25 - Química Orgánica

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Carbaniones I
Condensaciones aldólicas y de Claisen
C C
C C
+ :B
+ B:H
O
H O
I
Acidez de los hidrógenos
En la preparación de aldehídos y cetonas, vimos que el grupo carbonílico determina en gran medida la química de
dichas sustancias. En aquellas ocasión tratamos en parte cómo sucede aquello: el grupo carbonilo proporciona un
sitio donde puede realizarse una adición nucleofílica. Ahora estamos en condiciones de entender otro aspecto: la
influencia del carbonilo en la acidez de los átomos de hidrógeno unidos al carbono a, y cómo al hacer eso se
origina todo un conjunto de reacciones químicas.
La ionización de un hidrógeno a,
C C
+ :B
C C
H O
+ B:H
O
I
Genera un carbanión I que es híbrido de resonancia de dos estructuras, II y III,
C C
O
C C
equivalente a
C C
O
O -
II
I
III
Resonancia que sólo es posible por la participación del grupo carbonílico. Tal resonancia es imposible para
carbaniones resultantes de la ionización de hidrógenos B, r, etc., de compuestos carbonílicos saturados.
Por consiguiente, el grupo carbonilo afecta a la acidez de los hidrógenos a de la misma forma que a la acidez
de ácidos carboxílicos, ayudando a acomodar la carga negativa del anión.
O
C
O
+ H+
C
O H
O
O
O
+ H+
C
C
C H
O
I
La resonancia en I implica estructuras (II y III) de estabilidades bastante diferentes, y es mucho menos importante
que la involucra estructuras equivalentes en un ion carboxílico.
Comparados con el hidrógeno de un grupo -COOH, los átomos de hidrógeno a de un aldehído o de una cetona
son muy débilmente ácidos; el aspecto importante es que son considerablemente más ácidos que los hidrógenos en
cualquier otra aprte de la molécula, y son suficientemente ácidos como para generar concentraciones significativas,
aunque muy bajas, de carbaniones.
Denominamos carbanión a I, porque es la base conjugada de un carboácido, esto es, un ácido que pierde su protón
de un carbono. La estabilidad que da su importancia a estos iones se debe, sin embargo, al hecho de que la
mayor parte de la carga no se sitúa en el carbono, sino en el oxígeno. Un carbanión como éste, estabilizado por
un grupo carbonilo adyacente, se denomina a menudo anión enolato, debido a que, formalmente, el anión es la
base conjugada no sólo de la forma cetónica del compuesto carbonílico, sino también de la enólica (Sec. 11.10).
Por ejemplo:
CH3CCH3 + :B
H:B + CH3C CH2
OH
Enol
Acido
O
O
Ceto
Acido
CH3C CH2 + :B
Anión enolato
Base conjugada
Anteriormente habíamos visto que la susceptibilidad al ataque nucleofílico del grupo carbonilo se debe aque el
oxígeno puede acomodar la carga negativa desarrollada como resultado del ataque,
Z: +
C O
&C O
C O-
Z
Z
Precisamente la misma propiedad del oxígeno que origina la acidez de los hidrógenos a. Prtimos de dos
propiedades químicas de compuestos carbonílicos aparentemente sin relación y las llevamos a un origen común.
Esto es una indicación de la sencillez básica de la aparentemente confusa química orgánica.
Reacciones que implican carbaniones
El grupo carbonilo también se presenta en compuestos que no son aldehídos ni cetonas -ésteres, por ejmeplo-, y
donde se encuentra, confiere acidez a los hidrógenos a, ayudando a la formación de carbaniones. Sin embargo,
dado que estos hidrógenos a son sólo débilmente ácidos, lso carbaniones resultantes son muy básicos y
extremadamente reactivos. En sus reacciones se comportan como es de suponer, como nucleófilos, y como tales
pueden atacar a un carbono para formar enlaces entre dos de ellos. Desde el punto de vista de la síntesis, la
acentuación de la a cidez por grupos carbonílicos es quizás el efecto estructural más importante de la química
orgánica.
En primer lugar estudiaremos el comportamiento de cetonas en relación con los halógenos, para conocer la evidencia
de la evidencia real de carbaniones; al mismo tiempo, veremos un ejemplo elegante de la aplicación de la cinética,
la estereoquímica y los trazadores isotópicos en la comprensión de mecanismos de reacción. Además, veremos algo
del papel que desempeña la tautomería ceto-enólica en la química de compuestos carbonílicos.
Luego estudiaremos reacciones donde el grupo carbonilo cumple sus dos funciones: la condensación aldólica, en la
que el carbanión generado de una molécula de aldehído o cetona se adiciona, como nucleófilo, al carbonilo de una
segunda molécula, y la condensación de Claisen, en la que el carbanión generado de una molécula de éster ataca
al carbonilo de una segunda molécula, dando como resultado una sustitución acílica.
No obstante, también sabemos que los nucleófilos no sólo pueden atacar a un carbono carbonílico, sino también al
carbono de halogenuros de alquilo y compuestos relacionados con ellos, para efectuar una sustitución nucleofílica
alifática . Los carbaniones también pueden hacerlo en las síntesis malónicas y acetoacética Más adelante, en la
adición de Michael , encontraremos carbaniones que sufren, al igual que otros nucleófilos, una adición nucleofílica
conjugada a compuestos carbonílicos a,B-no saturados
REACCIONES QUE IMPLICAN CARBANIONES
1. Halogenación de cetonas. Estudiada en las secciones 25.3 y 25.4.
C C
+ X2
H+ o OH-
H O
Cetona
C C
+ HX
X O
a-Halo cetona
Ejemplos:
O
O
+ Br2
H+
+ HBr
Br
2-Bromociclohexanona
Ciclohexanona
CH3
CH3
C CH3 + I2 + OHCH3 O
t-Butil metil cetona
(3,3-Dimetil-2-butanona)
CH3
X2 = CI2, Br2, I2
C
CH3
C
C CI3
OH-
CH3 O
CH3
CH3
C COO- + CHI3
Yodoformo
CH
3
Ion trimetilacetato
2. Adición nucleofílica a compuestos carbonílicos
(a) Condensación aldólica. Estudiada en las secciones 25.5 a 25.8.
C +
C C O
O
H
Ejemplos:
H
base o ácido
C C C O
OH
Un aldol
(Un compuesto B-hidroxicarbonílico)
NaHSO4
H
H
H H H
OH
calor
CH3C O + CH2C O
CH3C CH2C O
CH3 C C C O
Crotonaldehído
H
OH
(2-Butenal)
Acetaldehído
Acetaldol
2 moles
(3-Hidroxibutanal)
H
NaHSO4
CH3
CH3
OH
calor
CH3C O + CH2C O
CH3C CH2CCH3
CH3C CHCCH3 + H2O
H
OH
O
O
Acetona
Oxido de mesitilo
Diacetona-alcohol
2 moles
(4-Metil-3-penten-2-ona)
CH3
CH3
H
H
H
OHC O + CH2C O
Benzaldehído
OH
H
Benzaldehído
C C C O + H2
C CH2C O
H
Acetaldehído
C O + CH2CCH3
H H H
H
OH-
H O
Acetona
Cinamaldehído
(3-Fenil-2-propenal)
H
H H
C CH2CCH3
C C C CH3
OH
O
Benzalacetona
(Benzalo es C6H5CH=)
(4-Fenil-3-buten-2-ona)
H
H H
C O + CH2
Benzaldehído
OH-
C
H
O
Acetofenona
C C C
+ H2O
O
Benzalacetofenona
(1,3-Difenil-2-propen-1-ona)
(b) Reacciones relacionadas con la condensación aldólica. Estudiada en la sección 25.9.
(c) Adición de reactivos de Grignard. Estudiada en la sección 21.10.
(d) Reacción de Wittig. Estudiada en la sección 25.10.
R'
R'
R'
C + Ph3P=C
Un iluro
O
Ejemplos:
R
C
C R
C C R
O
PPh3
Una betaína
+ Ph3PO
H H
C6H5CH CHCHO + Ph3P CH2
C6H5CH CH C CH
Cinamaldehído Metilenotrifenilfosforano
O PPh3
C6H5CH CH CH CH2
1-Fenil-1,3-butadieno
(69 %)
O
CH2 + Ph3PO
O + Ph3P CH2
CH2PPh3
Metilenociclohexano
Ciclohexanona
(48 %)
3. Sustitución nucleofílica del acilo
(a) Condensación de Claisen. Estudiada en las secciones 25.11 y 25.12.
C
O
+
OR'
C C
H
O
O -OC2H5
C C C
OR'
OR'
O
Un B-cetoéster
Ejemplos:
O
O
O
-OC H
2 5
CH3C CH2C
CH3C
+ CH2C
OC2H5
OC2H5
OC2H5
O
H
Acetato de etilo
Acetoacetato de etilo
2 moles
COOC2H5 + CH3COOC2H5
Benzoato de etilo
Acetato de etilo
-OC2H5
C
CH2COOC2H5 + C2H5OH
O
Benzoilacetato de etilo
(b) Acilación de compuestos organocúpricos. Estudiada en la sección 21.6.
4. Sustitución nucleofílica alifática
(a) Acoplamiento de halogenuros de alquilo con compuestos organometálicos. Estudiada en la secci
(b) Síntesis de acetiluros. Estudiada en la sección 11.13.
(c) Alquilación de los ésteres malónico y acetoacético. Estudiada en las secciones 30.2 y 30.3.
5. Adición a compuestos carbonílicos a,B-no saturados. Adición de Michael. Estudiada en la sección
25.1 Halogenación de cetonas promovida por bases
La acetona reacciona con bromo para formar bromoacetona; la reacción es acelerada por la presencia de bases (
por ejemplo, ion hidróxido, ion acetato, etc.). El estudio cinético indica
CH3COCH2Br + Br- + H:B
CH3COCH3 + Br2 + :B
Bromoacetona
Acetona
Que la velocidad de reacción depende de la concentración de la acetona, acetona, y de la base :B, pero es
independiente de la concentración del bromo:
velocidad = k acetona
:B
Anteriormente (Sec. 5.16) tuvimos una situación similar, y de una forma general sabemos lo que esto significa: si
la velocidad de reacción no depende de Br2, sólo puede significar que la reacción cuya velocidad estamos
determinado no implica al bromo.
La cinética concuerda muy bien con el mecanismo siguiente: la base quita lentamente un protón (paso 1) a la
acetona para formar el carbanión I, que luego reacciona rápidamente con bromo (paso 2) para generar
bromoacetona. El paso (1), es decir, la generación del carbanión, es el determinante de la velocidad, debido a que
determina la velcoidad de toda la secuencia de reacciones. Con la misma velocidad con que se generan los
carbaniones, son consumidos por las moléculas de bromo.
(1) CH3CCH3 + :B
H:B + CH3C CH2
O
O
Lenta:
determinante de la velocidad
I
CH3CCH2Br + Br-
(2) CH3C CH2 + Br2
Rápida
O
O
I
Esta interpretación está bien confirmada por la cinética de la yodación. En este caso, también la velcoidad de
reacción depende de acetona y :B, pero no de I2. Además, y esto es lo más significativo, la bromación y la
yodación proceden con velocidad idéntica para determinados acetona y :B. Esto quiere decir que, en la expresión
velocidad = k acetona
:B
El valor k es el mismo, cualquiera que sea el halógeno implicado. Es evidente que debe ser así, de acuerdo con
el mecanismo propuesto, ya que en ambos casos se trata de la constante de velocidad para la msima reacción, la
separación de un protón de la cetona.
El estudio de la bromación de la acetona, realizado por A. Lapworth (Universidad de Manchester) en 1904,
demostró por primera vez que la cinética se podía utilizar para revelar el mecanismo de una reacción orgánica.
Desde entonces, el mecanismo del carbanión ha sido confirmado no sólo por el trabajo de la yodación, sino
también por estudios estereoquímicos y de intercambio isotópico.
Halogenación de cetonas catalizada por ácidos. Enolización
Al igual que las bases, los ácidos también aceleran la halogenación de cetonas. Sin embargo, los ácidos no se
consumen, por lo que podemos argumentar que la halogenación es una catálisis ácida (en contraposición con la
halogenación promovida por bases). Aunque estrictamente esta reacción no forma parte de la química de los
carbaniones, quizá sea éste el mejor lugar para estudiarla, ya que presenta un paralelismo notable en todos los
aspectos con la reacción promovida por bases recién presentada.
CH3COCH3 + Br2
Acetona
ácido
CH3COCH2Br + HBr
Bromoacetona
También en este caso la cinética demuestra que la velocidad de halogenación es independiente de la concentración
de halógeno, pero dependiente de la concentración de cetona y, esta vez, de la del ácido. Aquí encontramos una
identidad notable para las constantes de velocidad de reacciones aparentemente diferentes: para la bromación y
yodación de la acetona y para el intercambio de sus hidrógenos por deuterio, además de para la yodación y la
racemización de la sec-butil fenil cetona.
Por otra aprte, la interpretación es esencialmente la misma que la tratada antes: precediendo al paso que implica
la halogenación hay una reacción determinante de la velocidad que no sólo puede conducir a la halogenación, sino
también a la racemización e intercambio de hidrógeno.
En este caso, la reacción que determina la velocidad es la formación del enol, que se realiza en dos etapas:
protonación rápida y reversible (paso 1) del oxígeno carbonílico, seguida por la pérdida lenta de un hidrógeno a
(paso 2).
(1) CH3
C CH3 + H:B
C CH3 + :B
CH3
+ OH
O
(2) CH3
C CH3 + :B
C CH2 + H:B
CH3
C CH2 + X2
OH
(4) CH
C CH X + :B
Lenta
OH
Enol
+ OH
(3) CH3
Rápida
C CH2X + X-
CH3
Rápida
+ OH
I
CH3
C CH2X + H:B
Rápida
Una vez formado, el enol reacciona rápidamente con halógeno (apso 3). Sería de suponer que el enol no saturado
experimenta adición; y de hecho la reacción comienza como si fuera a suceder precisamente eso: un halógeno
positivo se une para formar un catión. Como es usual (Sec. 8.12), la unión se efectúa de modo que resulte el
catión más estable.
El ion formado en este caso, I, es muy estable, pues en realidad casi no es un <<carbocatión>>, ya que la carga
la puede absorber el oxígeno y mantener igualmente un octeto de electrones. De hecho, el ion es una cetona
protonada: la pérdida de un protón da el producto, la bromoacetona.
Al decir que esta reacción está <<catalizada por ácidos>>, puede parecer extraño que el paso (2) determinante de
la velocidad sea realmente el mismo que en la reacción promovida por bases: la separación de un hidrógeno a
por una base en este caso por la base conjugada del ácido catalizador-. Efectivamente, lo que observamos aquí
debe ser cierto siempre: una reacción que en realidad es catalizada por ácidos o bases es catalizada tanto por un
ácido como por una base. En nuestro caso, la transferencia del protón del ácido H:B al oxígeno carbonílico (paso
1) confiere más reactividad a la cetona y acelera la enolización, pero el ácido no debe ser condumido, si se trata
de una catálsiis verdadera. La regeneración del ácido H:B requiere que la base :B conjugada consiga un protón
de alguna parte; lo toma del carbono a (paso 2) y completa así la enolización. El ácido y la base aceleran el
paso (2) determinante de la velocidad: la base, directamente, como uno de los reactivos, y el ácido,
indirectamente, al aumentar la concentarción del otro reactivo, la cetona protonada. Si empleáramos un ácido
mineral fuerte en solución acuosa, no apreciaríamos la función que cumple la base; el ácido sería H3O+, y el
disolvente, H2O, la base conjugada.
Condensación aldólica.
Por la influencia de base o ácido diluidos, se pueden combinar dos moléculas de un aldehído o una cetona para
formar un B-hidroxialdehído o una B-hidroxicetona. Esta reacción se denomina condensación aldólica. En todos
los casos, el producto resulta de la adición de una molécula de aldehído (o cetona) a una segunda, de manera que
el carbono a de la primera queda unido al carbono carbonílico de la segunda. Por ejemplo:
H
CH3
H H
C O +H C C C
OH-
H
Acetaldehído
2 moles
CH3CH2
CH3
H
H H
C O + CH3
C C O
CH3
H
H H
C
C C O
OH H
Aldol
(B-Hidroxibutiraldehído)
(3-Hidroxibutanal)
OH-
H
C O+ H C C C
CH3CH2
H
CH3 H
C
C
C O
OH H
B-Hidroxi-a-metilvaleraldehído
(3-Hidroxi-2-metilpentanal)
H
Propionaldehído
2 moles
CH3
H
H
OH-
H O H
Acetona
2 moles
CH3 H
CH3
C
H
C C C H
OH H O H
4-Hidroxi-4-metil-2-pentanona
(Diacetona-alcohol)
Si el aldehído o la cetona no contiene un hidrógeno a, no puede tener lugar una condensación aldólica simple.
ArCHO
Por ejemplo:
Sin
átomos de
hidrógeno a
HCHO
(CH3)3CCHO
ArCOAr
ArCOCR3
OH- diluido
no hay reacción
(En base concentrada, sin embargo, estas sustancias pueden sufrir la reacción de Cannizzaro, Sec. 21.14.)
El mecanismo generalmente aceptado para la condensación catalizada por bases comprende los siguientes apsos,
ilustrados con el ejemplo del acetaldehído. El ion hidróxido le arranca un ion hidrógeno (paso 1) al carbono a del
aldehído para generar el carbanión I,
H2O + CH2CHO
(1) CH3CHO + OHCatalizador
I
básico
H
(2)
CH3
CH3 C O + CH2CHO
I
Reactivo
nucleofílico
H
C CH2CHO
OII
H
H
(3)
CH3
CH3
C CH2CHO + H2O
O-
C CH2CHO + OHOH
III
II
Que ataca al carbono carbonílico (paso 2) para formar el ion II. II (un alcóxido) arranca un ion hidrógeno del
agua (paso 3) para dar origen al B-hidroxialdehído II, y se regenera el ion hidróxido. En consecuencia, el
propósito de este último es la producción del carbanión I, que es el verdadero nucleófilo.
En la condensación aldólica, el grupo carbonilo cumple dos funciones: proporciona el enlace no saturado donde se
lleva a cabo la adición (paso 2) y confiere acidez suficiente a los hidrógenos a para posibilitar la formación del
carbanión (paso 1).
Deshidratación de prodcutos aldólicos
Los B-hidroxialdehídos y -cetonas que se obtienen de las condensaciones aldólicas pueden deshidratarse con gran
facilidad; los productos principales tienen el doble enlace carbono-carbono entre los átomos de carbono a y B. Por
ejemplo: H
H
H
H
CH3
C
CH C O
HCI, dil, calor
HO H
Aldol
CH3
CH3
C
CH C CH3
CH3 C CH C O + H2O
Crotomaldehído
(2-Butenal)
I2 (un ácido de Lewis),
destilar
O
HO H
Diacetona-alcohol
(4-Hidroxi-4-metil-2-pentanona)
CH3
CH3
C CH C CH3 + H2O
O
Oxido de mesitilo
(4-Metil-3-penten-2-ona)
Tanto la facilidad como la orientación de la eliminación están relacionadas con el alqueno obtenido, que es
particularmente estable debido a que el doble enlace carbono-carbono se conjuga con el del carbono-oxígeno
carbonílico (compárese con Sec. 10.21).
Como sabemos, un alqueno que tiene el doble enlace conjugado con un anillo aromático es particularmente
estable (Sec. 15.19); en aquellos casos en que la eliminación de agua del aldol puede generar un alqueno
conjugado de ese tipo, es éste el producto que realmente se aísla de la reacción. Por ejemplo:
C CH3 + CH3
C
O
O
CH3
NaOC2H5
C
CH
C
HO H
Acetofenona
2 moles
O
-H2O
CH3
C CH C
O
Empleo de la condensación aldólica en síntesis
1,3-Difenil-2-buten-1-ona
La hidrogenación catalítica de aldehídos y cetonas a,B no saturados da alcoholes saturados, ya que el hidrógeno se
adiciona al doble enlace carbono-carbono y al doble enlace carbono oxígeno. A menudo se efectúa la condensación
aldólica con el propósito de preparar alcoholes saturados. Así se preparan, por ejemplo, alcohol n-butílico y 2-etil1-hexanol a escala industrial:
-H2O
CH3CH CHCHO
2CH3CHO OH CH3CHOH CH2CHO
Crotonaldehído
Aldol
Acetaldehído
(2-Butenal)
H2, Ni
CH3CH2 CH2CH2OH
Alcohol n-butílico
CH3CH2CH2CHO
OH-
CH3CH2CH2CHOH CHCHO
n-Butiraldehído
-H2O
C2H5
CH3CH2CH2CH CCHO
Cu, 250ºC
H2, Ni
CH3CH2CH2CH2OH
Alcohol n-butílico
CH3CH2CH2CH2
C2H5
CHCH2OH
C2H5
2-Etil-1-hexanol
Para preparar un alcohol no saturado de un aldehído a,B no saturado o de una cetona similar, necesitamos un
reactivo que sólo reduzca el grupo carbonilo, dejando intacto el doble enlace carbono-carbono. Un reactivo que
para realizar su trabajo ataca selectivamente uno de varios grupos funcionales se denomina reactivo
quimioselectivo. Una de las metas principales de la química sintética de hoy es hallar reactivos altamente
selectivos regioselectivos, estereoselectivos, quimioselectivos meta que en ningún aspecto se hace más evidente que
en el desarrollo de agentes oxidantes y reductores. El trabajo particular que estamos tratando puede llevarse a
cabo mediante el hidroborano, conocido como 9-BBN. Al igual que los boranos se adicionan a los dobles enlaces
carbono-carbono (Sec. 17.10), éste lo hace a la unión doble del carbonilo, y, debido sin duda al voluminoso grupo
orgánico ligado
H
RCH CH C R' + H B
O
Compuesto carbonílico
no saturado
RCH CH C R'
9-BBN
(Sec. 30.7)
O B
HOCH2CH2NH2
RCH CH CH R' + NH2CH2CH2O B
OH
Alcohol
no saturado
Al boro, lo hace mucho más rápido que si se tratara de un doble enlace entre carbonos. El resultado es una
selectividad de orden extraordinariamente elevado. (Volveremos sobre el 9-BBN, en la Sec. 30.7, implicado en
una síntesis de un tipo bien diferente: otro ejemplo de la enorme versatilidad de los organoboranos.)
Condensación aldólica cruzada
Una condensación aldólica entre dos compuestos carbonílicos diferentes llamada condensación aldólica cruzada no
siempre es factible en laboratorio, puesto que puede resultar una mezcla de cuatro productos. Sin embargo, esa
síntesis puede compensar comercialmente si la mezcla es separable y si los componentes se pueden colocar en el
mercado.
En determinadas condiciones puede obtenerse un buen rendimiento de un solo producto usando la condensación
aldólica cruzada: (a) uno de los reactivos no contiene hidrógenos a, de modo que es incapaz de autocondensarse
(aldehídos aromáticos o formaldehído, por -ejemplo); (b) se mezcla este reactivo con el catalizador y luego (c) se
agrega a esta mezcla
H H H
CH3CHO, 20ºC
C C C O
Cinamaldehído
H H
H
C O
OH CH3COCH3, 100º C
Benzaldehído
C C C CH3
Benzalacetona
O
Condesaciones
aldólicas cruzadas
H H
CH3COC6H5, 20º C
C C C
O
Benzalacetofenona
Lentamente un ocmpuesto carbonílico con hidrógenos a. Así, en todo momento sólo hay una concentración muy
baja del compuesto carbonílico ionizable, por lo que el carbanión que genera reacciona casi exclusivamente con la
otra sustancia carbonílica, que se da en abundancia.
Reacciones relacionadas con la condensación aldólica
Hay un gran número de condensaciones que tienen estrecha relación con la aldólica. Cada una de ellas tiene su
nombre propio -Perkin, Knoevenagel, Doebner, Claisen, Dieckmann, por ejemplo y cada una aprece ser distinta de
la otra, al menos a primera vista. Sin embargo, un examen más detenido demuestra que, al igual que en la
condensación aldólica, cada una de ellas supone un ataque de un carbanión sobre un grupo carbonílico. En cada
caso, este carbanión es generado casi de la misma forma: la separación de un hidrógeno por una base en posición
alfa con respecto al carbonilo. Pueden utilizarse diferentes bases: hidróxido de sodio, etóxido de sodio, acetato de
sodio, aminas el grupo carbonilo, con respecto al cual el hidrógeno es alfa, puede variar, aldehídos, cetonas,
anhídridos, ésteres pero la química es esencialmente igual que la de la condensación aldólica. Veremos algunas
de estas condensaciones en los siguientes problemas y en las secciones posteriores; al hacerlo, examinaremos con
cuidado la semejanza fundamental de cada una de ellas con la condensación aldólica.
Reacción de Wittig
En 1954, Georg Wittig (entonces en la Universidad de Tubinga) publicó un método para sintetizar alquenos
partiendo de compuestos carbonílicos, que supone la sustitución del oxígeno carbonílico, =O, por el grupo =CRR’.
Lo importante de la síntesis es el ataque
R'
C O + Ph3P C R
Un iluro
R'
C
C R
R'
C C R + Ph3PO
-O
PPh3
+
Una betaína
Oxido de
trifenilfosfina
Nucleofílico de un iluro sobre el carbono carbonílico para formar una betaína, que sufre una eliminación, a
menudo espontánea, para generar el producto. Por ejemplo:
(C6H5)2C O + Ph3P CH2
Benzofenona
(C6H5)2C
-O
Metilenotrifenilfosforano
C6H5CHO + C6H5CH CH CH PPh3
CH2
(C6H5)2C CH2
PPh3
+
1,1-Difenileteno
C6H5CH CH CH CHC6H5
Benzaldehído
O-
PPh3
+
C6H5CH CH CH CHC6H5
1,4-Difenil-1,3-butadieno
La reacción tiene lugar en condiciones suaves y la posición del doble enlace carbono-carbono no deja lugar a
duda. Los compuestos carbonílicos pueden contener muchos sustituyentes, lo mismo que el iluro. (De hecho, en
su forma más amplia, la reacción de Wittig implica reactivos distintos de los carbonílicos, y puede llevar a
productos diferentes que los alquenos sustituidos.)
Los iluros del fósforo tienen estructuras híbridas, y la carga negativa sobre el carbono
R'
R'
Ph3P C R
Ph3P C R
+ -el carácter carbaniónico de los iluros es la responsable de sus reaccciones características: en este caso, un ataque
nucleofílico sobre el carbono carbonílico.
La preparación de iluros es un proceso de dos etapas, cada una de las cuales pertenece a un tipo ya conocido de
reacción: ataque nucleofílico a un halogenuro de alquilo y separación de un protón por medio de una base.
R'
R CHX + Ph3P
Trifenilfosfina
R'
+
Ph3P CH R X- base
Una sal de fosfonio
R'
Ph3P C R + base: H
Un iluro
Se han utilizado muchas bases diferentes principalmente alcóxidos y compuestos organometálicos y una gran
variedad de disolventes. Por ejemplo:
CH3Br + Ph3P
CH2
+
C6H5Li
Ph3P CH3
Ph3P CH2 + C6H6 + LiBr
THF
CHCH2CI + Ph3P
+
NaOEt
Ph3P CH2CH CH2 CIPh3P CHCH CH2
DMF
En 1979 se otorgó el Premio Nobel a George Wittig y a H. C. Brown en reconocimiento por sus notables
contribuciones a la química orgánica sintética: el trabajo de Brown se centró en el boro, y el de Wittig, en el
fósforo.
Condensación de Claisen. Formación de B-cetoésteres
En un éster, lo mismo que un aldehído o una cetona un hidrógeno a es débilmente ácido: el grupo carbonilo
ayuda a acomodar la carga negativa del carbanión por medio de la resonancia. Veamos una reacción muy
importante de los ésteres que depende de la acidez de sus hidrógenos a. Para los ésteres, esta reacción representa
la analogía exacta de la condensación aldólica, a pesar de que, al final, el resultado es diferente, aunque típico de
la química de compuestos de acilo.
Al tratar acetato de etilo con etñoxido de sodio y acidificar la mezcla resultante, se obtiene B-cetobutirato de
etilo (3-oxobutanoato de etilo), generalmente conocido como acetoacetato de etilo o éster acetoacético:
O
C2H5OH
+2CH3COOC2H5 + Na OC2H5
CH3C CHCOOC2H5-Na+ + 2C2H5OH
Acetato de etilo
Ester sodioacetoacético
Etóxido
2 moles
de sodio
H+
O
CH3C CH2COOC2H5
Acetoacetato de etilo
(Ester acetoacético)
Un B-ceto-éster)
El acetoacetato de etilo es el éster de un B-ceto-ácido, y su preparación ilustra la reacción denominada
condensación de Claisen. En general, el mecanismo aceptado para la condensación de Claisen (mostrado aquí para
el acetato de etilo) es:
(1) CH3COOC2H5 + -OC2H5
C2H5OH + -CH2COOC2H5
I
O-
O
CH3
C OC2H5 + -CH2COOC2H5
CH3
C CH2COOC2H5
OC2H5
I
O
(2)
CH3C CH2COOC2H5 +
OC2H5
O
O
(3) CH3C CH2COOC2H5 + -OC2H5
CH3C CHCOOC2H5- + C2H5OH
Acido más débil
Acido más fuerte
El ion etóxido sustrae un ion hidrógeno del carbono a del éster (apso 1) para formar el carbanión I, que, al ser
muy nucleófilo, ataca al carbono carbonílico de una segunda molécula de éster (paso 2) para desplazar un ion
etóxido y generar el cetoéster.
La condensación de Claisen implica, como la aldólica y otras reacciones similares, un ataque nucleofílico de un
carbanión sobre un carbono carbonílico electrónicamente deficiente. En la condensación aldólica, el ataque
nucleofílico conduce a una adición, la reacción típica de aldehídos y cetonas; en la de Claisen, termina en una
sustitución, la reacción típica de compuestos de acilo (Sec. 24.4).
Una vez completa la reacción, no tenemos éster acetoacético, sino su sal sódica, el éster sodioacetoacético. Los
hidrógenos a del acetoacetato de etilo están ubicados en posición alfa con respecto a dos grupos carbonilo, de
modo que la ionización genera un carbanión muy estable, por ser dos los carbonilos que contribuyen a acomodar
la carga. Como resultado, el éster acetoacético es un ácido mucho más fuerte que los ésteres ordinarios u otros
compuestos monocarbonílicos: es mucho más fuerte que el alcohol etílico, por lo que reacciona con un ion etóxido
para formar el alcohol etílico y el anión del éster sodioacetoacético (paso 3). La formación de esta sal es esencial
para el éxito de la reacción, pues de los varios equilibrios que implican el proceso total, sólo (3) es favorable al
producto deseado.
OC2H5
OC2H5
C O
H+ +
H2C
C O
HC
C O
CH3
CH3
OC2H5
C O
HC
C O
Ester acetoacético
OC2H5
C O
HC
C O
CH3
equivalente a
OC2H5
C O
HC
C O
C O
CH3
La condensación de Claisen de ésteres más complejos da productos que resultan de la ionización de un hidrógeno
a del éster; el resultado es que siempre se une el carbono a de una molécula al carbono carbonílico de otra. Por
ejemplo:
2CH3CH2COOC2H5 + -OC2H5
Propionato de etilo
CH3CH2C COOC2H5- + 2C2H5OH
O CH3
H+
B a
CH3CH2C CHCOOC2H5
O CH3
3-Oxo-2-metilpentano de etilo
a-Metil-B-cetovalerianato de etilo
Un B-ceto-éster
Condensación de Claisen cruzada
Como en el caso de la condensación aldólica cruzada (Sec. 21.8), también la de Claisen cruzada sólo es factible
uno de los reactivos no tiene hidrógeno a, por lo que queda incapacitado para autocondensarse. Por ejemplo:
COOC2H5 + CH3COOC2H5
Benzoato de etilo
OC2H5
Acetato de etilo
C CH2COOC2H5 + C2H5OH
O
Benzoilacetato de etilo
-OC2H5
H C CH2COOC2H5 + C2H5OH
HCOOC2H5 + CH3COOC2H5
Formiato de etilo Acetato de etilo
O
Formilacetato de etilo
(sólo se conoce como sal de Na)
-OC2H5
C2H5OOC C CH2COOC2H5 + C2H5OH
COOC2H5 + CH3COOC2H5
O
COOC2H5 Acetato de etilo
Oxalacetato de etilo
Oxalato de etilo
-OC2H5
C2H5O C OC2H5 + C6H5CH2COOC2H5
O
Carbonato de etilo
Fenilacetato de etilo
C6H5
C2H5O C CHCOOC2H5 + C2H5OH
O
Fenilmalonato de etilo
Ester fenilmalónico