ALDEIDI E CHETONI

Il gruppo carbonilico, un carbonio legato tramite doppio legame ad un ossigeno, è probabilmente il gruppo funzionale più importante che si ritrova nei composti organici. I composti che contengono gruppi carbonilici sono moltissimi (ormoni, aldeidi, chetoni, acidi carbossilici e derivati, amminoacidi……), anche se, in senso stretto, come composti carbonilici vengono classificati 2 gruppi di sostanze organiche: le aldeidi e i chetoni.

STRUTTURA DEL GRUPPO CARBONILICO

La geometria del gruppo carbonilico, considerando C come atomo centrale, è triangolare planare (AX3) essendo tale carbonio ibrido sp2, legato a tre  leganti. La funzione carbonilica in realtà è un ibrido di risonanza frutto di 2 forme limite.

ALDEIDI E CHETONI

• Un’ aldeide è un composto dove il gruppo carbonilico è legato a un gruppo alchilico (R) e un idrogeno. L’aldeide più semplice è l’aldeide formica (metanale) che ha legati al gruppo carbonilico due idrogeni.

• Un chetone, invece, è una sostanza il cui gruppo carbonilico è legato a due gruppi alchilici uguali o diversi (R = R’ o R ≠ R’).

Se i residui legati al carbonio carbonilico sono aromatici (almeno 1 nei chetoni) l’aldeide o il chetone sono aromatici (un composto aromatico deve soddisfare la regola di Hückel, che richiede che l'anello contenga esattamente 4n + 2 elettroni π, dove n è un numero intero positivo. Questa regola è applicabile solo ad anelli planari con atomi di carbonio sp2 ibridati e con una distribuzione uniforme di densità elettronica lungo l'anello).

Usi e tossicità

In natura

• ​Le aldeidi sono presenti nel glucosio, infatti lo zucchero alla base di molte molecole possiede un gruppo aldeidico, mentre il fruttosio, suo simile, uno chetonico. Per la loro elevata reattività aldeidi e chetoni sono protagonisti nel mondo biochimico.

• La vista per esempio, è permessa dalla presenza nella retina del retinale o aldeide della vitamina A che, reagendo alla luce, induce il potenziale elettrico che il nostro cervello interpreta come un’immagine.

• Inoltre abbiamo il citronellale che si trova nel limone, l’aldeide cinnamica nel cinnamone, l’aldeide vanillica nella vaniglia. Tra i chetoni ricordiamo la canfora e il carvone, che si trovano nell’olio di comino.

• L’acetaldeide (etanale) è coinvolta in molti processi biologici come la produzione di acido acetico (il quale è presente nell’aceto).  ​ ​

In laboratorio

• Per profumi, per esempo Chanel No.5 e No.22, Lancôme Climat, Givenchy L'Interdit, Estée Lauder Estée, e D & G Sicilia.

• La formaldeide (metanale) è la più semplice delle aldeidi e ha un odore acre e pungente ed è fortemente tossica. In soluzione acquosa è conosciuta come formalina, utilizzato nella sterilizzazione e in passato come colla nei mobili in legno.

• L’acetone (dimetilchetone) è il più piccolo dei chetoni e ha un odore fruttato caratteristico. Oltre ad essere un ottimo solvente organico, usato per rimuovere lo smalto per le unghie, è comunemente utilizzato nei laboratori chimici per vari usi, seppur sia tossico per inalazione.

​NOMENCLATURA

Se il CHO è legato ad una catena di atomi di carbonio, bisogna trovare la catena più lunga contenente il gruppo CHO, e sostituire l’ultima lettera –o del nome dell’alcano progenitore con il suffisso –ale. Se il gruppo CHO è legato ad un anello, al nome dell’anello viene aggiunto il suffisso –carbaldeide.

Numerare la catena di atomi di carbonio o l’anello assegnando al gruppo CHO il numero 1, ma omettere questo numero dal nome dell’aldeide. Utilizzare poi tutte le altre regole di nomenclatura.

• Come gli acidi carbossilici, molte aldeidi semplici hanno nomi comuni che sono ampiamente utilizzati.

• Un nome comune per un’aldeide è formato dal nome comune del composto progenitore aggiungendo il suffisso -aldeide.

• Si usano lettere greche per assegnare la posizione dei sostituenti qualora si utilizzi una nomenclatura di tipo comune.

Nel sistema IUPAC, tutti i chetoni sono identificati con il suffisso “one”.

• Trovare la catena di atomi di carbonio più lunga che contiene il chetone e modificre il nome della catena cambiando il suffisso da –ano in -one.

• Numerare la catena di atomi di carbonio in modo da assegnare al carbonio carbonilico il numero più basso. Applicare quindi tutte le solite regole di nomenclatura.

• Con i chetoni ciclici, numerare il ciclo partendo dal carbonio carbonilico, ma di solito il numero “1” è omesso dal nome del chetone. La numerazione al ciclo si assegna percorrendo il ciclo partendo dal carbonio carbonilico e proseguendo in senso orario, oppure antiorario per ottenere la numerazione più bassa

• Talvolta, i gruppi acilici devono essere considerati dei sostituenti. 

​PROPRIETA' FISICHE

In generale i punti di ebollizione di questi composti sono minori di quelli degli alcoli a parità di numero di atomi di carbonio, vista l’assenza in queste sostanze di legami idrogeno intermolecolari. Reagiscono come nucleofili.

Nel particolare:

• Le aldeidi – i primi due termini (CH2O, CH3CHO) sono gassose, mentre le altre sono liquide.

• I chetoni: tutti i chetoni alifatici sono liquidi, mentre quelli aromatici sono solidi.

Tautomeria cheto-enolica 

E' un tipo di isomeria tautomerica che si verifica tra una forma chetonica e una forma enolica di una molecola organica. La forma chetonica e la forma enolica sono isomeri costituzionali che si differenziano nella posizione di un atomo di idrogeno e di un gruppo carbonilico.

Nella forma chetonica, l'atomo di idrogeno è legato all'atomo di carbonio del gruppo carbonilico, mentre nella forma enolica, l'atomo di idrogeno è legato all'atomo di carbonio adiacente al gruppo carbonilico, formando una doppia legame C=C e un gruppo ossidrile (-OH). Questa reazione di tautomeria cheto-enolica avviene facilmente in presenza di acidi o basi, che possono catalizzare la trasformazione di una forma tautomera in un'altra.

​SINTESI ALDEIDI

1) OSSIDAZIONE DI ALCOLI PRIMARI

Con bicromato di sodio e acido solforico se in soluzione acquosa. Se, invece, in composti organici, quali l'etere, si usa anidride cromica, acetone e acido solforico (reattivo di Jones).

​Ad esempio il K2Cr2O7 o H2Cr2O4 porta alla formazione di aldeidi intermedie che vengono ossidate in modo esaustivo ai corrispondenti acidi carbossilici. In ambiente acido e può essere utilizzata come reazione di riconoscimento della presenza di una funzione alcolica all’interno di un composto in quanto colorimetrica:

Approfondimento: Su questa reazione si basa il test utilizzato dalle forze di sicurezza per determinare in modo approssimativo il livello alcolico nel sangue di un individuo (alcol test). L’ ossidazione di un alcol primario può essere fermata ad aldeide se come agente ossidante si usa il clorocromato di piridinio – PCC in ambiente anidro. Vista la tossicità del Cromo sono stati messi a punto altri metodi di ossidazione degli alcoli primari a aldeidi utilizzando reattivi come il dimetilsolfossido (CH3)2S = O. Deidrogenazione con Cu: Se si tratta l’alcol primario con rame metallico e calore, avviene una deidrogenazione che porta alla formazione di aldeide: RCH2OH + Cu (∆) → R – C = O H   

2) SINTESI DA ESTERI CON REATTIVI di Grignard

​SINTESI DI CHETONI

1) OSSIDAZIONE DI ALCOLI SECONDARI

L’ossidazione di alcoli secondari, se solubili in acqua, avviene con ossidanti comuni, quali ad esempio il K2Cr2O7 o H2Cr2O4 in presenza di acido solforico e porta alla formazione di chetoni:

Per composti che hanno bassa solubilità in acqua si usa come ossidante una soluzione di anidride cromica in acetone, acqua e acido solforico (reattivo di Jones) oppure CrO3 in piridina. Entrambi questi reattivi non ossidano eventuali doppi legami presenti nella molecola:

 2) ACILAZIONE DI FRIEDEL CRAFTS – per chetoni aromatici

3) ​IDRATAZIONI ALCHINI

Gli alchini reagendo con acqua in presenza di un acido forte come l’acido solforico, formano un alcol vinilico (enolo) che, per tautomeria cheto-enolica, riarrangia dando il chetone corrispondente:

4) ADDIZIONI A NITRILI DEI REATTIVI DI GRIGNARD 

​Trattando i nitrili con i reattivi di Grignard si ha l’ addizione nucleofila di un gruppo R con formazione di un’ immina che poi viene idrolizzata a caldo e in ambiente acido a chetone:

​REATTIVITA'

Danno principalmente reazioni di addizione nucleofila al carbonio carbonilico, ossidazione e riduzione del gruppo carbonilico e reazioni legate all'acidità degli idrogeni in α, per cui, in presenza di una base forte, si ha la formazione di un carbanione fortemente basico, in grado di effettuare attacchi nucleofili su atomi di C positivi.

Il risultato finale è che si rompe il legame p, si formano due nuovi legami s, e l’idrogeno H e il nucleofilo Nu sono addizionati al legame p.

​Il gruppo carbonilico può essere quindi rappresentato da due strutture di risonanza.

Le aldeidi sono più reattive nell’attacco nucleofilo, sia per ragioni steriche che elettroniche.

Le reazioni che analizzeremo sono:

1) RIDUZIONI

2) REAZIONI CON COMPOSTI ORGANOMETALLICI - Reazioni con reattivi di Grignard

​3) OSSIDAZIONI

4) IDRATAZIONI

5) ADDIZIONE ALCOLI -  sintesi di acetali

​6) REAZIONI CON IONI ACETILURO

​7) REAZIONE CON ACIDO CIANIDRICO - formazione cianidrine

8) REAZIONI CON NUCLEOFILI ALL'AZOTO

9) ACIDITÀ DEGLI IDROGENI IN ALFA

10) CONDENSAZIONE ALDOLICA

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​1) RIDUZIONI

Industrialmente per ottenere alcoli viene fatta con H2 e Ni, Pt, Pd o Ru. In queste condizioni il doppio legame degli alcheni si riduce molto più velocemente del carbonile e quindi si ottengono alcoli saturi.​

​In laboratorio, aldeidi e chetoni vengono ridotti ad alcoli utilizzando sodio boroidruro NaBH4 o litio alluminio idruro LiAlH4. Questi idruri metallici sono più selettivi perché inerti nei confronti dei doppi legami C-C.

• ​NaBH4 è un riducente blando che viene usato in solvente alcolico o acquoso. Può ridurre solo aldeidi, chetoni e cloruri acilici (i derivati più reattivi degli acidi) e non acidi carbossilici e gli altri derivati. L’estere borico, che si ottiene dopo la riduzione, viene idrolizzato per leggero riscaldamento per liberare l’alcol finale.

Esempio dei vari casi:

• LiAlH4 è un riducente molto reattivo e viene distrutto anche da tracce di acqua liberando H2, per questo viene utilizzato in etere in atmosfera di azoto. Può ridurre anche gli acidi carbossilici e i loro derivati, esteri, ammidi, nitrili.... Anche qui si ottiene un estere che viene idrolizzato per leggero riscaldamento con acqua per liberare l’alcol. 

​1') RIDUZIONE AD IDROCARBURI

Le aldeidi e i chetoni possono essere ridotti direttamente ad idrocarburi con tre diverse reazioni:

• riduzione di Clemmensen - amalgama ZnHg con HCl e calore

• riduzione di Wolff-Kishner - idrazina H2NNH2 con NaOH e calore

• desolforazione dei tioacetali - red di tioacetali/tiochetali con Nichel Raney

​Senza queste reazioni dirette, per ridurre aldeidi e chetoni ad idrocarburi si dovrebbero usare più reazioni in sequenza: per esempio si potrebbe usare la sequenza di reazioni mostrata qui sotto: 1) chetone → alcol → alogenuro alchilico → alcano​

​​2) REAZIONI CON COMPOSTI ORGANOMETALLICI - Reazioni con reattivi di Grignard

Tale reazione può formare un’ enorme varietà di composti perché si può variare sia la struttura del substrato carbonilico che la struttura del reattivo di Grignard. ​Queste reazioni sono molto importanti per formare gli scheletri carboniosi di molecole organiche complesse.

I metalli presenti nei reattivi organometallici sono Mg, Sn, Si, Tl, Al, Ti, e Hg. Più è polare il legame C-metallo più è reattivo.​

I reagenti organometallici sono basi forti che estraggono facilmente un protone dall’acqua per formare gli idrocarburi.

Poichè i composti di organolitio ed i reagenti di Grignard sono preparati dagli alogenuri alchilici, un metodo a due stadi converte un alogenuro alchilico in un alcano (o un altro idrocarburo).

L’attacco di un reattivo di Grignard su un composto carbonilico porta alla formazione di un alcol:

1. formazione di uno ione alcossido complessato allo ione Mg(X)+,

2. l’addizione di acqua o di un acido alogenidrico rompe il complesso e si forma l’alcol corrispondente.

Quando il reattivo di Grignard reagisce con la formaldeide, il prodotto di addizione è un alcol primario:

Quando la reazione del reattivo di Grignard avviene con un’aldeide diversa dalla formaldeide, il prodotto di addizione è un alcol secondario:

Infine, con un chetone il prodotto di addizione è un alcol terziario:

3) OSSIDAZIONI:

Le aldeidi vengono ossidate facilmente ad acidi carbossilici da una varietà di reattivi. Il più utilizzato è forse Cr(VI) sotto forma di bicromato in ambiente acquoso acido nel quale si trasforma in acido cromico H2CrO4 (oppure Ag2O). Le aldeidi reagiscono nella forma idratata come si è visto nel capitolo sugli alcoli. Solo se possiedono dei gruppi OH, infatti, le aldeidi possono formare esteri dell’acido cromico che sono l’intermedio chiave della reazione di ossidazione.

I reattivi di Fehling, Benedict e Tollens ossidano le aldeidi ad acidi carbossilici, ma vengono usati, soprattutto coi carboidrati, solo a scopo analitico. Non sono adatti per essere usati nelle sintesi perchè le aldeidi in ambiente basico non sono stabili e tendono a dare addizione aldolica, mentre i carboidrati in ambiente basico tendono a isomerizzare. Nei saggi di Fehling e Benedict l’ossidante è il Cu2+ che, in ambiente basico, ossida le aldeidi ad acidi carbossilici. Si forma un precipitato rosso mattone di ossido rameoso Cu 2O che permette di confermare la presenza di aldeidi. 

• Il reattivo di Fehling è composto da due soluzioni (A e B) da mescolare al momento dell’uso. La soluzione A contiene NaOH e tartrato di sodio (un complessante del Cu2+); la soluzione B contiene CuSO4. Il tartrato impedisce per qualche tempo al rame di precipitare come idrossido e questo consente di eseguire la reazione

• Il reattivo di Benedict, invece, consiste in un’unica soluzione di NaOH, citrato di sodio e CuSO4. Si può conservare senza che il rame precipiti come idrossido perchè il citrato è un complessante più forte del tartrato.

• Nel saggio di Tollens il reattivo è costituito da una soluzione ammoniacale di AgNO3. Il reagente ossidante è Ag+ che ossida le aldeidi ad acidi carbossilici. Precipita argento metallico che forma uno specchio sulle pareti di vetro della provetta.

I chetoni si ossidano solo se viene rotto uno dei legami C ─C ai lati del carbonile, ma per questo servono condizioni forti di ossidazione. Per esempio il permanganato a caldo attacca il doppio legame degli enoli che si trovano in equilibrio con i chetoni per tautomeria cheto-enolica. Dato che il chetone può formare l’enolo a sinistra o a destra del carbonile, si ottengono miscele di prodotti e la reazione è di scarso interesse.

• La reazione di Baeyer Villiger, cioè l’ossidazione dei chetoni con perossiacidi che produce esteri. Qui vediamo l’ossidazione con acido perossiacetico dell’acetofenone che produce fenil acetato. 

4) IDRATAZIONE - Addizione di acqua

L’acqua si addiziona ad un composto carbonilico formando un idrato. Un idrato è una molecola con due gruppi -OH legati allo stesso carbonio detti anche gem -dioli e, come tali, sono troppo instabili per essere isolati perché in essi un C tetraedrico è legato a due atomi di ossigeno.

L’acqua è un nucleofilo debole e perciò si addiziona lentamente ad un carbonio carbonilico se non catalizzata in ambiente acido.

Il grado in cui un’aldeide o un chetone è idratato in soluzione acquosa dipende dall’aldeide o dal chetone. Per esempio, all’ equilibrio, solo lo 0,2% di acetone è idratato, mentre la formaldeide è idratata al 99, 9%.

La costante di equilibrio di una reazione dipende dalle stabilità relative dei reagenti e dei prodotti. La costante di equilibrio in questo caso dipende dalle stabilità relative del composto carbonilico e dell’ idrato. Abbiamo già visto che i gruppi alchilici (elettron – donatori) rendono stabile e meno reattivo un chetone nei confronti dell’ aldeide.

Al contrario i gruppi alchilici rendono l’ idrato meno stabile a causa delle interazioni steriche tra i gruppi alchilici stessi.

Le nuvole elettroniche dei gruppi alchilici non interferiscono tra di loro nei composti carbonilici perché gli angoli di legame sono di 120° e il composto è planare, rispetto al C carbonilico. Nell’ idrato, tetraedrico, l’angolo di legame è di 109,5° per cui i gruppi alchilici sono più vicini (maggior ingombro sterico) gli uni rispetto agli altri.

I gruppi alchilici, perciò, spostano l’equilibrio verso sinistra – verso i reagenti – perché stabilizzano il composto carbonilico e destabilizzano l’idrato e di conseguenza, all’equilibrio, l’acetone è idratato in misura minore della formaldeide.

5) ADDIZIONE ALCOLI -  sintesi di acetali

La reazione è una reazione reversibile e deve essere catalizzata da un acido. Avviene a Tamb.

• Quando un equivalente di alcol si addiziona a un’aldeide il prodotto che si forma è un emiacetale. Il prodotto che si forma quando un secondo equivalente di alcol si addiziona all’ aldeide viene chiamato acetale.

• Nel caso sia abbia un chetone, la prima addizione porta alla formazione di un emichetale, la seconda produce un chetale.

Meccanismo di formazione acido – catalizzata di un chetale (o acetale)

Nel primo stadio di formazione del chetale (o acetale) la molecola del substrato viene protonata dall’acido sull’ossigeno carbonilico rendendo il carbonio legato ad esso più suscettibile ad un attacco da parte del nucleofilo; la perdita di un protone dall’intermedio tetraedrico protonato porta alla formazione del emichetale (o emiacetale). Visto che la reazione avviene in soluzione acida l’ emichetale (o emiacetale) è in equilibrio con la sua forma protonata: tale forma protonata, perdendo acqua, porta ad un intermedio molto reattivo a causa del carbonio carente di elettroni per la vicinanza di un ossigeno positivizzato e pertanto subisce l’attacco di una seconda molecola d’alcol che genera il chetale (o acetale).

Sebbene l’acetale o il chetale formati siano specie instabili a causa dei due ossigeni geminali (legati allo stesso atomo di Carbonio), sono isolabili se l’acqua, formata dall’emichetale (o emiacetale), viene allontanata dall’ambiente di reazione.

Infatti, in assenza di acqua, l’unica sostanza che i due prodotti potrebbero generare è un catione carbonilico O-metilato molto più instabile dei prodotti acetalici o chetalici. Affinchè la reazione torni indietro si deve agire in ambiente di soluzione acquosa acida.

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​6) REAZIONI CON IONI ACETILURO

Un alchino terminale può essere trasformato in ione acetiluro da una base forte, secondo la reazione. Quando la reazione di addizione è terminata viene addizionato alla miscela di reazione un acido debole (tale da non reagire con il triplo legame, come lo ione piridinio), in modo da protonare lo ione alcossido:

​7) REAZIONE CON ACIDO CIANIDRICO - formazione cianidrine

La reazione porta ad un prodotto con un C in più rispetto al substrato di partenza. Dato che è facilmente reversibile, può essere usata sia per allungare sia per accorciare la catena di atomi di carbonio di uno zucchero. Nel primo stadio della reazione, lo ione cianuro attacca il C carbonilico e poi lo ione alcossido che si forma viene saturato da una molecola di acido cianidrico indissociata:

Spesso lo ione cianuro viene generato nell’ambiente di reazione, da KCN o NaCN, con HCl. HCN è un acido troppo debole per addizionarsi direttamente ad un gruppo carbonilico; l’ addizione avviene in modo soddisfacente in ambiente leggermente alcalino, ad esempio in soluzione tampone NaCN-HCN, poiché si aumenta la concentrazione dello ione cianuro, nucleofilo abbastanza forte da dare la reazione di addizione. L’ acido cianidrico è tossico e pericoloso in quanto il suo odore viene avvertito solo a concentrazioni che possono essere letali.

L’addizione catalitica di idrogeno ad una cianidrina forma un’ ammina primaria con un gruppo -OH sul carbonio β:

8) REAZIONI CON NUCLEOFILI ALL'AZOTO

Aldeidi e chetoni reagiscono con le ammine primarie formando immine (spesse volte denominato base di Schiff:).

Il pH a cui è condotta la reazione di formazione dell’ immina deve essere attentamente controllato. La quantità di acido presente deve essere sufficiente a protonare l’ intermedio tetraedrico, in modo che il gruppo uscente sia l’ acqua piuttosto che il gruppo OH-, molto più basico dell’ acqua. Tuttavia se è presente troppo acido nell’ambiente di reazione, tutta l’ammina viene protonata e le ammine protonate, perdendo il carattere nucleofilo, non reagiscono con il gruppo carbonilico. Perciò a differenza delle reazioni acido catalizzate, nel primo stadio di reazione non deve essere presente una quantità di acido sufficiente a protonare il gruppo carbonilico.

La formazione dell’ immina è reversibile, in soluzione acquosa acida l’immina viene idrolizzata riformando il gruppo carbonilico e l’ammina di partenza protonata, che, come tale, non è in grado di reagire con il composto carbonilico per riformare l’immina:

La formazione dell’immina e la sua idrolisi sono reazioni importanti nei sistemi biologici. L’ idrolisi dell’immina è la ragione per cui il DNA contiene i nucleotidi A, G, C e T, mentre nel RNA troviamo A, G, C e U.

La presenza di Timina nel DNA al posto dell’ Uracile previene potenziali mutazioni genetiche letali. La citosina può tautomerizzare per formare un’immina, che può essere idrolizzata ad Uracile:

La reazione globale è chiamata deamminazione dal momento che viene rimosso un gruppo amminico.

Se questo avviene nella replicazione del DNA l’Uracile specifica l’introduzione di una Adenina nel filamento figlio, sua base complementare, invece della Guanina che sarebbe specificata dalla Citosina. Per fortuna un U nel DNA viene riconosciuto come “errore” dagli enzimi cellulari prima che una base sbagliata possa essere inserita nel filamento figlio, e come tale viene tagliato dalla catena e sostituito con la Citosina. Se l’ Uracile si trovasse normalmente nel DNA, gli enzimi non sarebbero in grado di distinguere un normale U da un U prodotto per deamminazione della Citosina. Quindi la presenza di T al posto dell’ Uracile nel DNA, permette di riconoscere eventuali U presenti nella doppia elica come errori.

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9) ACIDITÀ DEGLI IDROGENI IN ALFA

Il gruppo carbonilico agisce come un forte sostituente elettron attrattore aumentando la carica positiva e quindi l’acidità degli idrogeni legati all’atomo di carbonio adiacente (carbonio alfa).

Convenzionalmente la posizione degli atomi di carbonio di una catena carboniosa alla quale appartiene un gruppo carbonile viene determinata, rispetto ad esso, tramite lettere greche. Il carbonio adiacente al carbonile è detto α, il successivo β e così via.

L’ aldeide butanale, ad esempio, possiede un carbonio α, un carbonio β ed un carbonio γ:

Gli idrogeni vengono indicati con la medesima lettera greca dell’atomo di carbonio al quale sono legati. Così il butanale presenta due idrogeni - alfa, due idrogeni - beta e tre idrogeni gamma.

Aldeidi e chetoni che possiedono α - idrogeni reagiscono con gli alogeni per dare razioni di sostituzione di uno degli atomi di idrogeno in alfa. La reazione risulta regiospecifica per gli α - idrogeni. Infatti, nessun altro atomo di idrogeno, in posizione diversa da quella alfa, viene sostituito dall’alogeno.

La reazione può essere condotta in una varietà di solventi (acqua, cloroformio, etere dietilico, acido acetico).

La sostituzione è catalizzata dagli acidi e, poiché uno dei prodotti di reazione è un acido (acido alogenidrico), il processo viene detto autocatalitico.

Il meccanismo dell’alogenazione acido-catalizzata di aldeidi e chetoni è diverso dall’ alogenazione radicalica degli alcani. La reazione avviene infatti a temperatura ambiente ed in assenza di un radicale - libero di iniziazione.

La velocità di reazione dipende solo dalla concentrazione del substrato carbonilico ed è indipendente dall’alogeno (avviene sia con Cl2, sia con Br2 e con I2). Questo significa che l’alogeno interviene solo dopo lo stadio lento di reazione. La cinetica osservata, insieme al fatto che solo l’idrogeno in alfa viene sostituito, portò a proporre un meccanismo di reazione in cui il composto carbonilico (aldeide o chetone) si converte nel primo stadio in una molecola più reattiva, l’enolo:

Il processo attraverso il quale il chetone si trasforma in un enolo è esattamente opposto a quello che trasforma un enolo in un chetone e che abbiamo già analizzato. La reazione avviene in due stadi ed è più rapida in ambiente acido.

Nel primo stadio uno ione idronio trasferisce un protone all’ossigeno carbonilico:

Nel secondo stadio una molecola d’acqua agisce da base di Brønsted e rimuove un protone dal carbonio alfa:

Una volta formatosi l’enolo reagisce rapidamente con l’alogeno per dare un α -alochetone

Si può comprendere il meccanismo dell’alogenazione dell’enolo per analogia con l’addizione di un alogeno ad un alchene. Un enolo è un tipo di alchene particolarmente reattivo. La presenza del gruppo ossidrilico (elettron – donatore per effetto +R)  attiva infatti il doppio legame carbonio - carbonio nei confronti di un attacco elettrofilo:

Il carbocatione che si forma viene stabilizzato dalla delocalizzazione di una coppia solitaria di elettroni dell’ossigeno ossidrilico:

La reazione di trasferimento protonico che trasforma un composto chetonico in un enolo può essere catalizzata non solo dagli acidi, ma anche da una base. Anche in questo caso il protone viene trasferito in due stadi.

La relativa facilità con cui i composti carbonilici perdono gli α-idrogeni (acidità idrogeni in alfa) conduce alla formazione di anioni enolato, particolarmente stabili per risonanza. L’anione enolato è uno dei più importanti reattivi nella sintesi organica per la creazione di nuovi legami C - C, come avviene con l’addizione ad aldeidi e chetoni nella condensazione aldolica (addizione aldolica):

In questo caso lo ione enolato viene formato per attacco di una base all’ idrogeno in α al gruppo carbonilico. L’anione enolato che si forma effettua un attacco nucleofilo al carbonio carbonilico con formazione di uno ione alcossido:

L’alcossido estrae un protone dal solvente (generalmente acqua o etanolo) per dare l’aldolo:

Il composto che si forma è detto aldolo poiché presenta sia una funzione aldeidica (ald-) che una funzione alcolica (-olo) e una caratteristica importante dell’addizione aldolica è che la formazione del legame carbonio – carbonio avviene sempre tra il carbonio carbonilico di un’ aldeide ed il carbonio alfa di un’altra (che perde un atomo di idrogeno).