¿Qué es la hidratación de alquenos?

Reacción de hidratación en química orgánica

¿Qué es una reacción de química orgánica de hidratación? Para responder a esta pregunta, se requiere una definición química de hidratación. Hidratación es una reacción en la que se añade agua a un compuesto. Las reacciones de hidratación con alquenos y alquinos ocurren cuando se agregan un protón (H) y un grupo hidroxilo (OH) a través de un enlace pi. Basado en la definición química de hidratación, esta reacción implica agregar agua a través de un enlace pi, por lo que el nombre de hidratación tiene sentido. Las reacciones de hidratación con alquenos se clasifican como reacciones de adición. En una reacción de adición de alqueno, el enlace pi del alqueno se rompe y se agregan dos grupos a través del doble enlace carbono-carbono. En el caso de una reacción de hidratación de alquenos, uno de los carbonos del doble enlace tendrá la adición de un grupo hidroxilo, mientras que el otro carbono tendrá la adición de un protón. El eteno puede sufrir una reacción de hidratación para producir etanol.

Hidratación vs Hidrólisis

¿Cuál es la diferencia entre hidrólisis e hidratación en términos de química orgánica? La hidratación y la hidrólisis son reacciones de química orgánica que emplean agua, pero de diferentes maneras. Una reacción de hidrólisis es una reacción en la que los enlaces se rompen (escinden) cuando un compuesto se trata con agua. Los acetales reaccionarán con el agua en presencia de un catalizador ácido para producir una cetona y un alcohol. En esta reacción, dos enlaces sigma carbono-oxígeno (C-OR) se rompen en el acetal. Las iminas y enaminas también experimentan reacciones de hidrólisis cuando se tratan con agua y un catalizador ácido. Tanto las iminas como las enaminas producen compuestos carbonílicos y aminas como productos.

Ejemplos de reacción de hidratación

Los alquenos, alquinos, epóxidos y nitrilos son todos grupos funcionales orgánicos que pueden sufrir una reacción de hidratación. En cada una de estas reacciones de hidratación, se agrega agua al compuesto de partida. Una mirada detallada a las muchas reacciones de hidratación ayudará a ilustrar la importancia de las reacciones de hidratación en la química orgánica.

Hidratación de alquenos

Hay tres reacciones principales de hidratación de alquenos: hidratación catalizada por ácido, oximercuración-desmercuración e hidroboración-oxidación. En cada una de estas reacciones, se agrega agua a través del enlace pi del alqueno. Estas reacciones tienen algunas diferencias en términos de regioselectividad y la posibilidad de reordenamiento de carbocationes.

Hidratación de alquenos catalizada por ácido

La reacción de hidratación de los alquenos catalizada por ácido procede a través de una adición de Markovnikov, donde el grupo hidroxilo se agregará al carbono más sustituido del enlace pi. En esta reacción, un alqueno reacciona con agua en presencia de un catalizador ácido. La velocidad de reacción para una hidratación catalizada por ácido de un alqueno depende de la naturaleza del alqueno. Los alquenos más sustituidos tendrán una mayor velocidad de reacción, por lo que la reacción será más rápida. Los reactivos de una reacción de hidratación catalizada por ácido pueden escribirse como agua y catalizador ácido ([ácido]) o simplemente como ion hidronio (H3O+). Recuerde que el ion hidronio representa una fuente de ácido (por ejemplo, ácido sulfúrico) en el agua.

Se necesita una comprensión del mecanismo para una hidratación de alquenos catalizada por ácido para comprender la formación de productos en esta reacción. Los siguientes pasos mecánicos se ven en el mecanismo de hidratación del alqueno para la reacción de hidratación catalizada por ácido.

• Paso de transferencia de protones: en el mecanismo de hidratación catalizado por ácido, el enlace pi del alqueno actuará como una base y desprotonará el ion hidronio. Este paso conduce a la formación de un carbocatión. Si el carbocatión puede sufrir un reordenamiento de carbocatión para volverse más estable, entonces ocurrirá un reordenamiento de carbocatión como un paso adicional.
• Paso de ataque nucleofílico: el agua actuará como un nucleófilo y atacará el carbono cargado positivamente del carbocatión intermedio. Este paso da como resultado la formación de un ion oxonio.
• Paso de transferencia de protones: el agua desprotonará el ion oxonio, lo que elimina la carga positiva del oxígeno, lo que conduce a la formación del producto de hidratación.

Reacción de hidratación catalizada por ácido con un mecanismo de alqueno

El resultado estereoquímico de esta reacción es una mezcla racémica de ambos enantiómeros cuando se genera un nuevo centro quiral. El agua puede atacar al carbocatión en cualquier dirección debido a la geometría plana trigonal de un carbocatión. La formación del carbocatión en esta reacción puede conducir a la formación de múltiples productos de hidratación. Para predecir todos los productos de una hidratación de alquenos catalizada por ácido, se debe dibujar el mecanismo. Para evitar una mezcla de productos resultante del reordenamiento del carbocatión, se necesita una cuidadosa selección del alqueno. Los siguientes ejemplos de reacciones de hidratación catalizadas por ácido con alquenos ilustran el uso y los problemas de esta reacción.

• El ciclohexanol es el producto cuando el ciclohexeno se trata con el ion hidronio. Esta es una reacción catalizada por ácido directa porque no se producirá un reordenamiento de carbocatión.
• Cuando el 3-metil-1-buteno reacciona con agua y una cantidad catalítica de ácido sulfúrico se obtiene una mezcla de productos. Un producto es el 3-metil-2-butanol, que resulta de que no se produzca ningún reordenamiento del carbocatión. El otro producto que se produce debido a un reordenamiento de carbocatión es el 2-metil-2-butanol.

Resumen de la lección

Una reacción en la que se agrega agua a un compuesto se llama hidratación. Mientras que las reacciones de hidratación agregan agua al compuesto, las reacciones de hidrólisis usan agua para separar los compuestos. Los alquenos se someten a reacciones de hidratación como la hidratación catalizada por ácido, la oximercuración-desmercuración y la hidroboración-oxidación. En estas tres reacciones, se agrega agua a través del enlace pi del alqueno. Los alquinos reaccionarán en reacciones de hidratación para producir un producto inicial llamado enol. En las reacciones de hidratación catalizadas por ácidos, el enol se convierte en una cetona. Los alquinos terminales reaccionarán en la reacción de hidroboración-oxidación para producir aldehídos. Estos aldehídos se convierten del producto enol inicial.

Los alquenos y los alquinos no son los únicos compuestos orgánicos que pueden sufrir reacciones de hidratación. Los epóxidos reaccionarán con agua en presencia de un catalizador ácido para experimentar una reacción de hidratación de apertura de anillo. Esta reacción se utiliza para producir etilenglicol a partir de óxido de etileno. Otro compuesto orgánico que sufre reacciones de hidratación es un nitrilo. El uso de sistemas catalíticos heterogéneos ha mejorado la reacción de hidratación con nitrilos.