1.4: Formación de Acetal, Mecanismo, Resonancia

Hidratación Catalizada por Base

La última vez que te dejé con un problema, “¿cuál es el mecanismo para la adición catalizada por base de agua a un grupo carbonilo?” Pasemos por eso y veamos cómo va.

Primero echemos un vistazo a la estructura electrónica del OH ^-. Si encontramos pares no compartidos podemos decir que el OH ^- es una base de Lewis y un nucleófilo. Eso nos diría que un par de electrones está listo para ser utilizado para hacer un nuevo enlace. Entonces tenemos la pregunta de a dónde irá ese vínculo. En el grupo carbonilo, sabemos que el carbono es el extremo más positivo del dipolo C=O, así que intentemos hacer nuestro nuevo vínculo ahí.

Este parece ser el lugar adecuado para hacer el enlace, pero si lo hacemos, el carbono carbonilo tiene cinco enlaces (*). Eso significa diez electrones en el caparazón de valencia, así que no sucede. Debemos encontrar la manera de reducir a cuatro el número de bonos. Podemos pensar en el mecanismo que elaboramos para la adición catalizada por ácido de agua. En ese mecanismo rompimos el enlace pi mediante el uso de sus electrones para hacer un nuevo enlace a H ⁺.

Veamos la posibilidad de que el enlace C=O pi se rompa a medida que se forma el enlace C-O sigma. Después de todo, los electrones en el enlace pi están más lejos de los núcleos que los de un enlace sigma, por lo que deberían ser más fáciles de empujar.

Otra forma de decir esto es que el enlace pi es más débil que el enlace sigma, por lo que se necesita menos energía para romperlo. La energía requerida para romper el enlace pi proviene de hacer el nuevo enlace sigma al OH ^-. (En el caso catalizado por ácido, el nuevo enlace que se está formando es el enlace entre el oxígeno carbonilo y el H ⁺. La ruptura de vínculos antiguos suele ser asistida por la formación de nuevos vínculos.

Terminamos este mecanismo haciendo el único enlace que queda por hacer, el enlace O-H.

Aquí nuevamente, la ruptura de un vínculo es asistida por la formación de otro vínculo. Además, este mecanismo hace un nuevo OH ^-para sustituir al que se utilizó en el primer paso, consistente con la observación de que la reacción es catalizada por base, lo que significa que el OH ^- no se ha agotado.

Formación Hemiacetal

Ahora usemos lo que sabemos sobre la adición de agua catalizada por ácido para hacer una predicción de lo que sucederá cuando mezclemos un aldehído con un alcohol y agregemos una o dos gotas de un catalizador ácido.

Queremos utilizar nuestro mecanismo para predecir la estructura del producto. Recordemos el mecanismo de adición de agua catalizada por ácido

Si seguimos de cerca los cambios de unión que ocurren alrededor del oxígeno del agua, notamos que uno de los hidrógenos siempre permanece unido. Ese vínculo no se rompe. Ese vínculo bien podría ser un bono C-O como lo es la situación en un alcohol. ¿Qué pasaría si simplemente reemplazáramos el agua por metanol en el mecanismo de hidratación catalizada por ácido?

En efecto, el mismo mecanismo parece funcionar bien. El grupo OH en metanol es un nucleófilo igual que el grupo OH en el agua. Otra forma de decir esto es que el grupo funcional del agua es el mismo que el grupo funcional de cualquier alcohol, un grupo OH. Si aprendemos una reacción por un alcohol, funcionará de la misma manera para cualquier otro alcohol, a menudo incluyendo el agua como el alcohol más pequeño posible.

Formación de Acetal

Cuando hacemos el experimento para probar nuestra predicción, encontramos que sí, se forma el producto que hemos predicho. Pero, también encontramos otro producto, uno que no había sido predicho.

(El nuevo producto se llama acetal. El que predijimos se llama hemiacetal.) Dado que el hemiacetal parece estar a la mitad del acetal, exploraremos la conversión del hemiacetal en el acetal.

Si observamos de cerca las diferencias entre estos dos productos, vemos que para hacer esto, necesitamos reemplazar el grupo OH del hemiacetal por el grupo OCH ₃ del acetal. (Podemos descartar la alternativa aparentemente más simple de reemplazar el H por el CH ₃ porque los experimentos de etiquetado isotópico muestran que el enlace O-CH ₃ no se rompe y el enlace entre el carbono central y el oxígeno OH se rompe). Esta reacción también es catalizada por ácido, por lo que podemos comenzar por hacer un enlace entre H ⁺ y el oxígeno OH, utilizando los electrones base Lewis del oxígeno (los pares de electrones suelen estar simbolizados por barras).

En el siguiente paso se rompe el enlace entre el carbono central y el oxígeno que acabamos de romper. Esto produce agua y deja el átomo de carbono central con sólo tres enlaces y una vacante en su caparazón de valencia. Un cálculo formal de carga nos dice que este átomo también está cargado positivamente, pero es la vacante del par de electrones lo que es más importante.

El átomo central es consecuentemente un electrófilo, abierto a formar un enlace con un nucleófilo. El nucleófilo es el oxígeno de otra molécula de metanol, cuyo par de electrones no compartidos se convierte en el nuevo enlace carbono-oxígeno.

Queda por romper el enlace entre el hidrógeno y el oxígeno cargado positivamente que produce el acetal y reemplaza al H ⁺ para regenerar el catalizador.

Solo para tener todo el proceso en un solo lugar, aquí está el mecanismo completo desde el aldehído a través del hemiacetal hasta el acetal:

Algunos Principios

Hay un par de ideas generales que podemos extraer de lo que hicimos al elaborar este mecanismo.

Carga y Reactividad: Contrastemos dos moléculas cargadas positivamente que encontramos en este mecanismo, una con tres enlaces al oxígeno y otra con tres enlaces al carbono.

Ambas moléculas están cargadas positivamente, y los cálculos formales de carga nos dicen dónde está esa carga. Pero hay una diferencia importante en sus estructuras y esa diferencia hace una diferencia importante en sus reacciones.

El catión cargado positivamente (lo llamamos carbocatión) con tres enlaces tiene solo seis electrones en su caparazón de valencia. Es un electrófilo. Hace un cuarto enlace usando electrones de un nucleófilo (el átomo de oxígeno del metanol aquí).

El oxígeno cargado positivamente (lo llamamos ion oxonio) tiene tres enlaces y un par no compartido. Tiene un octeto completo en su caparazón de valencia. No necesita más electrones así que no hace más enlaces. No es un electrófilo. Su reacción es romper un enlace, manteniendo los electrones, desprendiendo un H ⁺.

Esta distinción es importante. El cargo por sí solo no nos dice qué esperar. Proporciona un medio para determinar si un átomo cargado positivamente tiene una vancancia o no. A partir de eso podemos decidir si tal átomo es un electrófilo —listo para aceptar electrones para hacer un enlace— o no.

ROH como Nucleófilo: Observe que cada vez que usamos un alcohol (fórmula general, ROH) como nucleófilo, el orden de los pasos fue:

1. Reacción del par no compartido sobre el oxígeno para formar un nuevo enlace covalente. El oxígeno recibe una carga positiva.
2. Luego se pierde un H ⁺ del oxígeno cargado positivamente (ion oxonio).

Los estudiantes a menudo se preguntan por qué no invertimos el orden para que el H ⁺ salga primero para hacer RO ^-, que luego actuaría como el nucleófilo. Esto no sucede porque la reacción está ocurriendo en una solución ácida. Una base srong como RO ^- (aproximadamente tan básica como OH ^-) se consumiría inmediatamente por reacción con el ácido y no sobreviviría. El alcohol (base más débil, casi tan básico como el agua) es el disolvente, por lo que hay muchas moléculas de alcohol que rodean el carbocatión. Esto hace muy probable su reacción con un alcohol en lugar de RO ^- (llamado ion alcóxido).

Intermedios: El aldehído, el metanol, el hemiacetal y el acetal son moléculas estables. Se pueden aislar y estudiar a lo largo de un periodo de tiempo. Todas las demás moléculas en este mecanismo son mucho menos estables. Tienen energías relativamente altas y, por lo tanto, tiempos de vida cortos. Cuando se forman, reaccionan rápidamente. La pista principal de esto en sus estructuras es que tienen patrones de unión inusuales como tres enlaces al carbono (con una carga positiva) en lugar de cuatro, o tres enlaces al oxígeno en lugar de dos. Tales moléculas se denominan intermedios reactivos; reactivas porque su patrón de unión inusual sugiere que ocurrirá un cambio en la unión, e intermedios porque aparecen entre los reactivos y los productos.

Resonancia

Para terminar, volvamos a uno de nuestros intermedios de carbocationes. Recordemos que comenzamos a pensar en reacciones catalizadas por ácido de aldehídos mediante el uso de un enlace C-O pi para suministrar los electrones para hacer un nuevo enlace con H ⁺.

Hay una alternativa. También podríamos pensar en usar uno de los pares de electrones no compartidos en el átomo de oxígeno.

Comparemos las dos moléculas que obtenemos de esta manera.

Observe primero que la “conectividad” de estas dos estructuras es idéntica. Es decir, cada átomo está conectado exactamente a los mismos átomos en una estructura que en la otra. Entonces, observe que la única diferencia está en la ubicación de un par de electrones. A la izquierda, un par de electrones se muestra como no compartido en el oxígeno. A la derecha, ese par se muestra como haciendo un enlace pi.

Cuando dos (o más) estructuras difieren solo en la ubicación de los electrones, sin cambiar qué átomos están unidos a qué otros átomos, esas estructuras son diferentes formas de describir una sola molécula. Los símbolos difieren, pero solo se está describiendo una molécula. La notación para esto es conectar las dos estructuras por una flecha de doble punta, lo que no implica equilibrio. (Podemos usar el símbolo de flecha curva para realizar un seguimiento de los movimientos formales de los electrones).

A esta situación se le llama resonancia. Cuando la resonancia está involucrada, la estructura real (llamada híbrido de resonancia) es más estable que cualquiera de las estructuras formales (llamadas contribuyentes) que podamos dibujar. Esto se llama estabilización de resonancia.

A menudo, sólo voy a dibujar una estructura y esperar que usted reconozca que la resonancia está involucrada y saber qué otras estructuras podrían incluirse en la descripción del híbrido de resonancia. La estructura presentada será la que más directamente se conecte con la reacción que se está describiendo.

Utilizaremos la resonancia muchas más veces durante el semestre, por lo que habrá muchas oportunidades para aclarar tu comprensión.