1.7: Oxidación y Reducción, Acidez alfa-C-H

La última vez vimos cómo se podía llevar a cabo una adición nucleofílica de un átomo de carbono al carbono carbonilo mediante el uso de un reactivo de Grignard. Esta vez veremos las oxidaciones y reducciones de los grupos carbonilo y la acidez del átomo de hidrógeno alfa

Simbolizando oxidaciones y reducciones

Comenzaremos recordando lo que significaron los términos “oxidación” y “reducción” en la química inorgánica. La oxidación se suele utilizar para describir un proceso en el que los electrones se eliminan de una molécula o átomo. Aquí hay un ejemplo:

\[Fe^{2+} \rightarrow Fe^{3+} + e^-\]

Esto se interpreta en el sentido de que un ion ferroso (+2) se ha oxidado a un ion férrico (+3) mediante la eliminación de un electrón (e ^-). De igual manera, la reducción se utiliza para describir un proceso en el que se agregan electrones a una molécula o átomo. Un ejemplo podría ser:

\[Cr^{6+} + 3e^- \rightarrow Cr^{3+}\]

Interpretaríamos esto en el sentido de que un átomo de cromo en el nivel de oxidación seis se está reduciendo a cromo en el nivel de oxidación tres mediante la adición de tres electrones. Usando estos símbolos podemos realizar un seguimiento de los niveles de oxidación de los átomos a medida que se agregan o eliminan electrones. Tenga en cuenta que estas ecuaciones son “medias reacciones” y no indican de dónde vienen los electrones ni a dónde van.

Existen áreas importantes de la bioquímica (fotosíntesis, fosforilación oxidativa) donde este simbolismo para la oxidación y reducción es muy útil, pero para la mayor parte de la química orgánica donde las moléculas tienen muchos átomos, realizar un seguimiento de los niveles de oxidación de esta manera es engorroso y poco útil. En su lugar, usaremos las siguientes definiciones:

• Oxidación significa la adición de oxígeno a una molécula o la eliminación de hidrógeno de una molécula.
• Reducción significa la adición de hidrógeno a una molécula o la eliminación de oxígeno de una molécula.

Veamos algunos ejemplos:

¿Qué pasa con una reacción en la que tanto oxígeno como hidrógeno son añadidos o restados? Si la relación es de un oxígeno a dos hidrógenos (es decir, agua), no se está produciendo ni oxidación ni reducción. La adición o eliminación de agua no implica, por sí misma, una reacción de oxidación o reducción. La adición de agua a un aldehído para formar un hidrato no implica oxidación o reducción. Es posible que desee observar la formación de un acetal o hemiacetal de esta manera. Si el cambio neto en el número de hidrógenos y oxígenos resulta ser una relación de dos hidrógenos a un oxígeno, no implica oxidación ni reducción.

Agentes Oxidantes

Ahora, volvamos a lo que tenemos que hacer para que vaya una reacción de oxidación. Si volvemos al ejemplo que teníamos antes, estamos tratando de averiguar qué reactivo agregar a un aldehído para oxidarlo a un ácido carboxílico. Tal reactivo se llama agente oxidante. Los experimentos han demostrado que existen muchos reactivos de este tipo, pero uno que se usa común y eficazmente para este propósito es el ácido crómico (H ₂ CrO ₄). Este reactivo se prepara in situ (en la mezcla de reacción) mezclando un ácido fuerte como H ₂ SO ₄ y una sal de sodio o potasio del ion cromato (CrO ₄ ^2-) o dicromato (Cr ₂ O ₇ ^2-). La reacción y los reactivos necesarios se muestran de la siguiente manera:

Si una pregunta pide un reactivo que llevará a cabo una reacción, es necesario responder con un reactivo específico. Eso significa que necesitarás desarrollar una lista personal de reactivos y lo que hacen. Tanto los iones cromato como los dicromato contienen Cr ^VI, por lo que los reconocemos como potenciales agentes oxidantes basados en la capacidad del Cr ^VI para absorber electrones (y reducirse). Del mismo modo, los iones KMnO ₄ ^- (permanganato) contienen Mn ^VII y son buenos agentes oxidantes para muchas reacciones orgánicas.

Un punto final: la mayoría de las reacciones que hemos ilustrado para los aldehídos también funcionan con cetonas. Hemos tomado nota de la constante de equilibrio generalmente menos favorable para las adiciones a cetonas, pero las adiciones de agua, alcoholes, aminas, cianuro y reactivos de Grignard proceden a extensiones medibles con cetonas. Esto no es así con la oxidación. Para oxidar una cetona requeriría romper un enlace carbono-carbono entre el carbono carbonilo y un carbono unido a él. Los mecanismos para hacer esto involucran energías de activación tan altas que no ocurren en ningún grado práctico.

Agentes Reductores

¿Qué pasa con la reducción? De igual manera, existen reactivos específicos para la reducción de aldehídos y cetonas a alcoholes. (Ver Brown, Sec. 11.10B). Dos importantes son el borohidruro de sodio (NaBH ₄) y el hidruro de litio y aluminio (LiAlH ₄). Su uso se ilustra en los siguientes dos ejemplos.

Dado que no hay ruptura del enlace carbono-carbono que ocurre en estas reacciones, podríamos esperar que estos reactivos también reduzcan las cetonas a alcoholes. Ese es efectivamente el caso, como se ve en estos ejemplos.

Si comparamos el resultado de reducción de aldehídos con el de reducción de cetonas, notamos que los aldehídos producen alcoholes primarios mientras que las cetonas producen alcoholes secundarios. Esto nos da un método alternativo a la adición de Grignard para elaborar este tipo de compuestos. (Ahora sería un buen momento para hacer una lista personal de reacciones que producen alcoholes, junto con los reactivos necesarios y los tipos estructurales específicos involucrados. )

Mecanismo de Reducción

La comparación de estas reacciones de reducción con la adición de Grignard sugiere otro punto importante. En estas reducciones, los átomos de hidrógeno se agregan al carbono carbonilo y al oxígeno carbonilo. Dado que no hay indicios de ácido presente, estas reacciones se asemejan a la adición catalizada por bases de agua, la adición de HCN y la adición de un reactivo de Grignard en lugar de reacciones catalizadas por ácido. Podemos esperar que comiencen con el ataque de un nucleófilo en el carbono carbonílico. Para llegar al producto observado, el nucleófilo efectivo tiene que ser:H ^-, así como en la adición de un reactivo de Grignard, el nucleófilo fue efectivamente:R ^-. Justificamos esa afirmación para el reactivo de Grignard examinando el enlace carbono-magnesio y argumentando que estaba muy fuertemente polarizado para que el carbono controlara efectivamente el par de electrones de unión, haciendo que se comporte como:C ^-. ¿Podemos hacer algo similar para el hidrógeno en borohidruro de sodio o hidruro de litio y aluminio?

Primero, debemos darnos cuenta de que el borohidruro de sodio es una sal que está compuesta por un catión de sodio (Na ⁺) y un anión de borohidruro (BH ₄ ^-) El ion sodio no juega un papel importante en la reacción, por lo que lo ignoraremos (iones como el sodio y el potasio rara vez están involucrados directamente en reacciones. Están presentes simplemente para mantener el equilibrio de carga para que se puedan añadir compuestos estables a las mezclas de reacción. A menudo se les llama iones espectador.) El ion borohidruro es el jugador importante en este proceso, y es el enlace B-H lo que queremos examinar.

Un rápido vistazo a la tabla periódica para revisar las electronegatividades nos dice que tanto el boro como el aluminio son metales con electronegatividades relativamente bajas. Cada uno es menos electronegativo que el carbono, y dado que el hidrógeno tiene aproximadamente la misma electronegatividad que el carbono, podemos concluir que el enlace B-H está polarizado con el boro positivo y el hidrógeno negativo. Esto es muy similar a la forma en que entendimos la situación electrónica en un reactivo de Grignard, por lo que concluimos que el enlace B-H sirve efectivamente como fuente de ion hidruro (:H _-). Esto se resume a continuación.

Con esta información y la adición de un reactivo de Grignard como patrón, podemos llegar al siguiente mecanismo para la reducción de un aldehído por borohidruro de sodio.

Observe el patrón familiar: Ataque de un nucleófilo al carbono carbonílico, seguido de protonación del oxígeno carbonílico.

El mismo mecanismo se aplica a la reducción de cetonas por borohidruro de sodio y a las reacciones de grupos carbonilo con hidruro de litio y aluminio. En este último caso, el hidruro de litio y aluminio es altamente reactivo con el agua, por lo que el agua se agrega después de que el hidruro de litio y aluminio haya reaccionado.

Iones enolados

Tenemos un tema importante en la química del carbonilo para introducir: las reacciones que ocurren en el carbono unido al carbono carbonilo. Este carbono se llama el carbono alfa. He aquí un ejemplo de tal reacción.

Podemos escoger varias características importantes de esta reacción a partir de este ejemplo. Primero, hay dos carbonos alfa, pero sólo uno sufre una reacción. Ese (a la izquierda) está unido a un hidrógeno en el reactivo. Segundo, notamos que no hay reacción en los enlaces beta-C-H. La reactividad se restringe al enlace C-H en un carbono directamente al carbono carbonilo. Este tipo de reacción requiere un enlace alfa-C-H. En cierto sentido, la presencia del grupo carbonilo junto a este enlace C-H lo convierte en un grupo funcional.

Ahora a considerar un mecanismo. Nuestro mecanismo debe explicar la formación de un enlace carbono-bromo y un enlace oxígeno-hidrógeno (en agua) y la escisión de un enlace carbono-hidrógeno (alfa) y un enlace bromo-bromo. También debe sugerir un papel para el OH ^-. así que comencemos especulando que el ion hidróxido que actúa como base hace un enlace con el hidrógeno alfa. Este proceso se acopla a la ruptura del enlace alfa-C-H, cuyos electrones se transfieren luego al carbono alfa.

Esto llama la atención, porque estamos proponiendo que el alfa-hidrógeno sea lo suficientemente ácido como para ser eliminado por una base no más fuerte que OH ^-. Esto ciertamente no es cierto para otros enlaces C-H, y sólo es cierto aquí en la medida en que la constante de equilibrio para este paso es muy pequeña. Hay muy poco del producto de este paso en equilibrio (llamaremos a este producto un enolado, por razones que tendrán más sentido un poco más adelante). De qué se trata un ion enolato que permite que se haga en absoluto. Dicho de otra manera, ¿por qué el ion enolato es lo suficientemente estable como para formarse, mientras que un ion similar hecho de otro enlace C-H no lo es. Cuando buscamos razones de estabilidad, la resonancia es una de las ideas que debemos explorar. Dado que este proceso requiere el grupo carbonilo de al lado, esa resonancia debe involucrar al grupo carbonilo.

Bastante seguro, si movemos electrones como lo indican las flechas curvas, encontramos una estructura de resonancia alternativa. Esta estructura tiene la ventaja energética de que el par de electrones no compartidos está en el oxígeno (el átomo más electronegativo) en lugar del carbono. Y, la propia resonancia contribuye a bajar la energía del enolado, lo que la hace lo suficientemente estable como para que un poco de ella se forme en equilibrio. Es importante volver a enfatizar que nada de esto puede suceder si el grupo carbonilo no está al lado del enlace C-H reactivo.

El carbono alfa en el enolato está todo configurado para comportarse como un nucleófilo, proporcionando un par de electrones para hacer un nuevo enlace a una molécula de bromo. Esto requiere que el enlace bromo-bromo se rompa al mismo tiempo. Observe que cualquiera de las estructuras de resonancia puede usarse para entregar el par de electrones necesario para hacer el enlace carbono-bromo. Esto es necesariamente así, ya que las dos estructuras de resonancia son descripciones alternas del mismo híbrido de resonancia.

El bromo se está comportando como un electrófilo, no porque tenga una vacante en una valencia orbital, sino porque puede simular tal vacante rompiendo un vínculo. Esto nos recuerda el comportamiento del enlace pi en un grupo carbonilo cuando reacciona con un nucleófilo en el átomo de carbono.

Ejemplo\(\PageIndex{1}\):

Hay algunas preguntas que se hacen rutinariamente, así que vamos a llevarlas aquí arriba.

1. ¿Por qué el OH ^- ataca el enlace alfa C-H en lugar del carbono carbonilo?
   1. Ataca a ambos, pero el ataque al carbono carbonílico conduce al hidrato, el producto de la adición de agua. Esto ciertamente ocurre, pero no lleva a ninguna parte ya que el hidrato está presente en cantidades muy pequeñas en equilibrio para las cetonas y la mayoría de los aldehídos.
2. ¿Por qué la reacción con el bromo molecular tiene lugar solo en el carbono? Después de todo, también hay un par de electrones no compartidos potencialmente nucleofílicos en el oxígeno.
   1. La reacción puede tener lugar en el oxígeno, pero el compuesto formado con un enlace covalente entre dos elementos bastante electronegativos es menos estable que el que resulta de la reacción en el carbono alfa.

Colaboradores

• Kirk McMichael (Washington State University)