Aldehídos y cetonas

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Aldehídos y cetonas son compuestos orgánicos que contienen un grupo carbonilo $\ce{\color{#006cda}C=O}$, pero se diferencian en la ubicación de este grupo.

Aldehído: En un aldehído, el grupo carbonilo está unido a al menos un hidrógeno y a un átomo de carbono. Su fórmula general es $\ce{\color{#006cda}R-CHO}$, donde $\ce{\color{#006cda}R}$ puede ser un grupo alquilo o un átomo de hidrógeno (en el caso del formaldehído). Los aldehídos siempre están en el extremo de la cadena carbonada.

Cetona: En las cetonas, el grupo carbonilo está unido a dos átomos de carbono (que pueden ser cadenas alquilo o arilo). Su fórmula general es $\ce{\color{#006cda}R-CO-R'}$, donde $\ce{\color{#006cda}R}$ y $\ce{\color{#006cda}R'}$ son grupos alquilo o arilo. Las cetonas no se encuentran en el extremo de la cadena, sino que están localizadas en el interior de la misma.

El grupo funcional común en ambos compuestos es el carbonilo $\ce{\color{#006cda}C=O}$, pero la diferencia clave radica en los átomos a los que está unido el grupo carbonilo: en los aldehídos siempre hay al menos un hidrógeno $\ce{\color{#006cda}H}$ unido al carbono carbonílico, mientras que en las cetonas ambos enlaces son con átomos de carbono.

¿Por qué no las llamamos con un solo nombre? Aunque aldehídos y cetonas tienen un solo grupo funcional en común (carbonilo), no se les da un solo nombre debido a la diferencia en términos de propiedades químicas como en su reactividad y comportamiento, por lo que la nomenclatura distingue entre estos dos tipos. Además, al igual que los alcoholes y los alquenos, su clasificación como aldehídos o cetonas permite una nomenclatura más específica y facilita el estudio de sus reacciones y usos.

Propiedades físicas. Los aldehídos y las cetonas comparten propiedades físicas debido a la polaridad de su grupo carbonilo $\ce{\color{#006cda}C=O}$, que genera interacciones dipolo-dipolo. Sin embargo, debido a la falta de hidrógenos unidos al oxígeno, no pueden formar puentes de hidrógeno, lo que disminuye la intensidad de las interacciones intermoleculares en comparación con alcoholes. Estos compuestos son solubles en agua si tienen menos de 10 átomos de carbono, pero la solubilidad disminuye a medida que aumenta su tamaño, debido a que las cadenas hidrocarbonadas interfieren con la interacción con el agua. En cuanto a viscosidad, los aldehídos y cetonas tienen una viscosidad baja, aunque esta aumenta con el tamaño de la molécula. A temperatura ambiente, los aldehídos y las cetonas más ligeras son líquidos o gases, mientras que los de mayor peso molecular son sólidos. En cuanto a puntos de ebullición, estos compuestos tienen valores más bajos que los alcoholes y ácidos carboxílicos similares, pero más altos que los alcanos debido a la polaridad del grupo carbonilo. Los aldehídos y las cetonas también tienen puntos de fusión bajos, aunque los valores varían según el tamaño de la molécula. Los aldehídos tienden a tener puntos de ebullición ligeramente más bajos que las cetonas de estructura similar, debido a la mayor reactividad del grupo terminal de los aldehídos, aunque la diferencia no es significativa. Las cetonas, por su parte, son más estables, ya que su grupo carbonilo está rodeado por dos grupos alquilo, lo que las hace más resistentes a la oxidación.

Nomenclatura de los aldehídos. En la nomenclatura de los aldehídos, primero se determina el número de carbonos en la cadena principal, lo cual se indica con los prefijos que corresponden al número de átomos de carbono, seguido por el sufijo "-an" si no hay dobles enlaces. Si la molécula contiene dobles enlaces, se usa el sufijo "-en" o "-in", dependiendo de la presencia de enlaces dobles, siempre numerando la cadena de manera que el grupo carbonilo reciba el número más bajo posible, ya que es el grupo funcional principal, el cual se indica con la terminación -al. El número de la posición del grupo carbonilo se indica en la nomenclatura con el número de carbono al que está unido. Si no hay sustituyentes de mayor rango o nivel, el carbono al que está unido el grupo carbonilo se considera el carbono 1. Además, los sustituyentes que aparecen en la cadena se nombran en orden alfabético y se colocan con sus respectivos números de posición. Esta forma de nomenclatura se asegura de que el grupo carbonilo tenga la posición adecuada según las reglas IUPAC.

$\ce{\color{#006cda}2-cloroet-1-enal}$

$\ce{\color{#006cda}Propanal}$

Nomenclatura de las cetonas. La nomenclatura de las cetonas sigue principios similares a la de los alcoholes, pero con algunas diferencias debido a la presencia del grupo funcional carbonilo $\ce{\color{#006cda}-C=O}$. En lugar de la terminación "-ol" que se usa para los alcoholes, las cetonas reciben la terminación "-ona". La principal diferencia radica en que, mientras que en los alcoholes el grupo funcional $\ce{\color{#006cda}-OH}$ se encuentra en los carbonos terminales o en posiciones más diversas de la cadena, en las cetonas el grupo carbonilo está en un carbono interior, no en los extremos de la cadena.

$\ce{\color{#006cda}5-metilhexanona}$

$\ce{\color{#006cda}cis-5-metilhex-4-enona}$

Si hay una cadena más corta con un grupo aldehído, se cambiaría la terminación de "-ona" a "-al" (como en los aldehídos) para indicar que en los extremos se encuentra un grupo aldehído $\ce{\color{#006cda}-CHO}$ en lugar de una cetona.

Figura 1. Este mapa de reacciones está diseñado para ayudarte a dominar las reacciones orgánicas. Siempre que intentes completar una reacción orgánica, sigue estos dos pasos básicos: (1) Identifica el grupo funcional que va a reaccionar, y (2) Identifica el reactivo que va a interactuar con ese grupo funcional. Si el grupo funcional que reacciona es un aldehído o una cetona, localiza el reactivo en el diagrama resumen y utilízalo para predecir los productos correctos.

Reacciones de oxidación. Solo ocurre para aldehídos, las cetonas no se oxidan más a menos que se partan.

Algunos agentes oxidantes que pueden oxidar aldehídos a ácidos carboxílicos incluyen el permanganato de potasio (KMnO₄), el dicromato de potasio (K₂Cr₂O₇) en medio ácido, el ácido crómico (H₂CrO₄), el reactivo de Tollens ([Ag(NH₃)₂]⁺), el reactivo de Fehling (iones cúpricos en solución alcalina), el reactivo de Benedict, el oxígeno atmosférico en presencia de catalizadores y el hipoclorito de sodio (NaClO). Estos agentes funcionan aceptando electrones del aldehído, promoviendo su conversión al correspondiente ácido carboxílico..

Reacciones de hidrogenación.

Reducción de un aldehído da un alcohol primario. Para la reducción de un aldehído a un alcohol primario, se pueden utilizar agentes reductores como el borohidruro de sodio (NaBH₄), el hidruro de aluminio y litio (LiAlH₄), el hidrógeno molecular (H₂) con catalizadores como Ni, Pt o Pd, y el reactivo de Meerwein-Ponndorf-Verley (isopropóxido de aluminio en isopropanol).

Reducción de un aldehído da un alcohol secundario. Por otro lado, la reducción de un aldehído a un alcohol secundario no es un proceso común, pero puede lograrse a través de la adición nucleofílica de un reactivo de Grignard (RMgX) o un reactivo de organolitio (RLi), lo que introduce un nuevo grupo alquilo en el carbono carbonílico, generando un alcohol secundario.

Formación de grupos Hemi.

En este caso se genera un equilibrio entre un hemiacetal y un acetal. La formación de hemiacetales y acetales ocurre en presencia de alcoholes (ROH) y un ácido catalizador, como ácido p-toluenosulfónico (TsOH) o ácido sulfúrico (H₂SO₄). El equilibrio entre un hemiacetal y un acetal se favorece en medios ácidos con un exceso de alcohol, eliminando agua para desplazar la reacción hacia la formación del acetal.

En este caso se genera un equilibrio entre un hemicetal y un cetal. De manera similar, los hemicetales y cetales se generan bajo las mismas condiciones, pero a partir de cetonas en lugar de aldehídos. En medios básicos, los hemiacetales y hemicetales pueden formarse, pero no se convierten fácilmente en acetales o cetales debido a la falta de protonación del grupo hidroxilo, necesaria para la eliminación del agua.