trimerización de alquinos

La trimerización de alquinos es una reacción de cicloadición [2+2+2] en la que tres unidades de alquino ( C≡C ) reaccionan para formar un anillo de benceno . La reacción requiere un catalizador metálico . El proceso es de interés histórico, además de ser aplicable a la síntesis orgánica . ^{[ 1 ]} Al ser una reacción de cicloadición, tiene una alta economía atómica . Se han desarrollado muchas variaciones, incluyendo la ciclación de mezclas de alquinos y alquenos , así como de alquinos y nitrilos . 

La trimerización del acetileno a benceno es altamente exergónica, procediendo con un cambio de energía libre de 142  kcal/mol a temperatura ambiente. Sin embargo, las barreras cinéticas impiden que la reacción se desarrolle sin problemas. El avance se produjo en 1948, cuando Walter Reppe y W.J. Schweckendiek informaron sus resultados de tiempos de guerra que demostraban que los compuestos de níquel son catalizadores eficaces: ^{[ 2 ] [ 3 ]}

3 RC ₂ H → C ₆ R ₃ H ₃

Desde este descubrimiento, se han reportado muchas otras ciclotrimerizaciones. ^{[ 4 ]}

Mecanismo

En términos de mecanismo, las reacciones comienzan con la formación de complejos metal-alquino . La combinación de dos alquinos dentro de la esfera de coordinación da lugar a un metalociclopentadieno. ^{[ 5 ]} Partiendo del intermedio metalociclopentadieno, se pueden considerar muchas vías, incluyendo metalocicloheptatrienos, metalanorbornadienos y una estructura más compleja que presenta un ligando carbenoide. ^{[ 4 ]}

Entre los catalizadores utilizados se incluyen el dicarbonilo de ciclopentadienilcobalto y el catalizador de Wilkinson .

Estereoquímica y regioquímica

La trimerización de alquinos asimétricos produce dos bencenos isómeros. Por ejemplo, _el fenilacetileno genera tanto 1,3,5-C6R3H3 como 1,2,4- C6R3H3 _{. El} patrón de sustitución alrededor del areno del producto se determina en dos etapas: la formación del intermedio metalociclopentadieno y la incorporación del tercer equivalente de alquino . Se ha postulado que el impedimento estérico de los reactivos de acoplamiento del alquino y del catalizador son los factores que controlan la regioselectividad.

Se han empleado catalizadores quirales en combinación con arinos para producir productos atropoisoméricos no racémicos . ^{[ 6 ]}

Alcance y limitaciones

Los catalizadores para la ciclotrimerización son selectivos para los enlaces triples, lo que confiere a la reacción un amplio rango de sustratos. Se toleran muchos grupos funcionales. La trimerización intermolecular regioselectiva de alquinos asimétricos sigue siendo un problema sin resolver. ^{[ 4 ]}

Quizás el avance más útil en este campo, al menos desde la perspectiva comercial, sea la cotrimerización de nitrilos y alquinos. Esta reacción constituye una vía práctica para la obtención de algunas piridinas sustituidas . ^{[ 7 ]}

^{Algunos catalizadores se desactivan por la formación de complejos η 4} estables de 18 electrones . Se han observado complejos de ciclobutadieno , ciclohexadieno y areno como catalizadores inactivados fuera del ciclo. ^{[ 8 ]} Además de polímeros de alto orden y dímeros y trímeros, que se originan a partir de bajas regio- y quimioselectividades, se han observado productos secundarios de enino derivados de la dimerización de alquinos. Los catalizadores de rodio son particularmente hábiles en la formación de eninos (véase más adelante). ^{[ 9 ]} Para la catálisis de níquel , la formación de anillos más grandes (en particular ciclooctatetraeno ) puede ser un problema.

La trimerización de alquinos no tiene valor práctico, aunque la reacción fue muy influyente. La cotrimerización de alquinos y nitrilos en presencia de catalizadores de organocobalto se ha comercializado para la producción de piridinas sustituidas. ^{[ 10 ]}

La ciclación que involucra sustratos en los que algunas o todas las unidades de alquino están unidas entre sí puede proporcionar sistemas de anillos fusionados. La longitud de la(s) unión(es) controla el tamaño de los anillos adicionales. La adición de un 1,5- diino con un alquino produce un benzociclobuteno , una estructura tensionada que luego puede ser inducida a experimentar reacciones adicionales. ^{[ 11 ]}

Las tres unidades de alquino pueden unirse mediante enlaces, lo que da lugar a la creación de tres anillos en un solo paso, y cada uno de los dos tamaños de anillo adicionales se controla mediante las longitudes de enlace respectivas. ^{[ 12 ]}

Los triinos congestionados pueden ciclarse para dar productos que exhiben quiralidad helicoidal . En un ejemplo notable por la formación de tres nuevos anillos aromáticos en un solo paso, el triino mostrado se transforma en el producto helicoidal mediante tratamiento con ciclopentadienilcobalto dicarbonilo . ^{[ 13 ]} Hasta 2004, este proceso aún no se había vuelto asimétrico, pero los productos podían separarse mediante HPLC quiral . ^{[ 13 ]} La ciclación llevada a cabo con un diino y un alquino separado ofrece un mayor control. Utilizando ciclopentadienilcobalto dicarbonilo , CpCo(CO) ₂ , disponible comercialmente , como catalizador, el bis(trimetilsilil)acetileno (BTMSA) reaccionará con un diino-1,2-disustituido benceno para formar un sistema aromático de antroquinona : ^{[ 14 ]}

El bencino , generado in situ a partir de un anillo de benceno con sustituyentes triflato y trimetilsililo distribuidos en posición orto , puede utilizarse para generar un arino en lugar de un acetileno y combinarse con un diino adecuado. Este derivado de benceno reacciona con 1,7-octadiino en presencia de un catalizador adecuado para generar un sistema de naftaleno. ^{[ 15 ]} Este es un ejemplo de una reacción de Diels-Alder hexadehidro .

La trimerización de tres moléculas de 2-butino (dimetilacetileno) produce hexametilbenceno . ^{[ 16 ]} La reacción es catalizada por tritetrahidrofuranato de trifenilcromo ^{[ 17 ]} o por un complejo de triisobutilaluminio y tetracloruro de titanio . ^{[ 18 ]}

La trimerización de tres moléculas de difenilacetileno produce hexafenilbenceno . La reacción es catalizada por octacarbonilo de dicobalto . ^{[ 19 ]}

La ciclotrimerización representa una alternativa a la funcionalización de compuestos aromáticos preformados mediante sustitución electrofílica o nucleofílica , cuya regioselectividad a veces puede ser difícil de controlar.

Otros métodos para la formación directa de anillos aromáticos a partir de precursores sustituidos e insaturados incluyen la reacción de Dötz , la benzanulación [4+2] de eninos con alquinos catalizada por paladio, ^{[ 20 ]} y la cicloadición [4+2] de eninos con alquinos mediada por ácidos de Lewis. ^{[ 21 ]} La ciclación de especies de bencino transitorias con alquinos, catalizada por paladio, también puede producir compuestos aromáticos sustituidos. ^{[ 22 ]}

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