro lado, los aldehídos y cetonas, que tienen hidrógenos α, reaccionan con Br2/CCl4,

reacción que, por lo general, es demasiado lenta para confundirla con una prueba de

insaturación, además de que libera H-Br.

Ejercicio 6.2.1

Cómo diferenciaría los siguientes pares de compuestos mediante pruebas químicas

sencillas?

a) Ciclohexanona y ciclohexanol

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b) 2-pentanona y 3-pentanona

c) pentanol y 2-pentanona

d) 2-penteno y 2-pentanona

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Quimica Organica General

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