Estructura y Síntesis de Alcoholes

Estructura y síntesis de alcoholes DR. CARLOS ANTONIO RIUS ALONSO DEPTO. DE QUIMICA ORGANICA FACULTAD DE QUIMICA UNAM SEPTIEMBRE 2007

Estructura del agua y del alcohol metílico. La estructura del metanol se parece a la estructura del agua, reemplazando uno de los átomos de hidrógeno del agua por un grupo alquilo.

El ángulo H-O-H en el agua es de 104,5º. El ángulo C-O-H en alcohol metílico es de 108,9º.

Tipos de alcoholes.  Los alcoholes se clasifican de acuerdo con el tipo de

átomo de carbono (primario, secundario o terciario) al que va enlazado el grupo hidroxilo. Los fenoles tienen un grupo hidroxilo enlazado a un átomo de carbono de un anillo bencénico.  Los alcoholes se clasifican de acuerdo con el tipo de átomo de carbono al que está unido el grupo hidroxilo. Los alcoholes en los que el grupo hidroxilo está unido a un carbono primario se consideran alcoholes primarios. Un alcohol secundario tiene el grupo hidroxilo unido al carbono secundario y un alcohol terciario está unido a un carbono terciario. Un grupo hidroxilo unido a un grupo metilo se denomina alcohol metílico

Tipos de alcoholes.

Síntesis de 1,2-diol. El término glicol generalmente significa 1,2-diol o diol vecinal, con sus dos grupos hidroxilo en átomos de carbono adyacentes.

Un alqueno se puede oxidar a diol vecinal utilizando perácidos, tetraóxido de osmio o permanganato de potasio. Los dioles vecinales se conocen comúnmente como glicoles

Puntos de ebullición de los alcoholes. Esta gran diferencia en los puntos de ebullición sugiere que las moléculas de etanol se atraen entre sí con mucha más fuerza que las moléculas de propano. De esto son responsables dos fuerzas intermoleculares: el enlace de hidrógeno y las atracciones dipolo-dipolo

Los alcoholes tienen puntos de ebullición más elevados que los éteres y alcanos porque los alcoholes tienen interacciones dipolo-dipolo y pueden formar enlaces de hidrógeno. La interacción más fuerte entre las moléculas de alcohol requerirá más energía para romperlas teniendo como resultado un punto de ebullición más elevado.

Enlace de hidrógeno en los alcoholes. Se puede observar los efectos del enlace de hidrógeno y de las atracciones dipolodipolo comparando el etanol con el dimetil éter. Igual que el etanol, el dimetil éter tiene un momento dipolar grande (1.30 D), pero el dimetil éter no puede tener enlaces de hidrógeno porque no tiene hidrógenos enlazados al oxígeno (-O-H).

El protón hidroxilo del alcohol tiene una carga positiva parcial. El hidrógeno pueden interactuar con los pares solitarios del oxígeno de una molécula de alcohol diferente. Esta interacción entre el hidrógeno y el oxígeno se denomina enlace de hidrógeno. Por el contrario, los éteres no pueden formar enlaces de hidrógeno porque los hidrógenos sobre los carbonos no son positivos parcialmente.

Las regiones hidrofóbicas e hidrofílicas de los alcoholes El agua y los alcoholes tienen propiedades similares porque contienen grupos hidroxilo que pueden formar enlaces de hidrógeno. Los alcoholes forman enlaces de hidrógeno con el agua y varios de los alcoholes de masa molecular más baja son miscibles (solubles en cualquier proporción) con el agua

La cadena alquilo de un alcohol se considera la región hidrofóbica (no tiene afinidad por el agua) porque no existe una interacción entre los carbonos de la cadena y las moléculas de agua. El extremo hidroxilo del alcohol pueden interactuar bien con agua (enlace de hidrógeno), por lo que este extremo se considera hidrofílico (tiene afinidad por el agua).

Acidez de los alcoholes. Al igual que el protón hidroxilo del agua, el protón hidroxilo de un alcohol es débilmente ácido. Una base fuerte puede extraer este protón hidroxilo para dar lugar a un ión alcóxido

El protón hidroxilo de un alcohol puede ser abstraído por una base para formar el ión alcóxido. Aunque algunos de los alcoholes son aproximadamente tan ácidos como el agua, la adición de los grupos de retirada de electrones aumentará la acidez. Los fenoles son mucho más ácidos que los alcoholes de cadena abierta porque el anillo aromático puede deslocalizar de manera efectiva la carga negativa dentro del anillo aromático.

Formación de alcóxidos de sodio y de potasio. Cuando se necesita un ión alcóxido en una síntesis, normalmente se suele obtener mediante la reacción de sodio o de potasio metálico con alcohol. Ésta es una reacción de oxidación-reducción, de forma que el metal es oxidado y el ión hidrógeno (protón) reducido para dar lugar a hidrógeno gaseoso, que burbujea en la solución, generándose el alcóxido de sodio o de potasio.

Los alcoholes reaccionan con sodio y potasio metálico para formar alcóxidos. Por ejemplo, el etanol reacciona con sodio para formar etóxido de sodio, una base fuerte utilizada frecuentemente para las reacciones de eliminación. Los alcoholes más impedidos como 2-propanol o terc-butanol reaccionan más rápidamente con potasio que con sodio. La reacción produce hidrógeno gaseoso.

Acidez de los fenoles Se podría esperar que el fenol tuviese la misma acidez que el ciclohexanol, ya que sus estructuras son similares. Esta predicción es errónea: el fenol es casi 108 veces más ácido que el ciclohexanol.

El alcohol aromático fenol es más ácido que los alcoholes alifáticos debido a la capacidad que tienen los anillos aromáticos de deslocalizar la carga negativa del oxígeno dentro de los carbonos del anillo.

Deslocalización de la carga en el ión fenóxido. El ión fenóxido es más estable que un ión alcóxido típico debido a que la carga negativa no sólo está localizada sobre el átomo de oxígeno sino que está deslocalizada entre el oxígeno y tres átomos de carbono del anillo bencénico.

La carga negativa del oxígeno puede estar deslocalizada en más de cuatro átomos del ión fenóxido. Existen otras tres estructuras de resonancia que pueden localizar la carga en tres carbonos diferentes del anillo. La estructura verdadera es un híbrido entre las cuatro formas de resonancia.

Reactivos organometálicos utilizados para la síntesis de alcoholes. Los alquinos terminales pueden ser desprotonados por las bases fuertes como el amiduro de sodio para formar iones acetiluro. El ión acetiluro es un nucleófilo fuerte que puede reaccionar con haluros de alquilo y compuestos de carbonilo formando un enlace C-C. La reacción del ión acetiluro con los aldehídos y las cetonas produce alcoholes acetilénicos

Reactivos de Grignard. Los compuesto organometálicos de litio y magnesio son los que se utilizan con más frecuencia para la síntesis de alcoholes. Los haluros organomagnésicos, de fórmula general R-Mg-X, se conocen como compuestos organomagnesianos o reactivos de Grignard.

Los reactivos de Grignard se preparan mediante la reacción del haluro de alquilo con magnesio metálico en una disolución con éter. No existen restricciones en cuanto a los haluros de alquilo utilizados, pero los yoduros de alquilo son los más reactivos seguidos de los bromuros y los cloruros. No es normal para un fluoruro de alquilo formar reactivos de Grignard. El orden de reactividad para los haluros de alquilo es R-I > R-Br > R-Cl >> R-F.

Adición de reactivos organometálicos a compuestos carbonílicos. El grupo carbonilo está polarizado, con una carga positiva parcial en el carbono y una carga negativa parcial en el oxígeno. El carbono cargado positivamente es electrofílico y, si es atacado por un nucleófilo, el átomo de oxígeno adquiere una carga negativa formal

Los reactivos de Grignard y de litio tienen un carbono nucleofílico y como tal puede atacar a un electrófilo en solución. El carbono de carbonilo tiene una carga positiva parcial que es propensa a los ataques nucleofílicos. El ataque del carbono organometálico sobre el carbonilo producirá un intermedio tetraédrico con un átomo de oxígeno cargado negativamente, es decir, un alcóxido. La protonación del intermedio con ácido diluido da lugar al alcohol.

Protonación del alcóxido intermedio. El producto de un ataque nucleofílico es un ión alcóxido, una base fuerte. La adición de agua o de un ácido diluido protona al alcóxido dando lugar al alcohol.

El alcóxido intermedio puede ser protonado utilizando una solución ácida diluida.

Mecanismo de las reacciones de Grignard. Primera reacción: el reactivo de Grignard ataca al compuesto carbonílico para formar un alcóxido.

El carbono nucleofílico de Grignard atacará al carbono electrofílico del carbonilo produciendo un alcóxido de magnesio. En un paso distinto, se añade agua o ácido diluido para protonar el alcóxido y obtener alcohol.

Formación de alcoholes primarios utilizando los reactivos de Grignard.

La adición de un reactivo de Grignard al formaldehído, seguida de protonación, da lugar a un alcohol primario con un átomo de carbono más que en el reactivo de Grignard.

Dependiendo del compuesto carbonílico utilizado se pueden obtener alcoholes primarios, secundarios o terciarios. La reacción de un reactivo de Grignard con un formaldehído producirá un alcohol primario tras la protonación.

Formación de alcoholes secundarios utilizando reactivos de Grignard Los reactivos de Grignard se añaden a los aldehídos para formar, después de la protonación, alcoholes secundarios.

La adición de un reactivo de Grignard a un aldehído, seguida de protonación, producirá un alcohol secundario.

Formación de alcoholes terciarios utilizando reactivos de Grignard.

Una cetona tiene dos grupos alquilo enlazados a su átomo de carbono carbonílico. La adición de un reactivo de Grignard, seguida de protonación, da lugar a un alcohol terciario, con tres grupos alquilo enlazados al átomo de carbono carbinol.

Los alcoholes terciarios se pueden obtener fácilmente mediante la adición de un reactivo de Grignard a una cetona, seguida de protonación, con ácido diluido

Reacción de Grignard con derivados de ácidos carboxílicos.  Los cloruros de ácido y los ésteres son derivados de

ácidos carboxílicos. En estos derivados de ácidos, el grupo -OH del ácido carboxílico es reemplazado por otros grupos atrayentes de electrones. En los cloruros de ácido, el grupo hidroxilo del ácido está sustituido por un átomo de cloro. En los ésteres, el grupo hidroxílico está sustituido por un grupo alcoxilo (-O-R).  Los cloruros de acilo y los ésteres reaccionará con dos equivalentes de Grignard para formar alcoholes terciarios con dos grupos idénticos. El primer equivalente se añadirá al carbonilo y producirá una cetona, la cual reaccionará con un segundo equivalente de Grignard para proporcionar el alcohol terciario después de aumentar el ácido.

Reacción de Grignard con derivados de ácidos carboxílicos.

Reacción de Grignard con derivados de ácidos carboxílicos.  La adición del primer equivalente del reactivo de

Grignard produce un intermedio inestable que expulsa a un ión cloruro (en el cloruro de ácido) o a un ión alcóxido (en el éster), dando lugar a una cetona. El ión alcóxido es un buen grupo saliente en esta reacción porque al eliminarse estabiliza al intermedio cargado negativamente en un paso fuertemente exotérmico.  Los cloruros de acilo y los ésteres reaccionará con dos equivalentes de Grignard para formar alcoholes terciarios con dos grupos idénticos. El primer equivalente se añadirá al carbonilo y producirá una cetona, la cual reaccionará con un segundo equivalente de Grignard para proporcionar el alcohol terciario después de aumentar el ácido

Reacción de Grignard con derivados de ácidos carboxílicos

Mecanismo de adición de Grignard.  A continuación se pondrá un ejemplo utilizando un éster. Cuando se

añade un exceso de bromuro de etilmagnesio a benzoato de metilo, el primer equivalente se adiciona y el metóxido es eliminado, dando lugar a propiofenona. La adición de un segundo equivalente, seguida de protonación, da lugar a un alcohol terciario: 3-fenil-3pentanol.  El primer paso de la reacción es el ataque del reactivo de Grignard sobre el compuesto carbonílico para formar el intermedio tetraédrico. Vuelve la carga negativa sobre el oxígeno para obtener un enlace doble carbono-oxígeno obligando al ión metóxido a salir de la molécula y formando una cetona. La cetona reacciona con un segundo equivalente de Grignard para obtener un alcóxido. Puesto que no hay buenos grupos salientes en la molécula, el alcóxido será protonado para proporcionar el alcohol terciario. Observe que ya que se añadieron dos equivalentes de Grignard, dos de los grupos alquilo del alcohol serán exactamente iguales.

Mecanismo de adición de Grignard.

Adición de óxido de etileno. Los reactivos de Grignard generalmente no reaccionan con los éteres, pero los epóxidos son éteres muy reactivos debido a la tensión de anillo. El óxido de etileno reacciona con reactivos de Grignard para dar lugar, después de la protonación, a alcoholes primarios con dos átomos de carbono adicionales. Observe que el ataque nucleofílico del reactivo de Grignard sobre el

óxido de etileno abre el anillo y libera la tensión anular

Los reactivos de Grignard y de litio atacarán a los epóxidos (también denominados oxiranos) y los abrirá para formar alcoholes. Esta reacción está favorecida porque la tensión anular presente en el epóxido se libera mediante la apertura. La reacción se utiliza comúnmente para ampliar la longitud de la cadena de carbono en dos carbonos.

Resumen de las reacciones de Grignard. Los alcoholes primarios y secundarios se pueden sintetizar mediante la adición de reactivos de Grignard al formaldehído y a los aldehídos, respectivamente. Una segunda forma de obtener alcoholes primarios es la adición de un reactivo de Grignard al óxido de etileno. Esta reacción añadirá átomos de carbono a la cadena.

Resumen de las reacciones de Grignard: alcoholes terciarios. Los alcoholes terciarios se pueden preparar mediante el ataque de los reactivos de Grignard con las cetonas, los cloruros de acilo y los ésteres. Cuando se utilizan los cloruros de acilo y los ésteres, el alcohol tendrá dos grupos alquilo idénticos

Reducción de un grupo carbonilo mediante un hidruro. Los compuestos carbonilos se pueden reducir a alcoholes mediante la utilización de hidruros como el borohidruro de sodio (NaBH4) y el hidruro de aluminio y litio (LiAlH4 o LAH). El nucleófilo, un hidrógeno cargado negativamente (hidruro), atacará al átomo de carbono del carbonilo de cetonas y aldehídos para producir alcoholes primarios o secundarios después de la protonación.

Facilidad de reducción de los compuestos carbonilos. El borohidruro de sodio (NaBH4) reduce los aldehídos a alcoholes primarios y las cetonas a alcoholes secundarios. Aunque el borohidruro de sodio y el hidruro de aluminio y litio reducen las cetonas y los aldehídos a sus correspondientes alcoholes, solamente el hidruro de aluminio y litio es capaz de reducir los ésteres y los ácidos carboxílicos a alcoholes. Esto hace que borohidruro de sodio sea un reactivo selectivo para las reducciones cuando hay más de un tipo de carbonilo presente en la molécula.

Hidrogenación catalítica de cetonas y aldehídos. La reducción de una cetona o un aldehído a alcohol implica la adición de dos átomos de hidrógeno al enlace C=O. Esta adición se puede llevar a cabo por hidrogenación catalítica, generalmente utilizando níquel Raney como catalizador.

El grupo carbonilo de las cetonas y los aldehídos se puede reducir mediante la hidrogenación catalítica utilizando níquel Raney como catalizador. El níquel Raney es un hidrógeno rico en polvo de níquel que es más reactivo que los catalizadores Pd o Pt. Esta reacción no se utiliza frecuentemente porque también reduce los enlaces dobles y triples que pueden encontrarse en la molécula. Los hidruros son más selectivos, por lo que se utilizan más frecuentemente para las reducciones de carbonilo.

Sustitución nucleofílica con tioles. Los tioles se pueden obtener por reacciones SN2 de hidrosulfuro de sodio con haluros de alquilo no impedidos. El tiol que se obtiene todavía es nucleofílico, por lo que se utiliza un gran exceso de hidrosulfuro para evitar que el tiol, inicialmente formado, experimente una segunda alquilación para dar lugar a un sulfuro (R-S-R).

El hidrosulfuro de sodio puede atacar a los haluros de alquilo no impedidos para obtener tioles.

Oxidación de los tioles Al contrario que los alcoholes, los tioles se oxidan fácilmente para dar lugar a un dímero conocido como disulfuro.

Los tioles se pueden oxidar para formar disulfuros. Este es un proceso reversible y el disulfuro se puede reducir utilizando cinc en HCl. Esta reacción es común en la química de los aminoácidos donde las uniones disulfuro forman parte de una estructura primaria de una proteína