Hispanopedia WikiEn química orgánica , una reacción electrocíclica es un tipo de reacción de transposición pericíclica en la que el resultado neto es la conversión de un enlace pi en un enlace sigma o viceversa. [ 1 ] Estas reacciones se suelen clasificar según los siguientes criterios:
- Las reacciones pueden ser fotoquímicas o térmicas.
- Las reacciones pueden ser de apertura de anillo o de cierre de anillo ( electrociclización ).
- Dependiendo del tipo de reacción ( fotoquímica o térmica) y del número de electrones pi, la reacción puede producirse mediante un mecanismo conrotatorio o disrotatorio .
- El tipo de rotación determina si se formará el isómero cis o trans del producto.
Ejemplos clásicos
La reacción de ciclación de Nazarov es una reacción electrocíclica que convierte divinilcetonas en ciclopentenonas.
Un ejemplo clásico es la reacción de apertura de anillo térmica del 3,4-dimetilciclobuteno. El isómero cis produce exclusivamente cis,trans-hexa-2,4-dieno, mientras que el isómero trans produce el dieno trans,trans: [ 2 ]
Esta reacción puede explicarse mediante un análisis sencillo utilizando el método de orbitales frontera : el enlace sigma del reactivo se abrirá de tal forma que los orbitales p resultantes tendrán la misma simetría que el HOMO del producto (un hexadieno ). La única manera de lograr esto es mediante una apertura de anillo conrotatoria , lo que da lugar a fases opuestas en los lóbulos terminales.
Estereoselectividad de las reacciones electrocíclicas
Al realizar una reacción electrocíclica, suele ser conveniente predecir la geometría cis/trans del producto. El primer paso consiste en determinar si la reacción se produce por conrotación o disrotación . La tabla siguiente muestra las reglas de selectividad para las reacciones electrocíclicas térmicas y fotoquímicas.
En el ejemplo que se muestra a continuación, la reacción térmica del (trans,cis,trans)-octa-2,4,6-trieno se produce mediante un mecanismo disrotatorio. Tras determinar el tipo de rotación, se puede determinar si el producto será cis o trans examinando la molécula inicial. En el ejemplo siguiente, la disrotación provoca que ambos grupos metilo apunten hacia arriba, dando como resultado el cis -dimetilciclohexadieno.
Además, la torquoselectividad en una reacción electrocíclica se refiere a la dirección de rotación. Por ejemplo, una reacción conrotatoria puede rotar en dos direcciones, produciendo productos enantioméricos. Una reacción torquoselectiva restringe una de estas direcciones de rotación (parcial o totalmente) para producir un producto en exceso enantiomérico .
Mecanismo de las reacciones térmicas
Reglas de Woodward-Hoffmann
Luego se pueden construir diagramas de correlación, que conectan los orbitales moleculares del reactivo con los del producto que tienen la misma simetría, para los dos procesos. [ 3 ]
Estos diagramas de correlación indican que solo la apertura de anillo conrotatoria del 3,4-dimetilciclobuteno está permitida por simetría, mientras que solo la apertura de anillo disrotatoria del 5,6-dimetilciclohexa-1,3-dieno está permitida por simetría. Esto se debe a que solo en estos casos se produciría la máxima superposición de orbitales en el estado de transición . Además, el producto formado estaría en un estado fundamental en lugar de un estado excitado.
Teoría de los orbitales moleculares de frontera
Según la teoría de los orbitales moleculares frontera, el enlace sigma en el anillo se abrirá de tal manera que los orbitales p resultantes tendrán la misma simetría que el HOMO del producto. [ 4 ]
Para el 5,6-dimetilciclohexa-1,3-dieno, solo un modo disrotatorio daría como resultado orbitales p con la misma simetría que el HOMO del hexatrieno . Por otro lado, para el 3,4-dimetilciclobuteno, solo un modo conrotatorio daría como resultado orbitales p con la misma simetría que el HOMO del butadieno.
Mecanismo de las reacciones fotoquímicas
Si la apertura del anillo de 3,4-dimetilciclobuteno se llevara a cabo en condiciones fotoquímicas, la electrociclización resultante ocurriría a través de un modo disrotatorio en lugar de un modo conrotatorio, como se puede ver en el diagrama de correlación para la reacción de apertura del anillo en estado excitado permitida.
Solo un modo disrotatorio, en el que se mantiene la simetría respecto a un plano de reflexión durante toda la reacción, daría como resultado la máxima superposición orbital en el estado de transición. Además, esto también daría lugar a la formación de un producto en un estado excitado de estabilidad comparable al estado excitado del compuesto reactivo.
Reacciones electrocíclicas en sistemas biológicos
Las reacciones electrocíclicas ocurren con frecuencia en la naturaleza. [ 5 ] Una de las electrociclizaciones más comunes es la biosíntesis de la vitamina D 3 .
El primer paso implica una apertura de anillo conrotatoria inducida fotoquímicamente del 7-dehidrocolesterol para formar previtamina D3. Luego, un desplazamiento de hidruro [1,7] forma vitamina D3 .
Otro ejemplo se encuentra en la propuesta de biosíntesis de aranotina, una oxepina que se encuentra de forma natural, y sus compuestos relacionados.
La epoxidación enzimática de la dicetopiperazina derivada de la fenilalanina forma el óxido de areno, que experimenta una reacción de electrociclización con apertura de anillo disrotatoria 6π para producir la oxepina no ciclizada. Tras una segunda epoxidación del anillo, el nitrógeno nucleofílico cercano ataca al carbono electrófilo, formando un anillo de cinco miembros. El sistema de anillos resultante es un sistema común presente en la aranotina y sus compuestos relacionados.
El diterpenoide benzonorcaradieno (abajo a la izquierda) se reorganizó en el diterpenoide benzocicloheptatrieno isosalvipuberlina (derecha) mediante ebullición de una solución de cloruro de metileno. Esta transformación puede concebirse como una reacción electrocíclica disrotatoria, seguida de dos desplazamientos suprafaciales 1,5-sigmatrópicos de hidrógeno, como se muestra a continuación. [ 6 ]
Reacciones electrocíclicas en síntesis orgánica
Una reacción electrocíclica frecuentemente estudiada es la apertura térmica conrotatoria del anillo de benzociclobuteno . El producto de la reacción es un orto-quinodimetano muy inestable, pero esta molécula puede ser atrapada en una adición endo con un dienófilo fuerte como el anhídrido maleico para formar el aducto de Diels-Alder . Se ha observado que el rendimiento químico para la apertura del anillo del benzociclobutano representado en el esquema 2 depende de la naturaleza del sustituyente R. [ 7 ] Con un disolvente de reacción como el tolueno y una temperatura de reacción de 110 °C, el rendimiento aumenta al pasar de metilo a isobutilmetilo a (trimetilsilil)metilo . El aumento de la velocidad de reacción para el compuesto trimetilsililo puede explicarse por la hiperconjugación del silicio, ya que el enlace βC-Si debilita el enlace CC del ciclobutano al donar electrones.
Se descubrió una reacción en cascada electrocíclica biomimética en relación con el aislamiento y la síntesis de ciertos ácidos endiándricos: [ 8 ] [ 9 ]
Las reacciones electrocíclicas asimétricas constituyen un campo emergente en la síntesis orgánica contemporánea. Las reacciones más estudiadas en este campo son la síntesis de β-lactamas de Staudinger 4π [ 10 ] y la reacción de Nazarov 4π ; la catálisis asimétrica de ambas reacciones se ha controlado mediante el uso de un auxiliar quiral , y la reacción de Nazarov se ha llevado a cabo catalíticamente utilizando ácidos de Lewis quirales , ácidos de Brønsted y aminas quirales. [ 11 ]
Referencias
- ↑ Libro de Oro de la IUPAC
- ↑ Preparación e isomerización de - y -3,4-dimetilciclobuteno. Tetrahedron Letters , Volumen 6, Número 17, 1965, Páginas 1207-1212 Rudolph Ernst K. Winter doi : 10.1016/S0040-4039(01)83997-6
- ↑ La conservación de la simetría orbital. Acc. Chem. Res. , Volumen 1, Número 1, 1968, Páginas 17–22 Roald Hoffmann y Robert B. Woodward doi : 10.1021/ar50001a003
- ↑ Fleming, Ian. Orbitales frontera y reacciones químicas orgánicas. 1976 (John Wiley & Sons, Ltd.) ISBN 0-471-01820-1
- ↑ Electrociclizaciones biosintéticas y biomiméticas. Chem. Rev. , Volumen 105, Número 12, 2005, Páginas 4757-4778 Christopher M. Beaudry, Jeremiah P. Malerich y Dirk Trauner doi : 10.1021/cr0406110
- ↑ JT Arnason, Rachel Mata, John T. Romeo. Fitoquímica de las plantas medicinales (2.ª edición). 1995 (Springer) ISBN 0-306-45181-6, ISBN 978-0-306-45181-2
- ↑ Apertura acelerada del anillo electrocíclico de benzociclobutenos bajo la influencia de un átomo de silicio α Yuji Matsuya, Noriko Ohsawa y Hideo Nemoto J. Am. Chem. Soc. ; 2006; 128(2) pp 412 - 413; (Comunicación) doi : 10.1021/ja055505+
- ↑ La cascada del ácido endiándrico. Electrociclizaciones en síntesis orgánica. 4. Enfoque biomimético para los ácidos endiándricos AG. Síntesis total y estudios térmicos KC Nicolaou, NA Petasis, RE Zipkin J. Am. Chem. Soc. , 1982, 104 (20), pp 5560–5562 doi : 10.1021/ja00384a080
- ↑ Inspiraciones, descubrimientos y perspectivas futuras en síntesis total. KC Nicolaou , J. Org. Chem. , 2009. Artículo disponible en línea. doi : 10.1021/jo802351b
- ↑ "Síntesis de Staudinger" .
- ↑ Reacciones electrocíclicas asimétricas , S. Thompson, AG Coyne, PC Knipe y MD Smith, Chem. Soc. Rev. , 2011, 40, pp. 4217-4231 doi : 10.1039/C1CS15022G
- Reacciones de reordenamiento
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