Cetona

En química, una cetona es un grupo funcional con la estructura R ₂ C=O, donde R puede ser una variedad de sustituyentes que contienen carbono. Las cetonas contienen un grupo carbonilo (un doble enlace carbono-oxígeno). La cetona más simple es la acetona (R = R' = metilo), con la fórmula CH ₃ C(O)CH ₃. Muchas cetonas son de gran importancia en biología y en la industria. Los ejemplos incluyen muchos azúcares (cetosas), muchos esteroides (p. ej., testosterona) y el solvente acetona.

Nomenclatura y etimología

La palabra cetona se deriva de Aketon, una antigua palabra alemana para 'acetona'.

De acuerdo con las reglas de la nomenclatura de la IUPAC, los nombres de las cetonas se obtienen cambiando el sufijo -ano del alcano original por -anona. Por lo general, la posición del grupo carbonilo se indica con un número, pero los nombres tradicionales no sistemáticos todavía se usan generalmente para las cetonas más importantes, por ejemplo, acetona y benzofenona. Estos nombres no sistemáticos se consideran nombres IUPAC retenidos, aunque algunos libros de texto de introducción a la química utilizan nombres sistemáticos como "2-propanona" o "propan-2-uno" para la cetona más simple (CH ₃ −CO−CH ₃) en lugar de "acetona"..

Los nombres derivados de las cetonas se obtienen escribiendo por separado los nombres de los dos grupos alquilo unidos al grupo carbonilo, seguidos de "cetona" como palabra separada. Los nombres de los grupos alquilo se escriben en orden creciente de complejidad: por ejemplo, metiletilcetona. De acuerdo con las reglas de nomenclatura de la IUPAC, los grupos alquilo se escriben alfabéticamente, es decir, etilmetilcetona. Cuando los dos grupos alquilo son iguales, se añade el prefijo "di-" antes del nombre del grupo alquilo. Las posiciones de otros grupos se indican con letras griegas, siendo el carbono α el átomo adyacente al grupo carbonilo.

Aunque se usa con poca frecuencia, oxo es la nomenclatura de la IUPAC para el grupo oxo (=O) y se usa como prefijo cuando la cetona no tiene la prioridad más alta. Sin embargo, también se utilizan otros prefijos. Para algunos productos químicos comunes (principalmente en bioquímica), ceto se refiere al grupo funcional cetona.

Estructura y propiedades

Cetonas representativas, desde la izquierda: acetona, un solvente común; oxaloacetato, un intermediario en el metabolismo de los azúcares; acetilacetona en su forma (mono) enol (el enol resaltado en azul); ciclohexanona, precursor del nailon; muscone, un olor animal; y tetraciclina, un antibiótico.

El carbono de la cetona a menudo se describe como "sp hibridado", una descripción que incluye tanto su estructura electrónica como molecular. Las cetonas son trigonales planas alrededor del carbono cetónico, con ángulos de enlace C−C−O y C−C−C de aproximadamente 120°. Las cetonas difieren de los aldehídos en que el grupo carbonilo (CO) está unido a dos carbonos dentro de un esqueleto de carbono. En los aldehídos, el carbonilo está unido a un carbono y un hidrógeno y se ubican en los extremos de las cadenas de carbono. Las cetonas también son distintas de otros grupos funcionales que contienen carbonilo, como los ácidos carboxílicos, los ésteres y las amidas.

El grupo carbonilo es polar porque la electronegatividad del oxígeno es mayor que la del carbono. Por tanto, las cetonas son nucleófilas en el oxígeno y electrofílicas en el carbono. Debido a que el grupo carbonilo interactúa con el agua mediante enlaces de hidrógeno, las cetonas suelen ser más solubles en agua que los compuestos de metileno relacionados. Las cetonas son aceptores de enlaces de hidrógeno. Las cetonas no suelen ser donantes de enlaces de hidrógeno y no pueden formar enlaces de hidrógeno consigo mismas. Debido a su incapacidad para servir como donantes y aceptores de enlaces de hidrógeno, las cetonas tienden a no "autoasociarse" y son más volátiles que los alcoholes y los ácidos carboxílicos de pesos moleculares comparables. Estos factores se relacionan con la omnipresencia de las cetonas en perfumería y como solventes.

Clases de cetonas

Las cetonas se clasifican en función de sus sustituyentes. Una clasificación amplia subdivide las cetonas en derivados simétricos y asimétricos, según la equivalencia de los dos sustituyentes orgánicos unidos al centro carbonilo. La acetona y la benzofenona (C ₆ H ₅ C(O)C ₆ H ₅) son cetonas simétricas. La acetofenona (C ₆ H ₅ C(O)CH ₃) es una cetona asimétrica.

Dicetonas

Se conocen muchos tipos de dicetonas, algunas con propiedades inusuales. El más simple es el diacetilo (CH ₃ C(O)C(O)CH ₃), que alguna vez se usó como saborizante de mantequilla en las palomitas de maíz. La acetilacetona (pentano-2,4-diona) es virtualmente un nombre inapropiado (nombre inapropiado) porque esta especie existe principalmente como monoenol CH ₃ C(O)CH=C(OH)CH ₃. Su enolato es un ligando común en la química de coordinación.

Cetonas insaturadas

Las cetonas que contienen unidades de alqueno y alquino a menudo se denominan cetonas insaturadas. El miembro más utilizado de esta clase de compuestos es la metilvinilcetona, CH ₃ C(O)CH=CH ₂, que es útil en la reacción de anulación de Robinson. Para que no haya confusión, una cetona en sí misma es un sitio de insaturación; es decir, se puede hidrogenar.

Cetonas cíclicas

Muchas cetonas son cíclicas. La clase más simple tiene la fórmula (CH ₂) _n CO, donde n varía de 2 para ciclopropanona a las decenas. Existen derivados más grandes. La ciclohexanona, una cetona cíclica simétrica, es un intermediario importante en la producción de nailon. La isoforona, derivada de la acetona, es una cetona asimétrica insaturada que es el precursor de otros polímeros. Muscone, 3-metilpentadecanona, es una feromona animal. Otra cetona cíclica es la ciclobutanona, que tiene la fórmula C ₄ H ₆ O.

Tautomerización de ceto-enol

Las cetonas que tienen al menos un alfa-hidrógeno se someten a tautomerización de ceto-enol; el tautómero es un enol. La tautomerización es catalizada por ácidos y bases. Por lo general, la forma ceto es más estable que la enol. Este equilibrio permite preparar cetonas a través de la hidratación de alquinos.

Propiedades ácido/base de las cetonas

Los enlaces CH adyacentes al carbonilo en las cetonas son más ácidos (p K _a ≈ 20) que los enlaces CH en el alcano (p K _a ≈ 50). Esta diferencia refleja la estabilización por resonancia del ion enolato que se forma tras la desprotonación. La acidez relativa del hidrógeno α es importante en las reacciones de enolización de cetonas y otros compuestos carbonílicos. La acidez del hidrógeno α también permite que las cetonas y otros compuestos carbonílicos reaccionen como nucleófilos en esa posición, ya sea con una base estequiométrica o catalítica. Usando bases muy fuertes como la diisopropilamida de litio (LDA, p K _a del ácido conjugado ~36) en condiciones no equilibradas (–78 °C, 1,1 equivalentes de LDA en THF, cetona añadida a la base), la cinética menos sustituida el enolato se genera selectivamente, mientras que las condiciones que permiten el equilibrio (temperatura más alta, base agregada a la cetona, usando bases débiles o insolubles, por ejemplo, NaOEt en EtOH o NaH) proporcionan el enolato termodinámico más sustituido.

Las cetonas también son bases débiles, que experimentan protonación en el oxígeno del carbonilo en presencia de ácidos de Brønsted. Los iones de cetonio (es decir, cetonas protonadas) son ácidos fuertes, con valores de p K _a estimados entre -5 y -7. Aunque los ácidos que se encuentran en la química orgánica rara vez son lo suficientemente fuertes como para protonar completamente las cetonas, la formación de concentraciones de equilibrio de cetonas protonadas es, sin embargo, un paso importante en los mecanismos de muchas reacciones orgánicas comunes, como la formación de un acetal, por ejemplo. Los ácidos tan débiles como el catión piridinio (como se encuentra en el tosilato de piridinio) con un ap K _a de 5,2 pueden servir como catalizadores en este contexto, a pesar de la constante de equilibrio altamente desfavorable para la protonación (K_equivalente < 10).

Caracterización

Un aldehído se diferencia de una cetona en que tiene un átomo de hidrógeno unido a su grupo carbonilo, lo que hace que los aldehídos sean más fáciles de oxidar. Las cetonas no tienen un átomo de hidrógeno unido al grupo carbonilo y, por lo tanto, son más resistentes a la oxidación. Se oxidan solo por agentes oxidantes poderosos que tienen la capacidad de escindir enlaces carbono-carbono.

Espectroscopia

Las cetonas y los aldehídos absorben fuertemente en el espectro infrarrojo cerca de 1700 cm. La posición exacta del pico depende de los sustituyentes.

Mientras que la espectroscopía de RMN de H generalmente no es útil para establecer la presencia de una cetona, los espectros de RMN de C exhiben señales algo por debajo del campo de 200 ppm dependiendo de la estructura. Estas señales suelen ser débiles debido a la ausencia de efectos Overhauser nucleares. Dado que los aldehídos resuenan con cambios químicos similares, se emplean múltiples experimentos de resonancia para distinguir definitivamente los aldehídos y las cetonas.

Ensayos orgánicos cualitativos

Las cetonas dan resultados positivos en la prueba de Brady, la reacción con 2,4-dinitrofenilhidrazina para dar la hidrazona correspondiente. Las cetonas se pueden distinguir de los aldehídos dando un resultado negativo con el reactivo de Tollens o con la solución de Fehling. Las metilcetonas dan resultados positivos en la prueba de yodoformo. Las cetonas también dan resultados positivos cuando se tratan con m -dinitrobenceno en presencia de hidróxido de sodio diluido para dar una coloración violeta.

Síntesis

Existen muchos métodos para la preparación de cetonas a escala industrial y laboratorios académicos. Los organismos también producen cetonas de diversas formas; consulte la sección sobre bioquímica a continuación.

En la industria, el método más importante probablemente implica la oxidación de hidrocarburos, a menudo con aire. Por ejemplo, anualmente se producen mil millones de kilogramos de ciclohexanona mediante la oxidación aeróbica del ciclohexano. La acetona se prepara por oxidación con aire de cumeno.

Para aplicaciones sintéticas orgánicas especializadas o de pequeña escala, las cetonas a menudo se preparan mediante la oxidación de alcoholes secundarios:R2CH (OH) + O → _{R2C =} O ₊ H2O

Los oxidantes fuertes típicos (fuente de "O" en la reacción anterior) incluyen permanganato de potasio o un compuesto de Cr(VI). Las condiciones más suaves hacen uso del periodinano de Dess-Martin o los métodos de Moffatt-Swern.

Se han desarrollado muchos otros métodos, los ejemplos incluyen:

• Por hidrólisis de halogenuros geminales.
• Por hidratación de alquinos. Dichos procesos ocurren vía enoles y requieren la presencia de un ácido y HgSO ₄. La subsiguiente tautomerización enol-ceto da una cetona. Esta reacción siempre produce una cetona, incluso con un alquino terminal, con la única excepción de la hidratación del acetileno, que produce acetaldehído.
• De Weinreb Amides utilizando reactivos organometálicos estequiométricos.
• Las cetonas aromáticas se pueden preparar en la acilación de Friedel-Crafts, la reacción de Houben-Hoesch relacionada y el reordenamiento de Fries.
• La ozonólisis y las secuencias de dihidroxilación/oxidativas relacionadas escinden los alquenos para dar aldehídos o cetonas, según el patrón de sustitución del alqueno.
• En el reordenamiento de Kornblum-DeLaMare, las cetonas se preparan a partir de peróxidos y bases.
• En la ciclación de Ruzicka, las cetonas cíclicas se preparan a partir de ácidos dicarboxílicos.
• En la reacción de Nef, las cetonas se forman por hidrólisis de sales de nitrocompuestos secundarios.
• En el acoplamiento de Fukuyama, las cetonas se forman a partir de un tioéster y un compuesto organozinc.
• Por la reacción de un cloruro de ácido con compuestos de organocadmio o compuestos de organocobre.
• La reacción de Dakin-West proporciona un método eficaz para la preparación de ciertas metilcetonas a partir de ácidos carboxílicos.
• Las cetonas también se pueden preparar mediante la reacción de reactivos de Grignard con nitrilos, seguida de hidrólisis.
• Por descarboxilación de anhídrido carboxílico.
• Las cetonas se pueden preparar a partir de halocetonas en la deshalogenación reductora de halocetonas.
• En la descarboxilación cetónica, las cetonas simétricas se preparan a partir de ácidos carboxílicos.
• Oxidación de aminas con cloruro de hierro (III).
• Hidrólisis de amidas secundarias insaturadas, ésteres de β-cetoácidos o β-dicetonas.
• Reordenamiento catalizado por ácido de 1,2-dioles.

Reacciones

Las cetonas participan en muchas reacciones orgánicas. Las reacciones más importantes se derivan de la susceptibilidad del carbono carbonílico hacia la adición nucleófila y la tendencia de los enolatos a agregar electrófilos. Las adiciones nucleófilas incluyen en orden aproximado de su generalidad:

• Con agua (hidratación) da dioles geminales, que normalmente no se forman en cantidades apreciables (u observables).
• Con un acetiluro para dar el α-hidroxialquino
• Con amoníaco o una amina primaria da una imina
• Con amina secundaria da una enamina
• Con reactivos de Grignard y organolitio para dar, después de un tratamiento acuoso, un alcohol terciario
• Con alcoholes o alcóxidos se obtiene el hemicetal o su base conjugada. Con un diol al cetal. Esta reacción se emplea para proteger las cetonas.
• Con la amida de sodio que da como resultado la escisión del enlace C-C con la formación de la amida RCONH ₂ y el alcano o areno R'H, una reacción llamada reacción de Haller-Bauer.
• Con agentes oxidantes fuertes para dar ácidos carboxílicos.
• Adición electrófila, la reacción con un electrófilo da un catión estabilizado por resonancia
• Con iluros de fosfonio en la reacción de Wittig para dar los alquenos
• Con tioles para dar el tioacetal
• Con hidrazina o derivados 1-disustituidos de hidrazina para dar hidrazonas.
• Con un hidruro metálico se obtiene una sal de alcóxido metálico, cuya hidrólisis da el alcohol, un ejemplo de reducción de cetonas.
• Con halógenos para formar una α-halocetona, una reacción que procede a través de un enol (ver Reacción de haloformo)
• Con agua pesada para dar una cetona α-deuterada
• Fragmentación en la reacción fotoquímica de Norrish
• Reacción de 1,4-aminodicetonas a oxazoles por deshidratación en la síntesis de Robinson-Gabriel
• En el caso de las aril-alquilcetonas, con azufre y una amina dan amidas en la reacción de Willgerodt.
• Con hidroxilamina para producir oximas
• Con agentes reductores para formar alcoholes secundarios.
• Con peroxiácidos para formar ésteres en la oxidación de Baeyer-Villiger

Bioquímica

Las cetonas son omnipresentes en la naturaleza. La formación de compuestos orgánicos en la fotosíntesis se produce a través de la cetona ribulosa-1,5-bisfosfato. Muchos azúcares son cetonas, conocidas colectivamente como cetosas. La cetosa más conocida es la fructosa; existe como un hemicetal cíclico, que enmascara el grupo funcional cetona. La síntesis de ácidos grasos procede a través de cetonas. El acetoacetato es un intermedio en el ciclo de Krebs que libera energía de azúcares y carbohidratos.

En medicina, la acetona, el acetoacetato y el beta-hidroxibutirato se denominan colectivamente cuerpos cetónicos, generados a partir de carbohidratos, ácidos grasos y aminoácidos en la mayoría de los vertebrados, incluidos los humanos. Los cuerpos cetónicos se elevan en la sangre (cetosis) después del ayuno, incluida una noche de sueño; tanto en la sangre como en la orina por inanición; en la hipoglucemia, por causas distintas al hiperinsulinismo; en varios errores congénitos del metabolismo, e inducidos intencionalmente a través de una dieta cetogénica, y en la cetoacidosis (generalmente debido a la diabetes mellitus). Aunque la cetoacidosis es característica de la diabetes tipo 1 descompensada o no tratada, la cetosis o incluso la cetoacidosis también pueden ocurrir en la diabetes tipo 2 en algunas circunstancias.

Aplicaciones

Las cetonas se producen a gran escala en la industria como disolventes, precursores de polímeros y productos farmacéuticos. En términos de escala, las cetonas más importantes son la acetona, la metiletilcetona y la ciclohexanona. También son comunes en bioquímica, pero menos que en química orgánica en general. La combustión de hidrocarburos es un proceso de oxidación descontrolado que da cetonas así como muchos otros tipos de compuestos.

Toxicidad

Aunque es difícil generalizar sobre la toxicidad de una clase tan amplia de compuestos, las cetonas simples, en general, no son muy tóxicas. Esta característica es una de las razones de su popularidad como disolventes. Las excepciones a esta regla son las cetonas insaturadas como la metil vinil cetona con LD ₅₀ de 7 mg/kg (oral).