Cicloadición

En química orgánica , una cicloadición es una reacción química en la que "dos o más moléculas insaturadas (o partes de la misma molécula) se combinan con la formación de un aducto cíclico en el que hay una reducción neta de la multiplicidad del enlace ". La reacción resultante es una reacción de ciclación . Muchas, pero no todas, las cicloadiciones son concertadas y, por lo tanto, pericíclicas . ^{[ 1 ]} Las cicloadiciones no concertadas no son pericíclicas. ^{[ 2 ]} Como clase de reacción de adición , las cicloadiciones permiten la formación de enlaces carbono-carbono sin el uso de un nucleófilo o electrófilo .

Las cicloadiciones pueden describirse mediante dos sistemas de notación. Una notación más antigua, pero aún común, se basa en el tamaño de las disposiciones lineales de átomos en los reactivos. Utiliza paréntesis : ( i + j + …) donde las variables son el número de átomos lineales en cada reactivo. El producto es un ciclo de tamaño ( i + j + …) . En este sistema, la reacción estándar de Diels-Alder es una cicloadición [4+2], la cicloadición 1,3-dipolar es una cicloadición [3+2] y la ciclopropanación de un carbeno con un alqueno una cicloadición [2+1]. ^{[ 1 ]}

Una notación más reciente, preferida por la IUPAC e introducida por Woodward y Hoffmann , utiliza corchetes para indicar el número de electrones , en lugar de átomos de carbono, involucrados en la formación del producto. En la notación [ i + j + ...], la reacción estándar de Diels-Alder es una cicloadición [4+2], mientras que la cicloadición 1,3-dipolar también es una cicloadición [4+2]. ^{[ 1 ]}

Las cicloadiciones térmicas son aquellas en las que los reactivos se encuentran en el estado electrónico fundamental. Suelen tener (4 n + 2) electrones π participando en el material de partida, para algún entero n . Estas reacciones ocurren por razones de simetría orbital en una suprafacial- suprafacial ( estereoquímica syn / syn ) en la mayoría de los casos. También se han reportado muy pocos ejemplos de reacciones antarafaciales -antarafaciales ( estereoquímica anti / anti ). Hay algunos ejemplos de cicloadiciones térmicas que tienen 4 n electrones π (por ejemplo, la cicloadición [2+2]). Estas proceden en un sentido suprafacial-antarafacial ( estereoquímica syn / anti ), como las reacciones de cicloadición de derivados de ceteno y aleno , en las que el conjunto ortogonal de orbitales p permite que la reacción proceda a través de un estado de transición cruzado . ^{[ 3 ]} Debido a la participación de un orbital ortogonal, esto se clasifica como una reacción pseudopericíclica, a la cual no se aplican las reglas de Woodward-Hoffmann. También se ha informado que los alquenos tensionados, como los derivados de trans -ciclohepteno, reaccionan de manera antarafacial en reacciones de cicloadición [2+2].

Doering (en una comunicación personal a Woodward ) informó que el heptafulvaleno y el tetracianoetileno pueden reaccionar en una cicloadición [14+2] suprafacial-antarafacial. Sin embargo, posteriormente se descubrió que esta reacción era por etapas, ya que también producía el producto suprafacial-suprafacial prohibido por Woodward-Hoffmann en condiciones cinéticas. ^{[ 4 ]}

Erden y Kaufmann habían descubierto previamente que la cicloadición de heptafulvaleno y N -feniltriazolindiona también producía productos suprafaciales-antarafaciales y suprafaciales-suprafaciales, lo que concuerda con la naturaleza por etapas de la reacción análoga del tetracianoetileno. ^{[ 5 ]}

Las cicloadiciones en las que participan 4n electrones π también pueden ocurrir a través de activación fotoquímica . Aquí, un componente tiene un electrón promovido del HOMO (enlace π) al LUMO ( antienlace π* ). La simetría orbital es entonces tal que la reacción puede proceder de manera suprafacial-suprafacial. Un ejemplo es la reacción de DeMayo . Otro ejemplo se muestra a continuación, la dimerización fotoquímica del ácido cinámico . ^{[ 6 ]} Los dos alquenos trans reaccionan cabeza con cola, y los isómeros aislados se llaman ácidos truxílicos .

Los efectos supramoleculares pueden influir en estas cicloadiciones. La cicloadición de trans -1,2-bis(4-piridil)eteno es dirigida por resorcinol en estado sólido con un rendimiento del 100% . ^{[ 7 ]}

Algunas cicloadiciones, en lugar de enlaces π, operan a través de anillos de ciclopropano tensionados , ya que estos tienen un carácter π significativo. Por ejemplo, un análogo de la reacción de Diels-Alder es la reacción de cuadriciclano - DMAD :

En la notación de cicloadición (i+j+...), i y j se refieren al número de átomos involucrados. En esta notación, una reacción de Diels-Alder es una cicloadición [4+2] y una adición 1,3-dipolar, como el primer paso de la ozonólisis, es una cicloadición [3+2]. Sin embargo, la notación preferida de la IUPAC , [i+j+...], tiene en cuenta los electrones y no los átomos. En esta notación, tanto la reacción de Diels-Alder como la reacción dipolar se convierten en una cicloadición [4+2]. La reacción entre el norbornadieno y un alquino activado es una cicloadición [2+2+2].

Existen otras reacciones de cicloadición: cicloadiciones [4+3] , cicloadiciones [6+4] , fotocicloadiciones [2+2] , cicloadición centrada en metal y fotocicloadiciones [4+4] .

Las cicloadiciones suelen tener análogos radicalarios catalizados por metales y por etapas ; sin embargo, en sentido estricto, no se trata de reacciones pericíclicas. Cuando en una cicloadición intervienen intermedios cargados o radicalarios, o cuando el resultado se obtiene mediante una serie de etapas de reacción, a veces se las denomina cicloadiciones formales para distinguirlas de las verdaderas cicloadiciones pericíclicas.

Un ejemplo de una cicloadición formal [3+3] entre una enona cíclica y una enamina catalizada por n- butillitio es una reacción en cascada de adición 1,2 / enamina de Stork : ^{[ 8 ]}