Las reacciones de sustitución alfa ocurren en la posición próxima al grupo carbonilo, la posición α, e implican la sustitución de un átomo de hidrógeno α por un electrófilo , E, a través de un intermedio de iones enol o enolato . [1]
Mecanismo de reacción
Debido a que sus dobles enlaces son ricos en electrones, los enoles se comportan como nucleófilos y reaccionan con los electrófilos de la misma manera que lo hacen los alquenos . Pero debido a la donación de electrones por resonancia de un par solitario de electrones en el oxígeno vecino , los enoles son más ricos en electrones y, en consecuencia, más reactivos que los alquenos. Observe en el siguiente mapa de potencial electrostático del etenol (H 2 C = CHOH) cómo hay una cantidad sustancial de densidad electrónica en el carbono α.
Cuando un alqueno reacciona con un electrófilo, como el HCl , la adición inicial de H + da un catión intermedio y la reacción posterior con Cl - produce un producto de adición . Sin embargo, cuando un enol reacciona con un electrófilo, solo el paso de adición inicial es el mismo. En lugar de reaccionar con Cl - para dar un producto de adición, el catión intermedio pierde el protón OH - para dar un compuesto de carbonilo α-sustituido . [1] : 845
Alfa-halogenación de aldehídos y cetonas
Una reacción de sustitución α particularmente común en el laboratorio es la halogenación de aldehídos y cetonas en sus posiciones α mediante la reacción de Cl 2 , Br 2 o I 2 en solución ácida. A menudo se utiliza bromo en disolvente de ácido acético .
Sorprendentemente, la halogenación de cetonas también se produce en sistemas biológicos , particularmente en algas marinas, donde se han encontrado dibromoacetaldehído, bromoacetona , 1, l, l-tribromoacetona y otros compuestos relacionados.
La halogenación es una reacción de sustitución α típica que procede mediante la formación catalizada por ácido de un intermedio enólico. [1] : 846
Acidez de los átomos de hidrógeno alfa: formación de iones enolato
Un hidrógeno en la posición α de un compuesto de carbonilo es débilmente ácido y puede ser eliminado por una base fuerte para producir un ion enolato. Al comparar acetona (pK a = 19,3) con etano (pK a = 60), por ejemplo, la presencia de un grupo carbonilo vecino aumenta la acidez de la cetona sobre el alcano en un factor de 10 40 .
La abstracción de un protón de un compuesto carbonilo ocurre cuando el enlace a CH está orientado aproximadamente paralelo a los orbitales p del grupo carbonilo. El átomo de carbono α del ion enolato está hibridado con sp 2 y tiene un orbital p que se superpone a los orbitales p del carbonilo vecinos. Por lo tanto, el negativo de carga es compartida por el electronegativo átomo de oxígeno, y el ion enolato es estabilizado por resonancia .
Los compuestos de carbonilo son más ácidos que los alcanos por la misma razón que los ácidos carboxílicos son más ácidos que los alcoholes. En ambos casos, los aniones se estabilizan por resonancia. Sin embargo, los iones enolato difieren de los iones carboxilato en que sus dos formas de resonancia no son equivalentes: la forma con la carga negativa en el oxígeno es más baja en energía que la forma con la carga en el carbono. Sin embargo, el principio detrás de la estabilización por resonancia es el mismo en ambos casos.
Debido a que los compuestos de carbonilo son solo débilmente ácidos, se necesita una base fuerte para la formación del ión enolato. Si se utiliza como base un alcóxido como el etóxido de sodio, la desprotonación se produce sólo hasta aproximadamente el 0,1% porque la acetona es un ácido más débil que el etanol (pK a = 16). Sin embargo, si se usa una base más poderosa, como hidruro de sodio (NaH) o diisopropilamida de litio ( LDA ), un compuesto de carbonilo se puede convertir completamente en su ion enolato. La diisopropilamida de litio (LDA), que se prepara fácilmente por reacción de la base fuerte butillitio con diisopropilamina , se usa ampliamente en el laboratorio como base para preparar iones enolato a partir de compuestos carbonílicos.
Muchos tipos de compuestos de carbonilo, incluidos aldehídos , cetonas , ésteres , tioésteres , ácidos y amidas , se pueden convertir en iones enolato por reacción con LDA. Tenga en cuenta que los nitrilos también son ácidos y se pueden convertir en aniones similares a enolato (denominados aniones de nitrilo ). Cuando un átomo de hidrógeno está flanqueado por dos grupos carbonilo, su acidez aumenta aún más. Esta acidez mejorada de los compuestos de β-dicarbonilo se debe a la estabilización de los iones enolato resultantes por deslocalización de la carga negativa sobre ambos grupos carbonilo. [1] : 850
Reactividad de los iones enolato
Los iones enolato son más útiles que los enoles por dos razones. Primero, los enoles puros normalmente no se pueden aislar, sino que se generan solo como intermedios de vida corta en baja concentración . Por el contrario, las soluciones estables de iones de enolato puros se preparan fácilmente a partir de la mayoría de los compuestos de carbonilo por reacción con una base fuerte. En segundo lugar, los iones enolato son más reactivos que los enoles y experimentan muchas reacciones que los enoles no. Mientras que los enoles son neutros, los iones enolato tienen carga negativa, lo que los convierte en nucleófilos mucho mejores. Como resultado, los iones enolato son más comunes que los enoles tanto en laboratorio como en química biológica.
Debido a que son híbridos de resonancia de dos formas no equivalentes, los iones enolato se pueden considerar como alcóxidos vinílicos (C = C-O - ) o como α-cetocarbaniones ( - CC = O). Por lo tanto, los iones enolato pueden reaccionar con electrófilos en oxígeno o en carbono. La reacción con oxígeno produce un derivado de enol, mientras que la reacción con carbono produce un compuesto de carbonilo α-sustituido. Se conocen ambos tipos de reactividad, pero la reacción sobre el carbono es más común. [1] : 853
Alquilación de iones enolato
Quizás la reacción más importante de los iones enolato es su alquilación por tratamiento con un haluro de alquilo o tosilato , formando así un nuevo enlace CC y uniendo dos piezas más pequeñas en una molécula más grande . La alquilación se produce cuando el ion enolato nucleófilo reacciona con el haluro de alquilo electrófilo en una reacción SN 2 y desplaza al grupo saliente mediante un ataque por la parte posterior.
Las reacciones de alquilación están sujetas a las mismas limitaciones que afectan a todas las reacciones SN 2 . Por tanto, el grupo saliente X en el agente alquilante RX puede ser cloruro , bromuro , yoduro o tosilato . El grupo alquilo R del azulejo debe ser primario o metilo, y preferiblemente debe ser alílico o bencílico . Los haluros secundarios reaccionan mal, y los haluros terciarios no reaccionan en absoluto porque en su lugar se produce una eliminación competitiva de E2 de HX. Los haluros de vinilo y arilo tampoco son reactivos porque el abordaje por la parte trasera se previene estéricamente. [1] : 855
Referencias
- ^ a b c d e f McMurry, John. Química orgánica (6 ed.). pag. 841. ISBN 978-80-214-3291-8.