La reacción de Suzuki o acoplamiento de Suzuki es una reacción orgánica que utiliza un catalizador de complejo de paladio para acoplar un ácido borónico a un organohaluro . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Fue publicada por primera vez en 1979 por Akira Suzuki , quien compartió el Premio Nobel de Química de 2010 con Richard F. Heck y Ei-ichi Negishi por su contribución al descubrimiento y desarrollo de la catálisis con metales nobles en la síntesis orgánica . [ 4 ] Esta reacción a veces se combina con la borilación de Miyaura ; la combinación es la reacción de Suzuki-Miyaura . Se utiliza ampliamente para sintetizar poliolefinas , estirenos y bifenilos sustituidos .
A continuación se muestra el esquema general de la reacción de Suzuki, donde se forma un enlace simple carbono-carbono mediante el acoplamiento de un haluro (R 1 -X) con una especie organoborónica (R 2 -BY 2 ) utilizando un catalizador de paladio y una base . La especie organoborónica se sintetiza habitualmente mediante hidroboración o carboboración , lo que permite generar rápidamente una estructura molecular compleja.
Se han publicado varias revisiones que describen los avances y el desarrollo de la reacción de Suzuki. [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]
Mecanismo de reacción
El mecanismo de la reacción de Suzuki se comprende mejor desde la perspectiva del catalizador de paladio. El ciclo catalítico se inicia con la formación de una especie catalítica activa de Pd 0 , A . Esta participa en la adición oxidativa de paladio al reactivo haluro 1 para formar el intermedio organopaladio B . La reacción ( metátesis ) con una base produce el intermedio C , que mediante transmetalación [ 8 ] con el complejo boronato D (producido por la reacción del reactivo de ácido borónico 2 con una base) forma la especie organopaladio transitoria E . La etapa de eliminación reductiva conduce a la formación del producto deseado 3 y restaura el catalizador de paladio original A, que completa el ciclo catalítico .

El acoplamiento de Suzuki se lleva a cabo en presencia de una base y durante mucho tiempo no se comprendió completamente el papel de la base. Inicialmente se creyó que la base formaba un borato de trialquilo (R₃B - OR), en el caso de una reacción de un trialquilborano (BR₃ ) y un alcóxido ( −OR ); esta especie podría considerarse más nucleofílica y, por lo tanto, más reactiva hacia el complejo de paladio presente en la etapa de transmetalación. [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] Duc y colaboradores investigaron el papel de la base en el mecanismo de reacción del acoplamiento de Suzuki y encontraron que la base tiene tres funciones: formación del complejo de paladio [ArPd(OR)L₂ ] , formación del borato de trialquilo y aceleración de la etapa de eliminación reductiva por reacción del alcóxido con el complejo de paladio. [ 9 ]
Adición oxidativa
En la mayoría de los casos, la adición oxidativa es la etapa determinante de la velocidad del ciclo catalítico. [ 12 ] Durante esta etapa, el catalizador de paladio se oxida de paladio(0) a paladio(II). La especie de paladio catalíticamente activa A se acopla con el sustrato de haluro de arilo 1 para producir un complejo de organopaladio B. Como se observa en el diagrama a continuación, la etapa de adición oxidativa rompe el enlace carbono - halógeno donde el paladio ahora está unido tanto al halógeno (X) como al grupo R 1 .

La adición oxidativa procede con retención de la estereoquímica con haluros de vinilo , mientras que produce inversión de la estereoquímica con haluros alílicos y bencílicos . [ 13 ] La adición oxidativa forma inicialmente el complejo cis -paladio, que rápidamente se isomeriza al complejo trans. [ 14 ]

El acoplamiento de Suzuki se produce con retención de la configuración en los dobles enlaces tanto del reactivo organoborónico como del haluro. [ 15 ] Sin embargo, la configuración de dicho doble enlace, cis o trans, está determinada por la isomerización cis - trans del complejo de paladio en la etapa de adición oxidativa, donde el complejo de paladio trans es la forma predominante. Cuando el organoborónico se une a un doble enlace y se acopla a un haluro de alquenilo, el producto es un dieno, como se muestra a continuación.

Transmetalación
La transmetalación es una reacción organometálica en la que los ligandos se transfieren de una especie a otra. En el caso del acoplamiento de Suzuki, los ligandos se transfieren de la especie organoborónica D al complejo de paladio(II) C , donde la base añadida en la etapa previa se intercambia con el sustituyente R₂ de la especie organoborónica para dar lugar al nuevo complejo de paladio(II) E. El mecanismo exacto de transmetalación para el acoplamiento de Suzuki aún no se ha descubierto. Los compuestos organoborónicos no experimentan transmetalación en ausencia de base, por lo que se cree que la función de la base es activar el compuesto organoborónico y facilitar la formación del intermedio R₁ - Pd₂₋ₓO₂tBu ( C ) a partir del producto de adición oxidativa R₁ - Pd₂₋ₓX ( B ) . [ 12 ]

eliminación reductiva
El paso final es la eliminación reductiva, donde el complejo de paladio(II) ( E ) elimina el producto ( 3 ) y regenera el catalizador de paladio(0) ( A ). Mediante el marcaje con deuterio , Ridgway et al. demostraron que la eliminación reductiva se produce con retención de la estereoquímica. [ 16 ]

El ligando desempeña un papel importante en la reacción de Suzuki. Típicamente, se utiliza el ligando fosfina en esta reacción. El ligando fosfina aumenta la densidad electrónica en el centro metálico del complejo y, por lo tanto, facilita la etapa de adición oxidativa. Además, el volumen de sustitución del ligando fosfina favorece la etapa de eliminación reductiva. Sin embargo, recientemente se han utilizado ligandos de carbeno N -heterocíclico en este acoplamiento cruzado, debido a la inestabilidad del ligando fosfina en las condiciones de la reacción de Suzuki. [ 17 ] Los carbenos N -heterocíclicos son más ricos en electrones y voluminosos que el ligando fosfina. Por consiguiente, tanto los factores estéricos como electrónicos del ligando de carbeno N -heterocíclico contribuyen a estabilizar el catalizador activo de Pd(0). [ 18 ]
Ventajas
Las ventajas del acoplamiento de Suzuki sobre otras reacciones similares incluyen la disponibilidad de ácidos borónicos comunes, condiciones de reacción suaves y su naturaleza menos tóxica. Los ácidos borónicos son menos tóxicos y más seguros para el medio ambiente que los compuestos de organoestaño y organozinc . Es fácil eliminar los subproductos inorgánicos de la mezcla de reacción. Además, esta reacción es preferible porque utiliza reactivos relativamente baratos y fáciles de preparar. Poder usar agua como solvente [ 19 ] hace que esta reacción sea más económica, ecológica y práctica para usar con una variedad de reactivos solubles en agua. Se puede usar una amplia variedad de reactivos para el acoplamiento de Suzuki, por ejemplo, ácidos aril o vinilborónicos y haluros de arilo o vinilo . El trabajo también ha extendido el alcance de la reacción para incorporar bromuros de alquilo. [ 20 ] Además de que muchos tipos diferentes de haluros son posibles para la reacción de acoplamiento de Suzuki, la reacción también funciona con pseudohaluros como triflatos (OTf), como reemplazos de haluros . La reactividad relativa del socio de acoplamiento con el haluro o pseudohaluro es: R 2 –I > R 2 –OTf > R 2 –Br ≫ R 2 –Cl. Se pueden usar ésteres borónicos y sales de organotrifluoroborato en lugar de ácidos borónicos. El catalizador también puede ser un catalizador basado en nanomateriales de paladio . [ 21 ] Con un nuevo ligando de organofosfina ( SPhos ), se ha informado una carga de catalizador de hasta 0,001 mol%. [ 22 ] Estos avances y la flexibilidad general del proceso han hecho que el acoplamiento de Suzuki sea ampliamente aceptado para la síntesis química.
Aplicaciones
Aplicaciones industriales
La reacción de acoplamiento de Suzuki es escalable y rentable para su uso en la síntesis de intermedios para productos farmacéuticos o químicos finos . [ 23 ] La reacción de Suzuki estuvo limitada en el pasado por los altos niveles de catalizador y la disponibilidad limitada de ácidos borónicos . También se encontraron sustitutos para los haluros, aumentando así el número de socios de acoplamiento para el haluro o pseudohaluro. Se han llevado a cabo reacciones a mayor escala en la síntesis de varios compuestos biológicos importantes, como el CI-1034, que utilizó triflato y ácido borónico como socios de acoplamiento, y que se realizó a una escala de 80 kilogramos con un rendimiento del 95 %. [ 24 ]
Otro ejemplo es el acoplamiento de 3-piridilborano y 1-bromo-3-(metilsulfonil)benceno, que formó un intermedio utilizado en la síntesis de un potencial agente del sistema nervioso central. La reacción de acoplamiento para formar el intermedio produjo 278 kilogramos con un rendimiento del 92,5 %. [ 15 ] [ 23 ]

Se han realizado importantes esfuerzos en el desarrollo de catalizadores heterogéneos para la reacción de Suzuki CC, motivados por las mejoras en el rendimiento del proceso industrial (eliminando la separación del catalizador del sustrato), y recientemente se ha demostrado que un catalizador heterogéneo de átomo único de Pd supera al catalizador homogéneo Pd(PPh₃ ) ₄ estándar de la industria . [ 25 ]
Aplicaciones sintéticas
El acoplamiento de Suzuki se ha utilizado frecuentemente en síntesis de compuestos complejos. [ 26 ] [ 27 ] El acoplamiento de Suzuki se ha utilizado en un derivado de citronelal para la síntesis de caparratrieno , un producto natural que es altamente activo contra la leucemia: [ 28 ]

Variaciones
Catalizador metálico
Se han desarrollado varios usos catalíticos de metales distintos del paladio (especialmente níquel). [ 29 ] La primera reacción de acoplamiento cruzado catalizada por níquel fue reportada por Percec y colaboradores en 1995 utilizando mesilatos de arilo y ácidos borónicos. [ 30 ] Aunque se necesitó una mayor cantidad de catalizador de níquel para la reacción, alrededor del 5 % molar , el níquel no es un metal tan caro ni tan precioso como el paladio . La reacción de acoplamiento de Suzuki catalizada por níquel también permitió obtener varios compuestos que no funcionaron o funcionaron peor para el sistema catalizado por paladio que para el sistema catalizado por níquel. [ 29 ] El uso de catalizadores de níquel ha permitido obtener electrófilos que resultaron difíciles para el acoplamiento de Suzuki original con paladio, incluyendo sustratos como fenoles, éteres de arilo, ésteres, fosfatos y fluoruros. [ 29 ]

La investigación sobre el acoplamiento cruzado catalizado por níquel continuó y amplió el alcance de la reacción después de que se mostraron estos primeros ejemplos y creció el interés de la investigación. Miyaura e Inada informaron en 2000 que se podía utilizar un catalizador de níquel más económico para el acoplamiento cruzado , utilizando trifenilfosfina (PPh₃ ) en lugar de los ligandos más caros utilizados anteriormente. [ 31 ] Sin embargo, el acoplamiento cruzado catalizado por níquel todavía requería altas cargas de catalizador (3-10%), requería un exceso de ligando (1-5 equivalentes) y seguía siendo sensible al aire y la humedad. [ 29 ] Los avances de Han y colaboradores han intentado abordar ese problema desarrollando un método que utiliza bajas cantidades de catalizador de níquel (<1 mol%) y ningún equivalente adicional de ligando. [ 32 ]

También fueron informados por Wu y colaboradores en 2011 que se podía utilizar un catalizador de níquel altamente activo para el acoplamiento cruzado de cloruros de arilo que solo requería 0,01-0,1 mol% de catalizador de níquel. También demostraron que el catalizador podía reciclarse hasta seis veces prácticamente sin pérdida de actividad catalítica. [ 33 ] El catalizador era reciclable porque era un catalizador de nanopartículas de níquel fosfina (G 3 DenP-Ni) que estaba hecho de dendrímeros .

Las ventajas y desventajas se aplican tanto a las reacciones de acoplamiento de Suzuki catalizadas por paladio como por níquel. Además del sistema de catalizadores de Pd y Ni, se han utilizado fuentes metálicas baratas y no tóxicas como el hierro y el cobre [ 34 ] en la reacción de acoplamiento de Suzuki. El grupo de investigación de Bedford [ 35 ] y el grupo de investigación de Nakamura [ 36 ] han trabajado extensamente en el desarrollo de la metodología de la reacción de acoplamiento de Suzuki catalizada por hierro. El rutenio es otra fuente metálica que se ha utilizado en la reacción de acoplamiento de Suzuki. [ 37 ]
Acoplamiento de amida
La catálisis con níquel permite la formación de enlaces C-C a partir de amidas. A pesar de la inercia inherente de las amidas como sintones, la siguiente metodología permite la preparación de dichos enlaces. El procedimiento de acoplamiento es suave y tolera una gran variedad de grupos funcionales, incluyendo aminas, cetonas, heterociclos y grupos con protones ácidos. Esta técnica también puede utilizarse para preparar moléculas bioactivas y unir heterociclos de forma controlada mediante acoplamientos cruzados secuenciales. A continuación se presenta una descripción general del esquema de reacción. [ 38 ]

La síntesis de un compuesto de unión a tubulina (agente antiproliferativo ) se llevó a cabo utilizando una trimetoxibenzamida y un indolil pinacol.Compañero de acoplamiento de atoboro a escala de gramos. [ 38 ]

Organoboranos
Los ácidos arilborónicos son comparativamente más baratos que otros organoboranos y existe una amplia variedad disponible comercialmente. Por lo tanto, se han utilizado ampliamente en la reacción de Suzuki como reactivos organoboránicos. Las sales de ariltrifluoroborato son otra clase de organoboranos que se utilizan con frecuencia debido a que son menos propensas a la protodesboronación en comparación con los ácidos arilborónicos . Son fáciles de sintetizar y purificar. [ 39 ] Las sales de ariltrifluoroborato se pueden formar a partir de ácidos borónicos mediante tratamiento con fluoruro de hidrógeno y potasio, y luego se pueden utilizar en la reacción de acoplamiento de Suzuki. [ 40 ]
- Síntesis de ariltrifluoroborato:
- Ariltrifluoroboratos en la reacción de Suzuki:
Variaciones del disolvente
La reacción de acoplamiento de Suzuki es diferente de otras reacciones de acoplamiento en que puede realizarse en bifásico orgánico-agua, [ 41 ] solo agua, [ 19 ] o sin disolvente. [ 42 ] Esto aumentó el alcance de las reacciones de acoplamiento, ya que se pudo utilizar una variedad de bases solubles en agua, sistemas catalíticos y reactivos sin preocuparse por su solubilidad en disolvente orgánico. El uso de agua como sistema de disolvente también es atractivo debido a las ventajas económicas y de seguridad. Los sistemas de disolventes utilizados frecuentemente para el acoplamiento de Suzuki son tolueno , [ 43 ] THF , [ 44 ] dioxano , [ 44 ] y DMF . [ 45 ] Las bases más utilizadas son K 2 CO 3 , [ 41 ] KO t Bu , [ 46 ] Cs 2 CO 3 , [ 47 ] K 3 PO 4 , [ 48 ] NaOH , [ 49 ] y NEt 3 . [ 50 ]
Véase también
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External links
- "Mechanism In Motion: Suzuki coupling". YouTube. 15 December 2012.
- Suzuki coupling
- A Bit of Boron, a Pinch of Palladium: One-Stop Shop for the Suzuki Reaction