Reattività di aldeidi e chetoni: presentazione didattica Università San Raffaele

Università San Raffaele Roma

Professore Gilda Aiello

Argomento Reattività di aldeidi e chetoniT Università San Raffaele Roma Gilda Aiello

Reazioni di addizione

1. Addizione di acqua: formazione di idrati.
2. Addizione di alcoli: formazione di semiacetali e acetali.
3. Addizione di nucleofili azotati.
4. Addizione di acido cianidrico.

Altre reazioni

1. Reazioni di riduzione
2. Reazioni di ossidazione

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Addizione di acqua: formazione di idrati

-O + HOCH HO H diolo geminale H ossigeno nucleofilo H C=0. C N.B. carbonio elettrofilo - in molte aldeidi l'addizione di H2O avviene anche in ambiente neutro. - l'idratazione è favorita dalla presenza di gruppi EA. - nei chetoni è sempre necessaria la catalisi acida o basica. Reattività di aldeidi e chetoni 3 di 18T Università San Raffaele Roma Gilda Aiello

Addizione di acqua: formazione di idrati

Addizione catalizzata da acidi

H H / 1 C=O: + H+ C: =00 C-O. + H H H / + C-O O-C-O O-C-O +

Addizione catalizzata da basi

+ ℮ HO" + C=O C-O H-O-C-O + H2O H-O-C-O-H + OH O-I H + 1 I H H -H+ H H Reattività di aldeidi e chetoni 4 di 18T Università San Raffaele Roma Gilda Aiello

Addizione di acqua: formazione di idrati

Idrati stabili

Formalina (formaldeide idrata)

O OH H-C 1 H + H2O 1 H-C-H 1 OH La formaldeide è un gas ma non può essere conservata allo stato libero perché polimerizza con molta facilità. Si trova in commercio come soluzione acquosa al 37%. Viene utilizzata come disinfettante e conservante.

Cloralio idrato

Cl3C-C O H + H2O OH 1 Cl3C-C-H 1 OH usato come sedativo-ipnotico e in medicina veterinaria come narcotico e anestetico per buoi, cavalli, maiali e pollame. Reattività di aldeidi e chetoni 5 di 18T Università San Raffaele Roma Gilda Aiello

Addizione nucleofila

• I fattori che influenzano la reazione di addizione nucleofila sono di due tipi: elettronici e sterici.
• Fattori elettronici (donazione di elettroni) influenzano la stabilità del doppio legame carbonio-ossigeno e la quantità di carica positiva presente sul carbonio del carbonile
• Fattori sterici (ingombro sterico) condizionano soprattutto la stabilità del prodotto finale nel quale i sostituenti sono più vicini tra loro visto che il carbonio del carbonile da sp2 (angoli di legame 120°) a sp3 (angoli di legame 109°).

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Addizione di alcoli: formazione di emiacetali e acetali

R H+ R OR1 R1OH 0 + R1OH H OH H OR1 OR1 H emiacetale acetale Poco stabili tranne quelli ciclici ... H+ CH3OH 0 + CH3OH H -OH H-OCH3 + H20 H OCH3 OCH3 La catalisi acida è necessaria! Reattività di aldeidi e chetoni 7 di 18 RT Università San Raffaele Roma Gilda Aiello

Formazione di emiacetali e acetali: meccanismo

R R R + C= + H+ C=O-H C-O-H .. R R R R + CH3-0: + C-O-H CH3-O-C-O-H H HR -H+ . . CH3-O-C-O-H emiacetale /semiacetale . . R lone ossonio R R H 1 -H2O CH3-O-C-O-H+ H+ - CH3-O-C-O-H . . R R R + R CH30- CH30=C + CH3- · - R R H R CH3-0-C-O-CH3 CH3-0-C-O-CH3 acetale + R N.B .: Sono tutti passaggi reversibili: si può spostare l'equilibrio verso dx usando un eccesso di reagente (p. e. alcol come solvente/reagente) oppure sottraendo uno dei prodotti (p.e. rimuovendo l'acqua) ... Reattività di aldeidi e chetoni 8 di 18 R O-I R -H+ . . R + R RT Università San Raffaele Roma Gilda Aiello

Formazione di emiacetali e acetali ciclici

La reazione di formazione di emiacetali e acetali è particolarmente importante quando il gruppo alcolico (-OH) e il gruppo carbonilico (aldeidico o chetonico) sono presenti all'interno della stessa molecola ad una opportuna distanza: H O a CH2 B CH2 Y CH2 8 CH2 OH H C C a ÓH a O = 1 8 ₿ 8 Y Y H OH anello a 6 Reattività di aldeidi e chetoni 9 di 18T Università San Raffaele Roma Gilda Aiello

Formazione di emiacetali e acetali ciclici

Si può formare un acetale ciclico anche per reazione di un composto carbonilico con un glicole: O CHO + HO OH H 0- 1 HO CHO HO 2 Da tenere presente: - La formazione di acetali è usata per proteggere il gruppo carbonilico: gli acetali sono resistenti alle basi ma si idrolizzano facilmente con acidi diluiti. - I chetoni sono meno reattivi e con questa tecnica formano acetali (detti chetali) solo con i glicoli. La reattività degli alcoli segue l'ordine: 1° > 2° >> 3º per ovvi motivi sterici Reattività di aldeidi e chetoni 10 di 18T Università San Raffaele Roma Gilda Aiello

Carboidrati: emiacetali sono la forma prevalente

OH H HO - HO OH HOW OH OH OH D-Glucosio Forma ciclica (emiacetale) OHH - O HO HO OH D-ribosio O . OH HO Furanosica .... HO OH Forma ciclica (emiacetale) O HO Piranosica Reattività di aldeidi e chetoni 11 di 18T Università San Raffaele Roma Gilda Aiello

Riconoscere acetali e emiacetali

OH OH R OR' - O - O HO O OH R" OR' OH HO- OH H+/H 2O OH OH OH -O HO OH HO OH HO OH H Acetale HO- HO .O Reattività di aldeidi e chetoni 12 di 18T Università San Raffaele Roma Gilda Aiello

Addizione di nucleofili azotati

Addizione di ammine primarie: formazione di immine (basi di Schiff)

H R-C + R-NH2 R-C H N-R' + H2O O Aldeide + ammina immina + acqua Reattività di aldeidi e chetoni 13 di 18T Università San Raffaele Roma Gilda Aiello

Reazioni di addizione-eliminazione

1) Addizione nucleofila dell'ammina al carbonile seguita da trasferimento di un protone dall'azoto all'ossigeno: il nucleofilo è sufficientemente reattivo per addizionare senza bisogno del catalizzatore R attacco nucleofilo trasferimento di protone OH O + RNH2 R-C-R + R-C-R carbinolammina R' 8+ 8- veloce veloce R-NH2 R-NH 2) Protonazione del gruppo OH da parte del catalizzatore acido e sua eliminazione come acqua protonazione eliminazione di H2O deprotonazione OH R-C-R +H+ - H2O R + R - H+ R R-C-R NR veloce R R-NH R-N : R H O H H Reattività di aldeidi e chetoni 'OH2 lento veloce H 14 di 18T Università San Raffaele Roma Gilda Aiello

Addizione di ammine primarie: formazione di immine (basi di Schiff)

attacco nucleofilo C trasferimento di protone OH R O + RNH2 R-C-R R-C-R R' 8+ 8- veloce veloce R-NH + eliminazione di H2O deprotonazione OH 1 +H+ - H2O R + R - H+ R R-C-R R-C-R N NR veloce R R-NH R-N : R H H H H R-NH2 protonazione (OH2 lento veloce Reattività di aldeidi e chetoni 15 di 18T Università San Raffaele Roma Gilda Aiello

Formazione di immina: dipendenza dal pH

La formazione di una immina è una reazione dipendente dal pH: perché? - Se la soluzione è troppo acida, la concentrazione in ammina libera diventa trascurabile; l'addizione, di solito veloce, diventa lenta e costituisce lo stadio da cui dipende la velocità dell'intero processo. Il secondo stadio, ossia l'eliminazione dell'ossidrile protonato sotto forma di acqua, al contrario del primo passaggio avviene tanto più velocemente quanto più alta è la concentrazione dell'acido. Cioè: un aumento di acidità accelera il secondo ma rallenta il primo. Il pH ottimale e quindi la massima velocità di reazione si ha a valori intermedi di pH = 3-4. In queste condizioni una parte di ammina è protonata ma una parte è libera di iniziare l'attacco nucleofilo; è presente inoltre una quantità di acido che permette all'eliminazione di procedere a velocità ragionevole. Reattività di aldeidi e chetoni 16 di 18T Università San Raffaele Roma Gilda Aiello

Importanza delle immine

Le immine sono importanti intermedi nella biosintesi di a- amminoacidi che gli organismi viventi usano nella sintesi delle proteine. In carenza di un amminoacido un organismo può trasformare un amminoacido disponibile in un altro indispensabile COOH COOH COOH COOH I H2N-C-H + C=O H2N-C-H + C=O R R1 R1 R Transamminazione = trasferimento di un gruppo amminico da un amminoacido a un a-chetoacido. Tramite la formazione di immine, gruppi carbonilici di molecole biologicamente significative si legano a gruppi amminici liberi degli enzimi. (Es. formazione della rodopsina da retinale e opsina): O NH2 N Complesso enzima-substrato Reattività di aldeidi e chetoni 17 di 18T Università San Raffaele Roma Gilda Aiello

Reazione con i derivati dell'ammoniaca

+ R R" N-H HH - R' R" Immina (base di Schiff) R N + H2O R' R" Immina (base di Schiff) OH N R' R" Idrossilammina Ossima NH2 N + H2O R' R" idrazina .H . N + H2O Ammoniaca - + N-R H' H = Ammina + N- OH `H - + H2O H - + N - NH2 H `H Idrazone Reattività di aldeidi e chetoni 18 di 18