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Il tautomero cheto-enolo è l’equilibrio chimico tra un chetone o aldeide e un enolo. Poiché la presenza di condizioni acide o basiche porta al tautomerismo, ci saranno due diversi meccanismi di reazione da considerare: uno per condizioni acide e uno per condizioni basiche. Dato che l’unica differenza tra i tautomeri è la posizione di un singolo protone, la conversione di un chetone in un enolo coinvolgerà due passi separati – l’introduzione di un protone (H+) e la rimozione di un protone (H+).

Quando si schematizza la tautomerizzazione cheto-enolo ci sono tre fattori cruciali da determinare:

1. Se avviene prima la protonazione o la deprotonazione

2. La posizione di protonazione e deprotonazione.

3. I reagenti da usare per le fasi di trasferimento protonico.

In condizioni basiche, un protone alfa (H+) (qualsiasi protone unito a un carbonio alfa) sarà rimosso per formare un enolato, che è un enolo con un protone mancante dal gruppo idrossile. L’enolato prenderà poi un idrogeno per formare l’enolo. In condizioni acide, l’ossigeno del carbonile aggiungerà prima H+, e poi un protone alfa sarà rimosso per formare la forma enolica. I due passaggi che convertono un chetone o un’aldeide nella forma enolo possono essere invertiti per riformare la forma cheto convertendo la forma enolo di nuovo nella forma cheto.

Due passi separati sono necessari per convertire tra un chetone o un’aldeide e la forma enolo. Un passo è un passo di protonazione, e l’altro passo è un passo di deprotonazione. Protonare significa aggiungere uno ione idrogeno (H+) per formare l’acido coniugato di un composto. Deprotonare significa rimuovere uno ione idrogeno (H+) per formare la base coniugata di un composto.

Logicamente, sembrerebbe più semplice per l’ossigeno (O) del carbonile rimuovere direttamente un protone alfa per formare l’enolo invece di passare attraverso un processo a due fasi. Un processo meccanicistico a passo singolo che sposta un atomo di idrogeno da un atomo di una molecola a un altro atomo della stessa molecola è chiamato trasferimento intramolecolare di protoni. Tuttavia, la fase di trasferimento protonico intramolecolare non può avvenire nel tautomero cheto-enolo perché l’atomo di ossigeno del carbonile è troppo lontano dall’idrogeno alfa del carbonio alfa.

Una reazione base-catalizzata è una reazione che avviene in condizioni basiche con un accettore di protoni. Nella reazione catalizzata dalla base, una base come l’idrossido (-OH{-}{rm{OH}}-OH) rimuove un protone da un carbonio alfa per formare uno ione intermedio. L’intermedio è un ibrido di risonanza di un carbanione (carbonio caricato negativamente) e un enolato. Un enolato è un anione formato quando un idrogeno alfa nella molecola di un’aldeide o di un chetone viene rimosso come ione idrogeno. La forma enolata dell’intermedio si protonerà in presenza di acqua per formare un enolo. È importante riconoscere che la risonanza non è un passo separato nel meccanismo. Gli unici due passi sono la reazione di equilibrio tra il chetone e l’enolato, e la reazione di equilibrio tra l’enolato e l’enolo.

Una reazione catalizzata dall’acido è una reazione che avviene in condizioni acide con un donatore di protoni. Nella reazione acido-catalizzata, un acido come lo ione idronio (H3O+) protonerà l’ossigeno di un carbonile, che forma uno ione intermedio. L’intermedio è un ibrido di risonanza di un carbonile protonato e un carbocation (carbonio caricato positivamente). La forma di carbocation dell’intermedio si deprotonerà in presenza di acqua per formare un enolo. Come nella reazione catalizzata dalla base, la risonanza non è un passo separato nel meccanismo. Gli unici due passi sono la reazione di equilibrio tra il chetone e il carbonile protonato, e la reazione di equilibrio tra il carbonile protonato e l’enolo.

Quando si confronta il meccanismo catalizzato da acido con quello catalizzato da base, una differenza importante è la carica degli intermedi. L’intermedio è caricato negativamente in condizioni basiche e positivamente in condizioni acide. Il resto del meccanismo è simile per i due meccanismi. Ogni passo comporta un semplice trasferimento di protoni. La differenza chiave sta nella sequenza di protonazione e deprotonazione. Per le condizioni acide, la protonazione viene prima, seguita dalla deprotonazione. L’intermedio caricato positivamente che ne risulta è correlato alle condizioni acide. Per condizioni basiche, la deprotonazione viene prima, seguita dalla protonazione. L’intermedio caricato negativamente risultante è correlato a condizioni basiche.

Un esempio di conversione di un enolo in un chetone in condizioni acide è la conversione di 1-cyclohexen-1-ol (C6H9OH) in cicloesanone (C6H10O). Poiché questa reazione avviene in condizioni acide, si verifica prima una fase di protonazione e poi una fase di deprotonazione. In base all’ordine di protonazione e deprotonazione, la posizione di protonazione e deprotonazione può essere determinata. La protonazione avviene sul doppio legame, creando un carbocation che ha una forma di risonanza di chetone protonato. Il chetone protonato viene deprotonato per creare il prodotto chetonico dell’equilibrio. Il primo passo deve essere la protonazione del doppio legame, non dell’idrossile (OH). Questo può sembrare un primo passo logico, ma questa protonazione non produrrà un chetone.

Quando si scrive un meccanismo per la tautomerizzazione cheto-enolo in condizioni acide, si usa H3O+ per protonare, e H2O per deprotonare, non OH- e H3O+. C’è una quantità trascurabile di OH- presente in condizioni acide.

Quando si scrive un meccanismo per la tautomerizzazione del cheto-enolo in condizioni basiche, OH- è usato per deprotonare, e H2O è usato per protonare, non H3O+ e H2O . La pKa del carbonio alfa vicino ad un carbonile è circa 19, circa la stessa di un alcool (pKa=16{rm {p}}K_{rm {a}}=16pKa=16). Il pKa di un carbonio alfa tra due carbonili è circa 9, acido come un fenolo. Questi sono entrambi molto più acidi di altri legami C-H{rm{C{-}H}}C-H.

Una delle parti importanti della chimica del carbonio alfa è scegliere la base corretta per formare l’enolato. Per il carbonio alfa di un carbonile, è necessaria una base con un acido coniugato che abbia un pKa maggiore di 19, quindi NaH, LDA e NaNH2 sono spesso usati al posto di NaOH, NaOEt e così via. Per un carbonio alfa tra due carbonili, qualsiasi di queste basi funzionerà.