Cetona

En química orgánica , una cetona / ˈ k iː t oʊ n / es un compuesto orgánico con la estructura R−C(=O)−R' , donde R y R' pueden ser una variedad de sustituyentes que contienen carbono . Las cetonas contienen un grupo carbonilo −C(=O)− (un doble enlace carbono-oxígeno C=O). La cetona más simple es la acetona (donde R y R' es metilo ), con la fórmula (CH ₃ ) ₂ CO . Muchas cetonas son de gran importancia en biología e industria. Los ejemplos incluyen muchos azúcares ( cetosas ), muchos esteroides (p. ej., testosterona ) y el solvente acetona . ^[1]

La palabra cetona se deriva de Aketon , una antigua palabra alemana para acetona . ^{[2] [3]}

Según las reglas de nomenclatura de la IUPAC , los nombres de las cetonas se derivan cambiando el sufijo -ano del alcano original por -anona . Normalmente, la posición del grupo carbonilo se denota por un número, pero los nombres tradicionales no sistemáticos se siguen utilizando generalmente para las cetonas más importantes, por ejemplo, acetona y benzofenona . Estos nombres no sistemáticos se consideran nombres IUPAC retenidos, ^[4] aunque algunos libros de texto introductorios de química utilizan nombres sistemáticos como "2-propanona" o "propan-2-ona" para la cetona más simple ( C H ₃ −C(= O )−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. Tradicionalmente, los nombres de los grupos alquilo se escribían en orden de complejidad creciente, por ejemplo, metiletilcetona . Sin embargo, según las reglas de nomenclatura de la IUPAC , los grupos alquilo se escriben alfabéticamente, por ejemplo, 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 utiliza con poca frecuencia, oxo es la nomenclatura de la IUPAC para el grupo oxo (=O) y se utiliza como prefijo cuando la cetona no tiene la máxima prioridad. Sin embargo, también se utilizan otros prefijos. Para algunas sustancias químicas comunes (principalmente en bioquímica), ceto se refiere al grupo funcional cetona .

El carbono cetónico se describe a menudo como hibridado sp ² , una descripción que incluye tanto su estructura electrónica como molecular. Las cetonas son trigonales planares alrededor del carbono cetónico, con ángulos de enlace C–C–O y C–C–C de aproximadamente 120°. Las cetonas se diferencian de los aldehídos en que el grupo carbonilo (C=O) está unido a dos carbonos dentro de un esqueleto carbonado . En los aldehídos, el carbonilo está unido a un carbono y un hidrógeno y se encuentra en los extremos de las cadenas de carbono. Las cetonas también se diferencian de otros grupos funcionales que contienen carbonilo , como los ácidos carboxílicos , los ésteres y las amidas . ^[5]

El grupo carbonilo es polar porque la electronegatividad del oxígeno es mayor que la del carbono. Por lo 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 disolventes.

Las cetonas se clasifican en función de sus sustituyentes. Una clasificación amplia subdivide las cetonas en derivados simétricos y asimétricos, dependiendo de la equivalencia de los dos sustituyentes orgánicos unidos al centro carbonílico. La acetona y la benzofenona ( (C ₆ H ₅ ) ₂ CO ) son cetonas simétricas. La acetofenona (C ₆ H ₅ C(O)CH ₃ ) es una cetona asimétrica.

Se conocen muchos tipos de dicetonas, algunas con propiedades inusuales. La 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 . El nombre de acetilacetona (pentano-2,4-diona) es prácticamente inapropiado porque esta especie existe principalmente como el monoenol CH ₃ C(O)CH=C(OH)CH ₃ . Su enolato es un ligando común en la química de coordinación .

Las cetonas que contienen unidades de alqueno y alquino se denominan a menudo cetonas insaturadas. Un miembro ampliamente utilizado de esta clase de compuestos es _la metilvinilcetona , CH3C (O)CH=CH2 _, un compuesto carbonílico α,β-insaturado .

Muchas cetonas son cíclicas. La clase más simple tiene la fórmula (CH ₂ ) _n CO , donde n varía de 2 para la ciclopropanona ( (CH ₂ ) ₂ CO ) a las decenas. Existen derivados más grandes. La ciclohexanona ( (CH ₂ ) ₅ CO ), una cetona cíclica simétrica, es un intermediario importante en la producción de nailon . La isoforona , derivada de la acetona, es una cetona insaturada y asimétrica que es el precursor de otros polímeros . La muscona , 3-metilpentadecanona, es una feromona animal . Otra cetona cíclica es la ciclobutanona , que tiene la fórmula (CH ₂ ) ₃ CO .

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 mediante agentes oxidantes potentes que tienen la capacidad de romper los enlaces carbono-carbono.

Las cetonas (y los aldehídos) absorben fuertemente en el espectro infrarrojo cerca de 1750 cm ⁻¹ , lo que se asigna a ν _C=O ("frecuencia de estiramiento del carbonilo"). La energía del pico es menor para las cetonas arílicas e insaturadas. ^[6]

Mientras que la espectroscopia de RMN ¹ H generalmente no es útil para establecer la presencia de una cetona, los espectros de RMN ¹³ C muestran señales un poco más abajo del campo de 200 ppm dependiendo de la estructura. Dichas señales son típicamente débiles debido a la ausencia de efectos nucleares de Overhauser . Dado que los aldehídos resuenan a desplazamientos químicos similares , se emplean experimentos de resonancia múltiple para distinguir definitivamente los aldehídos y las cetonas.

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 para la prueba de yodoformo . ^[7] Las cetonas también dan resultados positivos cuando se tratan con m -dinitrobenceno en presencia de hidróxido de sodio diluido para dar coloración violeta.

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

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

Para aplicaciones sintéticas orgánicas especializadas o de pequeña escala , las cetonas a menudo se preparan mediante 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 utilizan el método de Dess-Martin con peryodinano o el método de Moffatt-Swern .

Se han desarrollado muchos otros métodos, algunos ejemplos incluyen: ^[8]

• Por hidrólisis de haluro geminal . ^[9]
• Por hidratación de alquinos . ^[10] Estos procesos ocurren a través de enoles y requieren la presencia de un ácido y sulfato de mercurio (II) ( HgSO ₄ ). La tautomerización enol-ceto posterior da una cetona. Esta reacción siempre produce una cetona, incluso con un alquino terminal, siendo la única excepción la hidratación del acetileno , que produce acetaldehído .
• A partir de amidas de Weinreb utilizando reactivos organometálicos estequiométricos.
• Las arilcetonas se pueden preparar mediante la acilación de Friedel-Crafts , ^[11] la reacción relacionada de Houben-Hoesch , ^[12] y la transposición de Fries . ^[10]
• La ozonólisis y las secuencias de dihidroxilación/oxidación relacionadas escinden alquenos para dar aldehídos o cetonas, dependiendo del patrón de sustitución de alquenos. ^[13]
• A partir de peróxidos ( transposición de Kornblum-DeLaMare ).
• Ciclización de ácidos dicarboxílicos ( ciclización de Ruzicka )
• Hidrólisis de sales de compuestos nitrados secundarios ( reacción Nef ^[14] )
• Alquilación de tioéster con compuestos de organozinc ( acoplamiento de Fukuyama ).
• Alquilación de cloruro de ácido con compuestos de organocadmio o compuestos de organocobre .
• La reacción de Dakin-West proporciona un método eficiente para la preparación de ciertas metilcetonas a partir de ácidos carboxílicos. ^[15]
• Las cetonas se pueden preparar mediante la reacción de reactivos de Grignard con nitrilos , seguida de hidrólisis. ^[16]
• Por descarboxilación del anhídrido carboxílico .
• Las cetonas se pueden preparar a partir de halocetonas mediante deshalogenación reductora de halocetonas .
• En la descarboxilación cetónica se preparan cetonas simétricas a partir de ácidos carboxílicos. ^{[10] [17]}
• Hidrólisis de amidas secundarias insaturadas , ^{[18] ésteres de ácidos} β - ceto , ^[10] o β- dicetonas ( síntesis de ésteres acetoacéticos ).
• Reordenamiento catalizado por ácido de 1,2-dioles , ^[10] u oxidación de Criegee de los mismos.

Las cetonas que tienen al menos un hidrógeno alfa sufren una tautomerización ceto-enólica ; el tautómero es un enol . La tautomerización es catalizada tanto por ácidos como por bases. Por lo general, la forma ceto es más estable que la enol. Este equilibrio permite preparar cetonas mediante la hidratación de alquinos .

Los enlaces C−H adyacentes al carbonilo en las cetonas son más ácidos (p K _a  ≈ 20) que los enlaces C−H 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 α-hidrógeno es importante en las reacciones de enolización de las cetonas y otros compuestos carbonílicos. La acidez del α-hidrógeno también permite que las cetonas y otros compuestos carbonílicos reaccionen como nucleófilos en esa posición, tanto con bases estequiométricas como catalíticas. Al utilizar bases muy fuertes como diisopropilamida de litio (LDA, p K _a del ácido conjugado ~36) en condiciones de no equilibrio (–78 °C, 1,1 equiv LDA en THF, cetona añadida a la base), se genera selectivamente el enolato cinético menos sustituido, mientras que las condiciones que permiten el equilibrio (temperatura más alta, base añadida a la cetona, utilizando bases débiles o insolubles, por ejemplo, CH ₃ CH ₂ ONa en CH ₃ CH ₂ OH o NaH ) proporcionan el enolato termodinámico más sustituido .

Las cetonas también son bases débiles, que experimentan protonación en el oxígeno carbonílico en presencia de ácidos de Brønsted . Los iones cetonio (es decir, cetonas protonadas) son ácidos fuertes, con valores de p K _a estimados entre -5 y -7. ^{[19] [20]} 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 el que se encuentra en el tosilato de piridinio) con un p 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 _eq  < 10 ⁻¹⁰ ).

De la susceptibilidad del carbono carbonílico a la adición nucleofílica y de la tendencia de los enolatos a agregarse a los electrófilos se desprende un conjunto importante de reacciones. Las adiciones nucleofílicas incluyen, en orden aproximado de su generalidad: ^[8]

• Con agua (hidratación) se forman dioles geminales , que normalmente no se forman en cantidades apreciables (u observables).
• Con un acetiluro para dar el α- hidroxialquino
• Con amoniaco o una amina primaria se obtiene una imina.
• Con amina secundaria se obtiene una enamina.
• Con reactivos de Grignard y organolitio para dar, después del tratamiento acuoso, un alcohol terciario
• Con un alcohol o alcóxido se obtiene el hemicetal o su base conjugada. Con un diol se obtiene el cetal . Esta reacción se emplea para proteger cetonas.
• La amida de sodio produce una ruptura del enlace C-C con la formación de la amida RCONH2 _y el alcano o areno R'H, una reacción llamada reacción de Haller-Bauer. ^[21]

Las cetonas se descomponen mediante agentes oxidantes fuertes y a temperaturas elevadas. Su oxidación implica la ruptura del enlace carbono-carbono para dar lugar a una mezcla de ácidos carboxílicos con un número menor de átomos de carbono que la cetona original.

• Adición electrofílica , la reacción con un electrófilo produce 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 cetona.
• Con halógenos para formar una α- halocetona , una reacción que procede a través de un enol (ver Reacción del 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 se 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

Las cetonas no aparecen en los aminoácidos estándar , ácidos nucleicos ni lípidos. La formación de compuestos orgánicos en la fotosíntesis ocurre a través de la cetona ribulosa-1,5-bisfosfato . Muchos azúcares son cetonas, conocidas colectivamente como cetosas . La cetona más conocida es la fructosa ; existe principalmente como un hemicetal cíclico , que enmascara el grupo funcional cetona. La síntesis de ácidos grasos se realiza a través de cetonas. El acetoacetato es un intermediario en el ciclo de Krebs que libera energía de azúcares y carbohidratos. ^[22]

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 aumentan en la sangre ( cetosis ) después del ayuno, incluida una noche de sueño; tanto en la sangre como en la orina en la inanición ; en la hipoglucemia , debido a causas distintas al hiperinsulinismo ; en varios errores innatos 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.

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 . ^[23] También son comunes en bioquímica, pero menos que en la química orgánica en general. La combustión de hidrocarburos es un proceso de oxidación no controlado que da lugar a cetonas, así como a muchos otros tipos de compuestos.

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 metilvinilcetona, con _una DL50 de 7 mg/kg (por vía oral). ^[23]

• Dicetona
• Cuerpos cetónicos
• Tiocetona
• Tricetona
• Y ninguno
• Cetosis

• Medios relacionados con las cetonas en Wikimedia Commons