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Tensión alílica en un olefina. La tensión alílica (también conocida como tensión A 1,3 , tensión 1,3-alílica o tensión A ) en química orgánica es un tipo de energía de tensión q...

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Tensión alílica en un olefina.

La tensión alílica (también conocida como tensión A 1,3 , tensión 1,3-alílica o tensión A ) en química orgánica es un tipo de energía de tensión que resulta de la interacción entre un sustituyente en un extremo de una olefina (sinónimo de alqueno) y un sustituyente alílico en el otro extremo. [ 1 ] Si los sustituyentes (R y R') son lo suficientemente grandes, pueden interferir estéricamente entre sí, de modo que un conformero se ve mucho más favorecido que el otro. [ 2 ] La tensión alílica fue reconocida por primera vez en la literatura en 1965 por Johnson y Malhotra. Los autores estaban investigando conformaciones de ciclohexano , incluyendo enlaces dobles endocíclicos y exocíclicos, cuando notaron que ciertas conformaciones eran desfavorecidas debido a las restricciones geométricas causadas por el doble enlace. [ 3 ] Los químicos orgánicos aprovechan la rigidez resultante de la tensión alílica para su uso en reacciones asimétricas. [ 2 ]

Cuantificación de la energía de tensión alílica

La "energía de tensión" de una molécula es una magnitud difícil de definir con precisión, por lo que el significado de este término puede variar fácilmente según la interpretación. [ 4 ] En cambio, una forma objetiva de visualizar la tensión alílica de una molécula es a través de su equilibrio conformacional. Comparando los calores de formación de los conformeros involucrados, se puede evaluar un ΔH eq global . Este término proporciona información sobre las estabilidades relativas de los conformeros involucrados y el efecto que la tensión alílica tiene sobre un equilibrio. Los calores de formación pueden determinarse experimentalmente mediante estudios calorimétricos; sin embargo, las entalpías calculadas se utilizan con mayor frecuencia debido a la mayor facilidad de obtención. [ 4 ]

Entre los diferentes métodos utilizados para estimar la entalpía de equilibrio conformacional se incluyen: el método de Westheimer, [ 5 ] el método del homomorfo, [ 6 ] y, de forma más sencilla, el uso de entalpías estimadas de interacciones no enlazadas dentro de una molécula. [ 3 ] Dado que todos estos métodos son aproximaciones, los valores de deformación reportados para la misma molécula pueden variar y deben usarse solo para dar una idea general de la energía de deformación.

Olefinas

Energías rotacionales calculadas para diferentes conformaciones de 3-metil-1-buteno. [ 7 ] La tensión alílica 1,3 es la más frecuente en 1c , lo que hace que esta conformación sea la de mayor energía.

Las moléculas más simples que presentan tensión alílica son las olefinas. Dependiendo de los sustituyentes, las olefinas mantienen distintos grados de tensión alílica. En el 3-metil-1-buteno, las interacciones entre el hidrógeno y los dos grupos metilo del sistema alílico provocan un cambio de entalpía de 2 kcal/mol. [ 7 ] Como era de esperar, al aumentar el tamaño del sustituyente, las entalpías de equilibrio entre rotámeros también aumentan. Por ejemplo, al examinar el 4-metil-2-penteno, que contiene un grupo metilo alílico adicional en comparación con el 3-metil-1-buteno, la entalpía de rotación del conformero de mayor energía aumenta de 2 kcal/mol a 4 kcal/mol. [ 7 ]

Moléculas cíclicas

Diversas interacciones de tensión se muestran en rojo (los demás átomos de hidrógeno se han omitido por simplicidad).

Las energías de interacción no enlazada 1,3-diaxial se utilizan comúnmente para aproximar la energía de tensión en moléculas cíclicas, ya que se dispone de valores para estas interacciones. Al tomar la diferencia en las interacciones no enlazadas para cada conformero, se puede estimar la entalpía de equilibrio. La energía de tensión para el metilidenociclohexano se ha calculado en 4,5 kcalmol⁻¹ utilizando estimaciones para la tensión 1,3-diaxial (0,9 kcalmol⁻¹ ) , la tensión alílica metilo/hidrógeno (1,3 kcalmol⁻¹ ) y la tensión alílica metilo/metilo (7,6 kcalmol⁻¹ ) . [ 2 ]

La energía de tensión en el 1,8-dimetilnaftaleno se calculó en 7,6 kcal/ mol y alrededor de 12-15 kcal/ mol para el 4,5-dimetilfenantreno. [ 2 ] La tensión alílica tiende a ser mayor para las moléculas cíclicas en comparación con las olefinas, ya que la energía de tensión aumenta con la rigidez creciente del sistema. Johnson, F. ha presentado un resumen detallado de la tensión alílica en anillos de seis miembros en una revisión. [ 2 ]

1,8-dimetilnaftaleno y 4,5- dimetilfenantreno

Factores influyentes

Varios factores influyen en la penalización energética asociada a la tensión alílica. Para aliviar la tensión causada por la interacción entre los dos grupos metilo, los ciclohexanos suelen presentar una conformación de bote o bote retorcido . La conformación de bote tiende a ser la conformación predominante ante dicha tensión. [ 2 ] El efecto de la tensión alílica en los alquenos cis genera una preferencia por estructuras más lineales. [ 1 ]

Tamaño del sustituyente

La fuerza de la tensión alílica aumenta a medida que aumenta el tamaño de los sustituyentes que interactúan.

El tamaño de los sustituyentes que interactúan en las posiciones 1 y 3 de un grupo alílico suele ser el factor más importante que contribuye a la magnitud de la tensión. Por regla general, los sustituyentes más grandes generan una mayor tensión. La proximidad de grupos voluminosos provoca un aumento de las fuerzas repulsivas de Van der Waals, lo que incrementa rápidamente la magnitud de la tensión. Las interacciones entre el hidrógeno y el grupo metilo en el sistema alílico provocan un cambio de entalpía de 3,6 kcal/mol. [ 7 ] La energía de tensión en este sistema se calculó en 7,6 kcal/mol debido a las interacciones entre los dos grupos metilo. [ 2 ]

Polaridad del sustituyente

La polaridad también influye en la tensión alílica. En términos de estereoselectividad, los grupos polares actúan como grupos grandes y voluminosos. Aunque dos grupos tengan valores A aproximadamente iguales , el grupo polar actuará como si fuera mucho más voluminoso. Esto se debe al carácter donador del grupo polar. Los grupos polares aumentan la energía HOMO del sistema σ en el estado de transición. Esto provoca que el estado de transición se encuentre en una posición mucho más favorable cuando el grupo polar no interactúa en una tensión alílica 1,3. [ 8 ]

Enlaces de hidrógeno

A representa la conformación que se daría en la mayoría de las situaciones debido a la tensión alílica. Sin embargo, como se muestra en B, se puede formar un enlace de hidrógeno energéticamente favorable que contrarresta la tensión alílica desfavorable. Por lo tanto, B es la conformación más estable.

Con ciertos sustituyentes polares, puede producirse un enlace de hidrógeno en el sistema alílico entre los sustituyentes. En lugar de la tensión que normalmente se produciría en la proximidad de los grupos, el enlace de hidrógeno estabiliza la conformación y la hace energéticamente mucho más favorable. Este escenario se da cuando el sustituyente alílico en la posición 1 es un donador de enlace de hidrógeno (generalmente un hidroxilo ) y el sustituyente en la posición 3 es un aceptor de enlace de hidrógeno (generalmente un éter ). Incluso en los casos en que el sistema alílico podría conformarse para colocar un hidrógeno mucho más pequeño en la posición del aceptor de enlace de hidrógeno, es mucho más favorable permitir la formación del enlace de hidrógeno. [ 9 ]

disolventes

Los disolventes también influyen en la tensión alílica. Al combinarlos con el conocimiento de los efectos de la polaridad sobre dicha tensión, los disolventes pueden ser muy útiles para dirigir la conformación de un producto que contiene una estructura alílica en su estado de transición. Cuando un disolvente voluminoso y polar interactúa con uno de los sustituyentes del grupo alílico, el complejo formado por el disolvente puede desplazar energéticamente al complejo voluminoso de la tensión alílica, favoreciendo así un grupo más pequeño. [ 10 ]

Conjugación

La conjugación aumenta la tensión alílica porque fuerza a los sustituyentes a adoptar una configuración que provoca que sus átomos se encuentren más próximos, incrementando así la fuerza de las fuerzas repulsivas de Van der Waals . [ 11 ] Esta situación se observa con mayor claridad cuando un ácido carboxílico o una cetona actúan como sustituyentes del grupo alílico. El efecto de resonancia en el grupo carboxílico desplaza el doble enlace C-O a un grupo hidroxilo. De este modo, el grupo carboxílico actuará como un grupo hidroxilo, lo que provocará una gran tensión alílica y anulará los efectos estabilizadores de la conjugación extendida. Esto es muy común en las reacciones de enolización [ 2 ] y puede observarse en la figura siguiente, en la sección "Condiciones ácidas".

En situaciones donde la molécula puede estar en un sistema conjugado o evitar la tensión alílica, se ha demostrado que la forma mayoritaria de la molécula será la que evita la tensión. Esto se ha descubierto mediante la ciclación en la figura siguiente. [ 12 ] Bajo tratamiento con ácido perclórico , la molécula A se cicla en el sistema conjugado que se muestra en la molécula B. Sin embargo, la molécula se reorganizará (debido a la tensión alílica) en la molécula C, lo que hace que la molécula C sea la especie mayoritaria. Por lo tanto, la magnitud de la desestabilización a través de la tensión alílica supera la estabilización causada por el sistema conjugado. [ 2 ]

La molécula A experimenta ciclación tras el tratamiento con ácido perclórico. Debido a la tensión alílica en la molécula B, se observó que esta no presentaba estabilización por conjugación y se estabilizó en la conformación mostrada en C. Por lo tanto, la tensión alílica supera los efectos de estabilización de un sistema conjugado.

Condiciones ácidas

En los casos en que se produce una enolización alrededor de un grupo alílico (generalmente como parte de un sistema cíclico), una tensión 1,3 puede hacer que la reacción sea prácticamente imposible. En estas situaciones, el tratamiento ácido normalmente provocaría la protonación del alqueno , desplazando el doble enlace al grupo carboxílico y transformándolo en un grupo hidroxilo . La tensión alílica resultante entre el alcohol y el otro grupo involucrado en el sistema alílico es tan grande que la reacción no puede ocurrir en condiciones termodinámicas normales. [ 13 ] Esta misma enolización ocurre mucho más rápidamente en condiciones básicas, ya que el grupo carboxílico se conserva en el estado de transición y permite que la molécula adopte una conformación que no causa tensión alílica. [ 13 ]

La forma ceto (izquierda) no puede sufrir enolización en condiciones ácidas normales, debido a la formación de tensión alílica (centro). Por lo tanto, en condiciones termodinámicas normales, la molécula no puede sufrir bromación (derecha).

Aplicación de la tensión alílica en reacciones orgánicas y síntesis total.

Origen de la estereoselectividad de las reacciones orgánicas a partir de la tensión alílica.

Al considerar la tensión alílica, es necesario tener en cuenta los posibles conformeros y la posible demanda estereoelectrónica de la reacción. Por ejemplo, en la conformación del (Z)-4-metilpent-2-eno, la molécula no se encuentra fija en el conformero preferido, sino que rota en un ángulo diedro de aproximadamente 30° con un coste energético inferior a 1 kcal/mol. En las reacciones estereoselectivas, la tensión alílica tiene dos efectos: el estérico y el electrónico. El estérico indica que el grupo más grande tiende a estar más alejado del alqueno. El electrónico indica que los orbitales de los sustituyentes tienden a alinearse en posición anti o fuera de los orbitales, dependiendo de la reacción. [ 14 ]

Reacción de hidroboración

La reacción de hidroboración es una reacción útil para funcionalizar alquenos y convertirlos en alcoholes. En esta reacción, el grupo trimetilsililo (TMS) cumple dos funciones en la dirección de la estereoselectividad. En primer lugar, el gran tamaño del TMS favorece que la molécula adopte una conformación en la que el TMS no se encuentre cerca del grupo metilo del alqueno. En segundo lugar, el grupo TMS confiere un efecto estereoelectrónico a la molécula al adoptar una conformación anti respecto a los orbitales directores del alqueno. Para la regioselectividad de la reacción, el grupo TMS puede estabilizar la carga parcial positiva que se desarrolla en el carbono secundario mucho mejor que un grupo metilo. [ 15 ]

Reacción aldólica

En la reacción aldólica de Evans, altamente versátil y ampliamente utilizada, [ 16 ] la tensión alílica desempeñó un papel fundamental en el desarrollo de la reacción. El enolato Z se creó para evitar la tensión alílica con la oxazolidinona. La formación de un enolato específico impone el desarrollo de la estereoquímica relativa a lo largo de la reacción, lo que convierte a la reacción aldólica en una metodología muy predictiva y útil para sintetizar moléculas quirales. La estereoquímica absoluta queda entonces determinada por la quiralidad de la oxazolidinona.

Existe otro aspecto de la reacción aldólica influenciado por la tensión alílica. En la segunda reacción aldólica, el producto, un 1,3-dicarbonilo, se forma con alta diastereoselectividad. Esto se debe a que la acidez del protón se reduce significativamente, ya que para que se produzca la desprotonación, este debe experimentar una tensión alílica creciente en la conformación desfavorable. En la conformación favorecida, el protón no está alineado adecuadamente para que se produzca la desprotonación.

Reacción de Diels-Alder

En una reacción intramolecular de Diels-Alder, la inducción asimétrica puede producirse mediante tensión alílica 1,3 en el dieno o el dienófilo. En el siguiente ejemplo, [ 17 ] el grupo metilo del dienófilo obligó a la molécula a adoptar esa conformación específica de anillo de 6 miembros.

En los estudios modelo para sintetizar clorotricolida, [ 18 ] una reacción intramolecular de Diels-Alder produjo una mezcla de diastereómeros. Sin embargo, al introducir un sustituyente TMS voluminoso, la reacción dio el producto deseado con alta diastereoselectividad y regioselectividad con buen rendimiento. El sustituyente TMS voluminoso ayuda a aumentar la tensión alílica 1,3 en la conformación de la molécula.

Síntesis total de productos naturales

En el trabajo del seminario sobre la síntesis total de (+)-monensina, [ 19 ] Kishi y colaboradores utilizaron la tensión alílica para inducir la inducción asimétrica en la reacción de oxidación por hidroboración. La reacción es regioselectiva y estereoselectiva. La regioselectividad de la reacción se debe al carácter positivo significativo que se desarrolla en el carbono terciario. La estereoselectividad de la reacción se debe al ataque del borano desde el lado menos impedido, que es donde se encuentra el grupo metilo.

Referencias

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  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Johnson, F (1968). "Tensión alílica en anillos de seis miembros". Chem. Rev. 68 (4): 375– 413. doi : 10.1021/cr60254a001 .
  3. 1 2 Johnson, F; Malhorta, SK (1965). "Interferencia estérica en sistemas alílicos y pseudoalílicos. I. Dos teoremas estereoquímicos". J. Am. Chem. Soc . 87 (23): 5492– 5493. doi : 10.1021/ja00951a047 .
  4. 1 2 Allinger, NL; Hirsch, Jerry A.; Miller, Mary Ann.; Tyminski, Irene J. (1968). "Análisis conformacional. LXIV. Cálculo de las estructuras y energías de hidrocarburos insaturados mediante el método de Westheimer". J. Am. Chem. Soc. 90 (21): 5773– 5780. Bibcode : 1968JAChS..90.5773A . doi : 10.1021/ja01023a021 .
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  • Apuntes de clase de Química Orgánica Avanzada (Evans, DA; Myers, AG, Universidad de Harvard, 2006-2007)