adición nucléofila o nucleofílica es una reacción de adición donde en un compuesto químico un enlace π es eliminado mediante la adición de un nucleófilo, creándose dos nuevos enlaces covalentes (uno en cada extremo de lo que era el enlace múltiple).
Las reacciones de adición están limitadas a compuestos químicos que tengan átomos unidos por enlaces múltiple:
- Moléculas con enlaces múltiple carbono-heteroátomo como los carbonilos, las iminas o los nitrilos.
- Moléculas con dobles o triples enlaces carbono-carbono (cuando posean características de electrófilos).
Adición nucleófila a dobles enlaces carbono-heteroátomo
Las reacciones de adición de un nucleófilo sobre enlaces dobles carbono-heteroátomo tales como el C=O o el C=N muestran una amplia variedad. Estos enlaces sonpolares (existe una diferencia de electronegatividad significativa entre los dos átomos que los forman), de tal forma que el carbono soporta una carga parcial positiva. Esto hace que este átomo sea el objetivo del nucleófilo.
- Nu- + RR'C=O → NuRR'C-O- (Ataque nucleófilo)
- NuRR'C-O- + H+ → NuRR'C-OH (Protonación)
Este tipo de reacción también es conocida como adición nucleófila 1,2 o adición 1,2. Respecto a la estereoquímica de este tipo de ataque nucleófilo el producto de la reacción, en ausencia de quiralidad previa en la molécula, es el racemato, salvo cuando se tiene un centro quiral en α al carbono nucleófilo y en sistemas cíclicos o policíclicos donde tenemos caras diferenciadas, produciéndose en general en estos casos el ataque del nucleófilo mayoritariamente por la cara menos impedida (sin demasiada utilidad sintética aunque sirve para predecir el producto mayoritario).
Las reacciones de adición de este tipo son numerosas.
Sobre carbonilos
Con un compuesto carbonílico como electrófilo, el nucleófilo puede, por ejemplo, ser:
- Agua en una hidratación a diol geminal (hidrato):
- R2C=O + H2O → R2C(OH)2
- R2C=O + 2R'OH → R2C(OR')2 + H2O
- R2C=O + H- → R2CH-O- (Adición)
- R2CH-O- + H+ → R2CH-OH (Neutralización)
- R2C=O + R'NH2 → R2C=NR' + H2O
- Un enolato en la condensación aldólica.
- Un reactivo organometálico en la reacción de Grignard.
- Un iluro de fósforo en la reacción de Wittig.
Sobre nitrilos, iminas y otros
Con nitrilos la adición nucleófila puede, por ejemplo, tener lugar mediante:
- Hidrólisis de un nitrilo a un ácido carboxílico:
- R-CN + 2H2O → R-COOH + NH3
Con iminas la adición nucleófila, por ejemplo, puede ser con:
- Hidruros para dar aminas en la aminación reductora.
Con isocianatos:
- La adición de un alcohol para formar un uretano:
- R-NCO + R'OH → R-NHCOOR'
Adición nucleófila a enlace múltiple carbono-carbono
Para que pueda tener lugar una adición nucleófila sobre un doble enlace, típicamente nucleófilo, éste debe tener un sustituyente aceptor de electrones por resonancia, tal como un acilo, que lo haga susceptible de recibir el ataque de un nucleófilo al verse empobrecido electrónicamente (carácter electrófilo). Este es el caso de las adiciones conjugadas, como lo es la reacción de Michael.
En la sustitución nucleófila aromática vía bencino, anillo tensionado, se produce una adición nucleófila sobre un triple enlace.
Reacciones de adición de hidrocarburos
La reacción característica de los alquenos es la adición de sustancias al doble enlace, según la ecuación:
La primera etapa de la reacción es la adición del protón al alqueno nucleófilo, para formar el carbocatión. En la segunda etapa, el carbocatión reacciona con el nucleófilo.
La adición de electrófilos a alquenos hace posible la síntesis de muchas clases de:
2.2 Reacciones de adición nucleofilica
El grupo carbonilo, C=O, rige la química de aldehídos y cetonas de dos maneras:
(a) proporcionando un sitio para la adición nucleofílica, y
(b) aumentado la acidez de los átomos de hidrógeno unidos al carbono alfa. Estos dos efectos concuerdan con la estructura del grupo carbonilo y se deben, de hecho, a lo mismo: la capacidad del oxígeno para acomodar una carga negativa.
En esta sección examinaremos el grupo carbonilo como lugar para la adición nucleofílica.
El carbonilo contiene un doble enlace carbono-oxígeno. Como los electrones n móviles son fuertemente atraídos por el oxígeno, el carbono carbonílico es deficiente en electrones, mientras que el oxígeno es rico en ellos. Por ser plano, la parte de la molécula que lo contiene queda abierta al ataque relativamente libre por arriba y por abajo, en dirección perpendicular al plano del grupo, por lo que no es de sorprender que este accesible grupo polarizado sea muy reactivo.
¿Qué tipo de reactivo ataca a un grupo así? Dado que el paso importante de estas reacciones es la formación de un enlace con el carbono carbonílico deficiente en electrones (electrofílico), este grupo es más suceptible al ataque por reactivos nucleofílicos ricos en electrones; esto es, por bases. La reacción típica de aldehídos y cetonas es la adición nucleofílica.
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Como es de suponer, puede obtenerse una descripción mucho más realista de la reactividad del grupo carbonilo estudiando el estado de transición para el ataque de un nucleófilo. En el reactivo, el carbono es trigonal; en el estado de transición, el carbono comienza a adquirir la configuración tetraédrica que tendrá en el producto: los grupos unidos a él se acercan entre sí. Es de suponer que habrá un impedimento estérico moderado en esta reacción; es decir, grupos más grandes (R y R’) tenderán a resistir más la aglomeración entre ellos que los más pequeños. Sin embargo, el estado de transición es relativamente holgado si lo comparamos, por ejemplo, con el estado de transición para una reacción SN2 con su carbono pentavalente a la que nos referimos cuando decimos que el grupo carbonilo es accesible al ataque.
En el estado de transición, el oxígeno comienza a adquirir los electrones y la carga negativa que tendrá en el producto. La tendencia del oxígeno a adquirir electrones su capacidad para soportar una carga negativa es la verdadera causa de la reactividad del grupo carbonilo ante los nucleófilos. (La polaridad del carbonilo no es la causa de la reactividad, sino tan sólo otra manifestación de la electronegatividad del oxígeno.)
Por lo general, los aldehídos sufren la adición nucleofílica con mayor facilidad que las cetonas. Esta diferencia de reactividad concuerda con los estados de transición implicados y parece deberse a una combinación de factores electrónicos y estéricos. Donde el aldehído tiene un hidrógeno, una cetona tiene un segundo grupo alquilo o arilo, que es más grande que el hidrógeno, del primero, y resiste más a la aglomeración en el estado de transición. Un grupo alquilo libera electrones, por lo que debilita el estado de transición al intensificar la carga negativa que se desarrolla en el oxígeno.
Podríamos suponer que un grupo arilo, con su efecto inductivo de atracción electrónica , estabiliza el estado de transición y acelera la reacción. Sin embargo, parece estabilizar aún más al reactivo, por resonancia (contribución de I), causando así una desactivación neta.
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En presencia de un ácido, un protón se une al oxígeno carbonílico. Esta protonación previa rebaja la Eact para el ataque nucleofílico, pues permite que el oxígeno adquiera los electrones n sin tener que aceptar una carga negativa; por esta razón, la adición nucleofílica a aldehídos cetonas puede ser catalizada por ácidos (a veces por ácidos de Lewis)
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2.2.1 Reacciones de adición 1-2
Las reacciones de adición de un nucleófilo sobre enlaces dobles carbonoheteroátomo tales como el C=O o el C=N muestran una amplia variedad. Estos enlaces son polares (existe una diferencia de electronegatividad significativa entre los dos átomos que los forman), de tal forma que el carbono soporta una carga parcial positiva. Esto hace que este átomo sea el objetivo del nucleófilo.
Nu- + RR'C=O → NuRR'C-O-
(Ataque nucleófilo)
NuRR'C-O- + H + → NuRR'C-OH (Protonación)
Este tipo de reacción también es conocida como adición nucleófila 1,2 o adición 1,2. Respecto a la estereoquímica de este tipo de ataque nucleófilo el producto de la reacción, en ausencia de quiralidad previa en la molécula, es el racemato, salvo cuando se tiene un centro quiral en α al carbono nucleófilo y en sistemas cíclicos o policíclicos donde tenemos caras
diferenciadas, produciéndose en general en estos casos el ataque del nucleófilo mayoritariamente por la cara menos impedida (sin demasiada utilidad sintética aunque sirve para predecir el producto mayoritario).Las reacciones de adición de este tipo son numerosas.
2.2.2 Formación de acetales y cetales
Los acetales y cetales se preparan a partir de la acetona o aldehído correspondiente y un alcohol, en presencia de ácido mineral.
La reacción está en equilibrio marcado, así que se utilizan condiciones que favorezcan la formación del producto acetálico, por ejemplo, haciendo uso de la ley de accion de masas. El mecanismos de formación de acetales se cataliza con medio ácido. Esta reacción es en dos etapas, llevadas a cabo en el mismo reactor. En la primera, el compuesto carbonílico reacciona con una cantidad equivalente de alcohol, en un equilibrio ácido-base por un mecanismo de adición-eliminación para formar un hemiacetal (o hemicetal, según sea aldehído o cetona). El hemiacetal se protona posteriormente para formar el acetal otra vez por un mecanismo adición-eliminación.
En los compuestos orgánicos más sencillos, el equilibrio cetona + alcohol y hemicetal + agua suele estar desplazado hacia la izquierda. Sin embargo, en compuestos más complejos ( carbohidratos), donde otros factores pueden estabilizar al hemiacetal (por ejemplo, la formación de un anillo de 4 o 5 miembros), predomina el hemiacetal. La glucosa en solución acuosa se encuentra principalmente en forma cíclica hemiacetálica.
La formación de acetales reduce el número total de moléculas presentes y, en consecuencia, no es favorable en términos de la entropía. Una forma de mejorar esto es con el uso de un ortoéster como fuente de alcohol. Los aldehídos y cetonas pueden sufrir un proceso denominado intercambio acetalico con los ortoésteres para producir acetales. El agua producida junto con el producto acetálico es utilizada en hidrolizar el ortoéster y producir más alcohol para ser usado en la reacción.
2.2.3 Productos de adición del amoniaco y las aminas
El amoniaco, las aminas primarias y otros de sus derivados son agentes nucleofílicos, y al igual que otros nucleófilos, pueden atacar al carbono carbonilo de aldehídos y cetonas. La reacción debe catalizarse por trazas de ácidos. En principio puede imaginarse la primera etapa de la reacción como una simple adición del grupo amino al grupo carbonilo. El producto de adición obtenido es inestable y puede formar un doble enlace >C=N donde inicialmente se encontraba el grupo carbonilo >C=O, por eliminación de una molécula de agua.
2.2.4 Formación de cianhidrinas
Las cianhidrinas [3] se forman por reacción de aldehídos o cetonas [1] con ácido cianhídrico [2] y son compuestos que contienen un grupo cinano y un hidroxi sobre el mismo carbono.
El mecanismo de la reacción transcurre en dos etapas:
Etapa 1. Los iones cianuro actúan como nucleófilos atacando al carbono carbonilo. El ácido cianhídrico es demasiado débil para generar cantidades importantes de cianuro, por ello, se añade cianuro de sodio o potasio al medio, garantizando la cantidad suficiente de cianuro para que la reacción transcurra en buen rendimiento.
Etapa 2. En este paso el ión alcóxido [4] se protona arrancando hidrógenos al ácido cianhídrico. En esta etapa se regeneran los iones cianuro.
El mecanismo de la reacción transcurre en dos etapas:
Etapa 1. Los iones cianuro actúan como nucleófilos atacando al carbono carbonilo. El ácido cianhídrico es demasiado débil para generar cantidades importantes de cianuro, por ello, se añade cianuro de sodio o potasio al medio, garantizando la cantidad suficiente de cianuro para que la reacción transcurra en buen rendimiento.
Etapa 2. En este paso el ión alcóxido [4] se protona arrancando hidrógenos al ácido cianhídrico. En esta etapa se regeneran los iones cianuro.
2.2.5 Adición nucleofilica de compuestos organometalicos
Hidrólisis (obtención de alcanos) Acoplamiento de halogenuros de alquilo con compuestos organometálicos.
Adiciones nucleofílicas.Adición de compuestos organometálicos a aldehídos y cetonas (obtención de alcoholes).Adición de compuestos organometálicos a ésteresApertura nucleofílica del oxaciclopropano por compuestos organometálicos.Aldehídos y cetonasReacciones de adición nucleofílicaLos aldehídos y cetonas se encuentran entre los compuestos de mayor importancia, tanto en bioquímica como en la industria química. En el laboratorio, los aldehídos normalmente se elaboran por ruptura oxidativa de alquenos, por oxidación de alcoholes primarios o por reducción parcial de cloruros de ácidos o ésteres. Las cetonas se producen de manera similar por ruptura oxidativa de alquenos, por oxidación de alcoholes secundarios, o por
adición de diorganocupratos a cloruros de ácido.La reacción de adición nucleofílica es la reacción más importante de los
aldehídos y las cetonas, siendo posible elaborar una gran cantidad de productos por adición nucleofílica. Las reacciones son aplicables a cetonas y aldehídos, pero en general estos últimos son más reactivos por razones tanto estéricas como electrónicas.
2.2.5.1 Obtención de alcoholes
Las fuentes principales de donde de obtienen los alcoholes son las siguientes:
Cracking del petróleo .- Recuerda que el cracking o craqueo es el rompimiento de molèculas de petróleo para obtener productos derivados.Los alquenos que se obtienen luego de este proceso pueden dar alcoholes.
CH3—CH = CH2 + H2O—— CH3—CH2—CH2—OH
Propeno Propanol
Fermentación de carbohidratos .- Los azucares y almidones, que a su vez provienen de los vegetales-caña de azùcar,cebeada.maìz,etcétera-,al fermentar por acción de las levaduras producen alcohol etílico.
LevaduraC6H12O6————— C2H5OH +CO2
Reducción de los aldehídos y cetonas .- La reducción de un aldehído lleva a la formaciòn de un alcohol primario y la reducción de una cetona lleva a la formaciòn a un alcohol secundario.
CH3—-CHO +H2 —————CH3–+CH2—OH Etanal etanol
2.2.5.2 Obtención de ácidos
Los ácidos carboxílicos pueden prepararse utilizando los siguientes métodos:
♦ Oxidación de alquilbencenos: Los ácidos carboxílicos pueden obtenerse a partir de bencenos sustituidos con grupos alquilo por oxidación con permanganato de potasio o dicromato de sodio.
♦ Oxidación de alcoholes primarios: Los ácidos carboxílicos pueden obtenerse por oxidación de alcoholes primarios. Como reactivos puede utilizarse el oxidante de Jones, permanganato de potasio, dicromato de sodio......
♦ Oxidación de alquenos: La ruptura oxidativa de alquenos con oxidantes como permanganto de potasio o dicromato en medios ácidos genera ácidos carboxílicos cuando el alqueno tenga un hidrógeno sobre el carbono sp2. En ausencia de hidrógeno se forman cetonas, y los alquenos terminales producen dióxido de carbono.
♦ Organometálicos con CO2: Los reactivos de Grignard (organometálicos de magnesio) reaccionan con dióxido de carbono para formar las sáles de los ácidos carboxílicos. Una hidrólisis ácida posterior permite la conversión de estas sales en el correspondiente ácido.
♦ Hidrólisis de nitrilos: Los haloalcanos primarios y secundarios reaccionan con cianuro de sodio mediante mecanismos de tipos SN2 para formar nitrilos. La hidrólisis posterior del nitrilo rinde ácidos carbóxílicos. Deben emplearse haloalcanos con un carbono menos que el ácido que se desea obtener.
La hidrólisis del nitrilo puede realizase en medio básico, generando un carboxilato que se protona en una etapa de acidulación final.
♦ Oxidación de alquilbencenos: Los ácidos carboxílicos pueden obtenerse a partir de bencenos sustituidos con grupos alquilo por oxidación con permanganato de potasio o dicromato de sodio.
♦ Oxidación de alcoholes primarios: Los ácidos carboxílicos pueden obtenerse por oxidación de alcoholes primarios. Como reactivos puede utilizarse el oxidante de Jones, permanganato de potasio, dicromato de sodio......
♦ Oxidación de alquenos: La ruptura oxidativa de alquenos con oxidantes como permanganto de potasio o dicromato en medios ácidos genera ácidos carboxílicos cuando el alqueno tenga un hidrógeno sobre el carbono sp2. En ausencia de hidrógeno se forman cetonas, y los alquenos terminales producen dióxido de carbono.
♦ Organometálicos con CO2: Los reactivos de Grignard (organometálicos de magnesio) reaccionan con dióxido de carbono para formar las sáles de los ácidos carboxílicos. Una hidrólisis ácida posterior permite la conversión de estas sales en el correspondiente ácido.
♦ Hidrólisis de nitrilos: Los haloalcanos primarios y secundarios reaccionan con cianuro de sodio mediante mecanismos de tipos SN2 para formar nitrilos. La hidrólisis posterior del nitrilo rinde ácidos carbóxílicos. Deben emplearse haloalcanos con un carbono menos que el ácido que se desea obtener.
La hidrólisis del nitrilo puede realizase en medio básico, generando un carboxilato que se protona en una etapa de acidulación final.
2.3 Reacciones de adición electrofilica a compuestos insaturados
Los compuestos carbonilos α,β-insaturados son un clase importante de los compuestos carbonilos con la estructura general Cβ=Cα−C=O. En estos compuestos el grupo carbonilo está conjugado con un alqueno, y de esto provienen algunas propiedades especiales. Algunos ejemplos de los compuestos carbonilos α,β-insaturados son la acroleína, el óxido de mesitilo, el ácido acrílico, y el ácido maleico. Los compuestos carbonilos insaturados pueden prepararse en el laboratorio también por la reacción aldólica o por la reacción de Perkin.El grupo carbonilo, sea aldehído o ácido, atrae hacia sí los electrones del alqueno, y entonces el grupo alqueno en un compuesto carbonílico insaturado está desactivado hacia electrófilos como el bromo o el cloruro de hidrógeno. Como regla general, con los electrófilos asimétricos, el hídrogeno se agrega a la posición α en una adición electrofílica. Por otra parte, estos compuestos son activados hacia los nucleófilos en la adición nucleofílica.
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