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INTERMEDIOS DE REACCIÓN ELECTRON-DEFICIENTES
-CARGADOS -CARBOCATIONES
- NEUTROS -RADICALES
- CARBENOS
- NITRENOS
1
CARBOCATIONES
-Intermedios reactivos con una carga formal de +1 sobre un átomo de carbono -Clasificación: Carbocationes clásicos (iones carbenio): Trivalentes tricoordinados, CH3+ CH3
CH2 + H H H
H
Carbocationes no clásicos (iones carbonio): Hipercoordinados, CH5+ CH5
CH4 + H H H H C H
H H
C
H H
H H
2
CARBOCATIONES Formación de carbocationes: Independientemente de su estabilidad, los carbocationes se generan mediante alguno de estos procesos: 1. Ionización directa: Ruptura heterolítica de un enlace.
R X
R
+ X
2. Un protón u otra especie positiva se coordinan a un sistema insaturado
C Z
+ H
C Z H
3
CARBOCATIONES Estructura y estabilidad - Afinidad por hidruro
R
+
H
R-H
H
A mayor valor de H, mayor y afinidad p por hidruro y menor estabilidad del carbocatión
4
CARBOCATIONES Estructura y estabilidad: Carbocationes alquílicos La mayoria de carbocationes alquílicos presentan una hibridación sp2 con un orbital p vacante. 1. Estabilidad: terciario > secundario > primario > CH3+ Causas: a) Hiperconjugación: Al aumentar el número de sustituyentes aumenta el número de estructuras resonantes y aumenta la estabilidad del catión
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CARBOCATIONES Estructura y estabilidad: Carbocationes alquílicos Estabilidad: terciario > secundario > primario > CH3+ Causa: b) Efecto inductivo: Debido a la diferencia de hibridación, los grupos alquilo (sp3) tienen un efecto electron-dador hacia el carbono positivo (sp2) que contribuye a disminuir la carga neta sobre el carbocatión y la dispersa por los carbonos vecinos, d d una especie dando i más á estable. t bl Dentro de una misma categoria, los cationes más grandes son más estables
CH3CH2
CH3 > C CH2CH3
CH3CH2
CH3 C CH3
> CH3
CH3 C CH3
6
CARBOCATIONES Estructura y estabilidad Cations alílicos y bencílicos están estabilizados por resonancia.
Debido a la deslocalización electrónica el catión alilo presenta cierta barrera rotacional Cationes bencílicos: CH2
CH2
CH2
CH2
La estabilidad depende de los sustituyentes en el anillo aromático Grupos electrón electrón-dadores dadores en o y p estabilizan el carbocatión (p (p-NH NH2 26 Kcal/mol, Kcal/mol pp MeO 14 kcal/mol) CH2 CH3O
CH2 CH3O
CH3O
CH2 H3CO
CH2
CH2
CH3O
Grupos electrón-aceptores G ó en o y p desestabilizan el carbocatión ó ((p-CN C 12 Kcal/mol, / p-NO2 20 kcal/mol) 7
CARBOCATIONES Estructura y estabilidad: Cationes bencílicos (cont) El efecto estabilizador es aditivo. Los cationes difenilmetilo y trifenilmetilo son muy estables. Por ej., el catión trifenilmetilo (tritilo) existe libre en disolución en disolventes no nucleofílicos y en algunas g sales sólidas
SO2 Ph3CCl
Ph3C
+
Cl
Ph3C BF4
Comercial
Cationes ciclopropilmetilo 96% H2SO4
Son más estables que los bencílicos.
OH
La estabilidad se debe al solapamiento entre los orbitales del enlace curvo del anillo de ciclopropano con el orbital p vacío del carbocatión. Esto favorece la conformación bisectada entre el anillo de ciclopropano y los sutituyentes del catión
conformación coplanar
conformación bisectada
8
CARBOCATIONES Estructura y estabilidad: Efecto de heteroátomos La presencia de heteroátomos con pares de electrones no enlazantes (N, O, Hal) incrementa la estabilidad de carbocationes adyacentes. Por ej. MeOCH2+ SbF6- se ha aislado como sal sólida. La causa es la deslocalización del par de electrones hacia el carbocatión R R C O Me
R R C O Me
Existe una barrera rotacional de aproximadamente 14 Kcal/mol Este efecte se observa incluso en un elemento tan electronegativo como el flúor: F2CH+ > F CH2+ > F3C+ > CH3+ La presencia de grupos electrón-aceptores desestabiliza carbocationes adyacentes Y R C X R
kv
Y R C R
Y
kv
H CN CF3
1 10-3 10-66
C C N
C C N
Con el CN y el C=O C O el efecto se ve atenuado debido a su 9 capacidad dadora
CARBOCATIONES Estructura y estabilidad: Efecto de heteroátomos Los cationes acilo se han preparado en disolución y como sal sólida. Por ej., el catión acetilo tiene una estabilidad similar al catión terc terc-butilo. butilo.
CH3
O C
CH3 C O
C O C=O
Estable per qüestions estèriques. tè i Es E pott preparar en H2SO4
Cationes aromáticos Algunos cationes con sistemas planos y conjugación electrónica cíclica que cumplen la regla de Hückel (4n+2) presentan una estabilidad elevada.
Catión tropilio
Catión ciclopropilo 10
CARBOCATIONES Estructura y estabilidad: Carbocationes con hibridación sp Son menos estables que los carbocationes con hibridación sp2 debido al mayor caracter (más electronegativo) del orbital.
>
CH3CH2 Afinidad por hidruro
CH2=CH
274 Kcal/mol
> CH3
287 Kcal/mol
314 Kcal/mol
Se preparan a partir de compuestos con grupos salientes muy reactivos
H CH3
OSO2CF3 CH CO H 3 2 CH3
H2C C CH-CH3 + 5%
H3C-HC CH-CH3 77%
+
H3 C
OAc
H
CH3 17%
El catión tió ffenilo il es muy iinestable t bl ((afinidad fi id d por hid hidruro 298 K Kcal/mol). l/ l) L La geometria ti d dell anillo ill 2 impide la rehibridación. El orbital vacío mantiene la hibridación sp y como es perpendicular al sistema del benceno, no hay estabilización por resonancia
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CARBOCATIONES Estructura y estabilidad: Los carbocationes con hibridación sp2 tienden a una geometría trigonal plana. Factores estructurales que dificultan esta geometría desestabilizan el carbocatión.
No ioniza
X Preparado en disolución superàcida a -78 ºC. Estabilización adicional por los anillos de ciclopropano
Br Br v solvolisi (SN1) en EtOH
1
10-3
Br
La v de solvolisis disminuye con la rigidez de la molécula
10-10
12
CARBOCATIONES Procesos experimentados por carbocationes: 1. Reacción con bases de Lewis R
+ Y
R Y
2. Adición: Un carbocatión se adiciona a un sistema insaturado generando un nuevo carbocatión. R
+
R C C
C C
3. Transposiciones: Un protón o un grupo alquilo migran con su par de electrones 3 generando un nuevo catión. CH3
H C CH2 H
CH3 C CH3 H
CH3
CH3 C CH2 CH3
CH3 C CH2CH3 CH3
4. Fragmentación: Pérdida de un protón o de otra especies positiva de un átomo vecino.
C C Z
C C
+ Z
Z = H, C, etc
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CARBOCATIONES Reacciones que implican la participación de carbocationes: 1. Reacciones de formación de enlace C-C * Alquilación y acilación de Friedel-Crafts O O +
R
R Cl + R-Cl
AlCl3
R
Cl R
AlCl3
O R
O AlCl3 Cl +
AlCl4
+
O
R R
R
Cl + AlCl3
AlCl4
+ R
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CARBOCATIONES Reacciones que implican la participación de carbocationes: 1. Reacciones de formación de enlace C-C •
Adición de alquenos a carbocationes Nu Nu
polimer p
+
-H
La polimerización puede evitarse utilizando reactivos de vinil o alilsilano (o equivalentes de Sn). Si y Sn estabilizan cargas positivas en y eliminan rápidamente neutralizando el carbocatión M + M = SiMe3 M = SnBu3 M + M = SiMe3 M = SnBu3
M
M
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CARBOCATIONES Reacciones que implican la participación de carbocationes: 1. Reacciones de formación de enlace C-C •
Acilación de alquenos con haluros de ácido
H O
H + R
O
H
A.L. Cl
H
R
Nu
Cl
R
O -H
O
Nu
O R
Cl
O
R
O
AlCl3
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CARBOCATIONES Reacciones que implican la participación de carbocationes: 1. Reacciones de formación de enlace C-C •
Reacción de Prins: Adición de alquenos a aldehídos
O
H + R
+
A.L. o H
O
H
H
H
H
R
R
O
OH
OH -H
R
OH
H SnCl2 H
H
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CARBOCATIONES Reacciones que implican la participación de carbocationes: 1. Reacciones de formación de enlace C-C •
Ciclación poliolefínica. Algunos carbocationes poliénicos, con dobles enlaces adecuadamente posicionados, posicionados pueden experimentar la formación sucesiva de enlaces C-C. El proceso es útil para formar sistemas policíclicos.
H -H2O OH
OH2
mezcla -H
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CARBOCATIONES Reacciones que implican la participación de carbocationes: 2. Reacciones de transposición -
Las transposiciones son procesos característicos de los carbocationes.
-
Normalmente se producen por migración de grupo alquilo, arilo o H.
-
La migración genera un nuevo carbocatión en el átomo al cual estaba únido el grupo que migra
-
La fuerza motriz de las transposiciones es la formación de un carbocatión más estable que el inicial.
-
Las transposiciones más habituales implican el desplzamiento de un grupo desde el carbono vecino al carbocatión (desplazmiento 1,2 o transposició de WagnerMeerwein) R R C CHRR' R C CHR' R R H R C CHR' R
R C CH2R' R 19
CARBOCATIONES Reacciones que implican la participación de carbocationes: 2. Reacciones de transposición Las transposiciones requieren la coplanariedad entre el orbital p del catión y el orbital del grupo que migra migra.
H
R R
H
H
R
R
R
H R
R
R R
H
H
Capacidad migratoria: Arilo > Alquilo ramificado > alquilo Las diferencias en la capacidad migratoria no son muy grandes y no suele haber mucha selectividad. A menudo se observa migración preferente del grupo mejor posicionado desde el punto de vista estereoquímico. El curso de la reacción también depende de la tensión. En general un desplazamiento que disminuya la tensión angular de la molécula suele estar favorecido. 20
CARBOCATIONES Reacciones que implican la participación de carbocationes: 2. Reacciones de transposición * Transposición pinacolínica: Se observa frecuentemente al tratar 1,2-dioles con ácido. La fuerza motriz es la formación de un carbocatión estabilizado por O O. Ph OH Ph C C CH3 OH CH3
H Ph O Ph C C CH3 CH3
H+
Ph OH Ph C C CH3 OH2 CH3
H Ph O Ph C C CH3 CH3
-H2O
-H H+
Ph OH Ph C C CH3 CH3
Ph O Ph C C CH3 CH3
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CARBOCATIONES Reacciones que implican la participación de carbocationes: 2. Reacciones de transposición •
Reacción de Tiffeneau-Demjanof. Semejante a la anterior, es la transposició de amino alcoholes per diazotación
OH R2C CH2 NH2
HNO2
HO
OH R2C CH2 N N
CH2NH2
-N2
OH RC CH2 -H+ R
O RC CH2R
O
HNO2
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CARBOCATIONES Reacciones que implican la participación de carbocationes: 2. Reacciones de transposición * Transposición de Favorskii. Es la transposición de una -halocetona por tratamiento con una base. base
En el mecanismo de la reacción participan intermedios con estructura de ciclopropanona o isómeros 1,3-dipolares de ciclopropanona.
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CARBOCATIONES Reacciones que implican la participación de carbocationes: •
Transposición de Favorskii.
En ausencia de hidrógenos ácidos, puede operar otro mecanismo distinto llamado de transposición semibencílica.
Una de las aplicaciones más interesantes de la reacción de Favorskii es la contracción de sistemas cíclicos.
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CARBOCATIONES Reaccions que impliquen la participació de carbocations: 3. Reacciones de fragmentación Son reacciones en las que la formación de un carbocatión promueve la ruptura de un enlace C-C. La presencia de un átomo (N,O) con electrones no enlazantes, capaces de estabilizar el nuevo carbocatión facilita la fragmentación Y C + C=A
Y C C A X
+ X
Y C
Un caso particularmente útil es la fragmentación de monosulfonats de 1,3-dioles,que se ha utilizado en numerosas síntesis de productos naturales. HO
O OTs
+
+ TsO-
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RADICALES -Son Son especies químicas con un electron desapareado sobre un átomo de carbono con una carga formal nula.
CH3
Ph3C
H2C CH
-Tienen Tienen 7 e e- en la capa de valencia valencia. -Muestran una elevada tendencia a ganar 1 e- para completar el octete. La mayoría de reacciones orgánicas implican la ruptura heterolítica del enlace, lo cual origina especies cargadas positivamente (carbocationes) o negativamente (carbaniones). En contraste, los radicales se generan por ruptura homolítica de los enlaces.
C X C X
C+ +
X-
C· +
X· 26
RADICALES - Estabilidad de los radicales: La mayoría de radicales libres son especies muy reactivas con tiempos de vida muy cortos. En ausencia de otras especies reactivas, se autodestruyen por dimerización o desproporción:
Tambien pueden reaccionar con otras sustancias químicas, como por ejemplo O2 o disolventes.
R
+
O2
R-O-O·
R
+
SH S-H
RH + S· S
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RADICALES - Estabilidad de los radicales: La estabilidad relativa de los radicales alquílicos sigue la misma pauta que los carbocationes:Terciario> secundario > primario. Se explica por hiperconjugación.
Los radicales que presentan deslocalización por resonancia, por ej. Radicales alílicos y bencílicos, b íli son más á estables t bl que los l radicales di l alquílicos l íli sencillos. ill A Aun así, í solo l tienen una existencia transitoria en condiciones normales. Sin embargo, el radical trifenilmetilo existe en disolución a t. amb. en equilibrio con una forma dimérica (2 % en benzeno).
28
RADICALES - Estabilidad de los radicales: Algunos radicales con tiempos de vida más largos
29
RADICALES Formación de radicales: A. Ruptura homolítica de enlaces Proceso térmico (sólo útil si se produce a Tsecundario>primario. Las posiciones bencílicas también suelen bromarse de manera efectiva Me Me
H
Me
Br2
+ altres Me
llum
Br 90%
La cloración radicalaria con Cl2 presenta una baja selectividad y conduce a mezclas de productos clorados. La causa es la mayor reactividad del cloro y se explica aplicando el postulado de Hammond a los correspondientes ET. Me Me
H
llum
Me
Me
Cl2 Me
+ Cl 40%
Me
+ altres H
25%
Cl
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POSTULADO DE HAMMOND Halogenación radicalaria ET R + BrH
E (C-H)= 98 Kcal/mol, E (H-Br)= 87 Kcal mol Bromación etapa (2) es endotérmica con un ET lejano La energia y estructura de los ET son parecidos a los radicales que se forman Las variaciones en la energia de los ET son paralelas a las de los radicales
Br + RH
G(ET3) < G(ET2) < G(ET1)
E (C-H)= 98 Kcal/mol, E (H-Cl)= 102 Kcal mol Cl + RH ET
Cloración etapa (2) es exotérmica con un ET próximo. La energia y estructura de los ET son parecidos a las de los reactantes y varian poco segun se forme un radical 3, 2 o 1. R + ClH
La reacción no es selectiva 36
RADICALES -
REACCIONES POR RADICALES LIBRES LIBRES-SUSTITUCIÓN: SUSTITUCIÓN:
Halogenación (continuación): Por ejemplo el cloro no muestra una elevada selectividad hacia las posiciones bencílicas: Cl CHCH3
CH2CH3
CH2CH2Cl
Cl2 + luz
La cloración radicalaria con Cl2 muestra un efecto polar sustancial: Las posiciones sustituidas tit id con grupos electron-aceptores l t t son poco reactivas, ti aunque ell radical di l formado podría estar estabilizado. La causa es que el átomo de cloro es electrofílico y por lo tanto evitar atacar a posiciones relativamente pobres en electrones.
Las reacciones de fluoración son excesivamente exotérmicas, mientras que la iodación con iodo es muy lenta. 37
RADICALES -
REACCIONES POR RADICALES LIBRES-SUSTITUCIÓN: Ó
1. Halogenación (continuación): Otros reactivos de halogenación. N-Bromosuccinimida (NBS). Se utiliza para la bromación de posiciones alílicas y bencílicas. Catalizada por luz o por alguna fuente de radicales. O N Br O Br
CH3 S
Br
CH2Br S
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RADICALES 1.Halogenación (continuación): Otros reactivos de halogenación.El agente reactivo en las reacciones con NBS es Br2. La NBS procura una concentración baja de Br2 en la mezcla de reacción que evita la adición de bromo al doble enlace. enlace Si los dos carbonos de los extremos del sistema alílico no son equivalentes se pueden obtener mezclas de productos. Br
+
H H2C CH C H H
H2C CH CH2 + HBr O
O
N H + Br2
N Br + HBr
O
O H2C CH CH2 + Br B r
H2C CH CH2Br + Br
Cloración con hipoclorito de terc-butil (selectividad baja) Iniciación
O
O-Cl
O
+ RH
+ Cl·
OH
+ R
P Propagación ió R
+
O-Cl
R-Cl +
O
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RADICALES -
REACCIONES POR RADICALES LIBRES-SUSTITUCIÓN: Ó
2. Autooxidación: Es la oxidación radicalaria de algunos compuestos orgánicos con oxígeno molecular. Iniciación Propagación Global
RH + O2
ROOH In In-H
R-H R R-OOH
R-H
O O
ROO
La segunda etapa de propagación es la que determina la v de reacción, la cual depende de la estabilidad de R·, y es especialmente importante en carbonos alílicos, bencílicos y40 terciarios.
RADICALES 2. Autooxidación: Los mejores resultados preparativos se obtienen con compuestos que sólo tienen un carbono reactivo (alílico, bencílico). Per ej. La obtención industrial de fenol a partir de cumeno. H2SO4
O2
+
O
OH OOH
H2O
Ph
O
H O PhOH
O-OH2
Oxidación de tetralina
Ph O
+
Ph O
Oxidación en a éteres
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RADICALES 2. Autooxidación: Grupos funcionales capaces de estabilizar radicales (aldehídos) se oxidan fácilmente en el aire.
In In-H
RCHO
R
O C
OOH
R
RCHO R
O C
O C
O O
OO
42
RADICALES -
REACCIONES POR RADICALES LIBRES-SUSTITUCIÓN: LIBRES SUSTITUCIÓN:
3. Reducción: Reducción de xantatos: El hidruro de tributilestaño es un reductor eficaz para haluros y derivados de alcoholes. La reacción transcurre via radicalaria. Los alcoholes no reaccionan con Bu3SnH, pero los xantatos sí que lo hacen.
R OH R-OH
1. CS2, KH
S
1. CS2, KH
R-OH
OCS R-O-C-SMe
R-O-C-SMe
Bu3Sn
S
Bu3SnH
R-O-C-SMe
R-H
2. MeI
2. MeI
S
S
SnBu3 Bu3SnH R
R-O-C-SMe
S
R-H + Bu3Sn
SnBu3
O=C SMe O=C-SMe
In Bu3SnH
In-H
R-H Bu3Sn
S R-O-C-SMe
Bu3SnH R S
SnBu3
O=C-SMe
S
SnBu3
R-O-C-SMe
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RADICALES -
REACCIONES POR RADICALES LIBRES-SUSTITUCIÓN: LIBRES SUSTITUCIÓN:
3. Reducción: Descarboxilación reductiva de ésteres de N-hidroxipiridintiona. Estos ésteres se reducen con Bu3SnH con descarboxilación para dar un alcano con un átomo de carbono menos que el éster de partida. O R C Cl
O R C O N
+
HO N
O R C O N
S
S
Et3N
+
RH + CO2
+ Bu3SnH
Bu3SnS
S
O R C O N S
N
Bu3Sn
O R C O N Bu3SnS
O R C O
+
N
Bu3SnS
-CO2 Bu3SnH
R H + Bu R-H B 3Sn S
R
44
RADICALES -
REACCIONES POR RADICALES LIBRES-SUSTITUCIÓN: LIBRES SUSTITUCIÓN:
3. Reducción: Conversión de ácidos aromáticos en haluros aromáticos.
O Ar C O N
Cl3CS
S
O Ar C O N S
N
Ar-Br Ar Br + CO2 +
+ BrCCl3
Cl3C
O Ar C O N Cl3CS
O Ar C O
+
N Cl3CS
-CO CO2 BrCCl3
Ar-Br + Cl3C
Ar
45
RADICALES -REACCIONES REACCIONES POR RADICALES LIBRES-ADICIÓN LIBRES ADICIÓN 1. Adición radicalaria de HX a alquenos: La adición de haluros de hidrógeno a alquenos por vía radicalaria tiene lugar con regioselectividad anti-Markownikoff
In In-H
HBr
R-CH R CH2-CH CH2Br
Br
R-CH=CH2
HBr R CH CH2Br R-CH-CH B 46
RADICALES 1. Adición radicalaria de HBr a alquenos (cont): Estereoquímica anti: Se explica en términos de la participación de un radical puente parecido al catión bromonio.
Adición de HCl: La reacción puede conducir a polímeros. R CH CH2 R CH CH2
+ Cl
R CH CH2Cl
R CH CH2Cl H2C CHR
HCl
polimer
R CH2 CH2Cl + Cl
La adición de HF y HI no está favorecida energéticamente en ninguno de los dos casos aunque la etapa desfavorable sea diferente en cada caso casos, caso. In H-F R CH CH2
RH + F + I
Prohibido energéticamente R CH CH2I
endotérmico
47
RADICALES -REACCIONES REACCIONES POR RADICALES LIBRES-ADICIÓN LIBRES ADICIÓN 2. Adición de halometanos CBr4, CCl4, HCBr3
También
El bromotriclorometano también puede utilizarse en esta reacción. Debido a la mayor facilidad de abstracción de un átomo de Br, se obtiene el producto que incorpora una unidad de triclorometano al carbono menos sustituido del doble enlace.
48
RADICALES 2. Adición de halometanos (cont) La eficacia de la reacción depende de la v relativa de abstracción del halógeno frente a la adición del radical al alqueno.
El ordren de reactividad de los halometanos es: CBr4>CBrCl3>CCl4>CH2Cl2>CHCl3
49
RADICALES -REACCIONES REACCIONES POR RADICALES LIBRES-ADICIÓN LIBRES ADICIÓN 3. Adición de aldehídos
RCHO
H O R'-CH-CH2-C-R
+ R'-CH=CH2
In RCHO
O R'-CH2-CH2-C-R
RCHO
In-H O R C R'-CH=CH2
O R'-CH-CH2-C-R
50
RADICALES -REACCIONES REACCIONES POR RADICALES LIBRES-ADICIÓN LIBRES ADICIÓN 3. Adición de haluros de alquilo e hidruro de tributilestaño: Equivale formalmente a una adición de hidrocarburo Bu3SnH + In R-X + Bu3Sn
R
R + R'-CH=CH2 R'-CH-CH2-R +
RX R-X
Bu3SnH
+
+ InH
Bu3Sn +
Bu3SnX
R'-CH-CH2-R Bu3SnH
R'-CH=CH R CH=CH2
R'-CH2-CH2-R +
Bu3Sn
H R'-CH-CH R CH CH2-R R
+ Bu3SnH
In In H In-H
R'-CH2-CH2-R Bu3Sn Bu3SnH
R-X
O O
R'-CH-CH2-R Bu3SnH
I
CH2=CHCO2Me Bu3SnH
O O CH2CH2CO2Me
R R'-CH=CH2
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RADICALES -REACCIONES REACCIONES POR RADICALES LIBRES-ADICIÓN LIBRES ADICIÓN 3. Adición de xantatos e hidruro de tributilestaño (Cont): La reacción anterior se puede hacer sustituyendo el haluro por un xantato. Bu3SnH + In
Bu3Sn S SnBu3
S R-O-C-SMe + Bu3Sn
R
O=C SMe O=C-SMe
R'-CH-CH2-R
R + R'-CH=CH2 R' CH CH2-R R'-CH-CH R +
+
Bu3SnH
S R-O-C-SMe + R'-CH=CH2 + Bu3SnH
R' CH2-CH R'-CH CH2-R R+
B 3Sn Bu S
H R'-CH-CH2-R
4. Adición de tioles: Los tioles se adicionan siguiendo un mecanismo parecido a la adición de HX. Suele ser una reacción general y con buenos resultados.
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RADICALES -REACCIONES REACCIONES POR RADICALES LIBRES-SUSTITUCIONES LIBRES SUSTITUCIONES INTRAMOLECULARES Las reacciones de sustitución y adición radicalarias pueden tener lugar intramolecularmente. Las reacciones de sustitución intramoleculares resultan especialmente interesantes ya que permiten funcionalizar carbonos remotos alejados de cualquier grupo funcional. En moléculas acíclicas la funcionalización intramolecular implica la abstracción de un átomo de hidrógeno a través de un estado de transición cíclico de 6 miembros. El resultado es la introducción de funcionalidad en el carbono en relación al radical: di l
C C C C X C C H C
C C
C
C C
C
C X H
Y-Z
C C
C
C C
C
C X Y H
+ Z·
53
RADICALES -REACCIONES REACCIONES POR RADICALES LIBRES-SUSTITUCIONES LIBRES SUSTITUCIONES INTRAMOLECULARES 1. Reacción de Hofmann-Loeffler: Es la descomposición fotoquímica de N-cloroaminas. El producto inicial es una -cloroamina que puede ciclar a pirrolidina.
R
llum
NHCH3 H Cl
R
H
NHCH3
+ Cl
Cl R
H
NHCH3
R
NH2CH3
R
Cl
HO R
Cl
NH2CH3
R
Cl
NHCH3
R
NH2CH3
+ HCl N CH3
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RADICALES -REACCIONES REACCIONES POR RADICALES LIBRES-SUSTITUCIONES LIBRES SUSTITUCIONES INTRAMOLECULARES 2. Ciclación fotoquímica de N-iodoamidas. Relacionada con la anterior conduce a lactonas
H
NH2
O llum
NH2
O R
O I2
R
O
NH H I
R
R
H
NH + I
NH2
I R
I
O
H2O R
NH2
O
R
O
O
I
55
RADICALES -REACCIONES REACCIONES POR RADICALES LIBRES-SUSTITUCIONES LIBRES SUSTITUCIONES INTRAMOLECULARES 3. Ciclación intramolecular de radicales oxígeno. Las condiciones desarrolladas inicialmente implican la descomposición térmica o fotoquímica de alcóxidos de Pb(IV) generado a partir de Pb(OAc)4.
llum
Pb(OAc)4
R
H
OH
R
H
O-Pb(OAc)3
·Pb(OAc)3 R
OH
-
((-1e )
R
OH
o calor
+ AcO + Pb(OAc)2
R
H
O
+ ·Pb(OAc)3
R
O
56
RADICALES -REACCIONES REACCIONES POR RADICALES LIBRES-SUSTITUCIONES LIBRES SUSTITUCIONES INTRAMOLECULARES 4. Fotólisis de nitritos (Barton). La reacción fue desarrollada inicialmente para funcionalizar grupos metilo en esteroides, pero se han encontrado otras aplicaciones.
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RADICALES -REACCIONES REACCIONES POR RADICALES LIBRES-ADICIONES LIBRES ADICIONES INTRAMOLECULARES La adición intramolecular de un radical a un grupo insaturado es un procedimento útil para la formación de compuestos cíclicos. Las más habituales implican haluros como fuente del radical intermedio. El radical se genera habitualmente por abstracción del hidrógeno con un trialquilestaño como reactivo y AIBN como iniciador. En este caso la ciclación acaba con la abstracción de hidrógeno.
Regioselectividad: Se observa una preferencia para la formación de anillos de 5>6>7. La regioselectividad se puede ver influida por otros factores de tipo estérico o por la presencia de grupos capaces de estabilizar los radicales intermedios. 58
RADICALES -REACCIONES REACCIONES POR RADICALES LIBRES-ADICIONES LIBRES ADICIONES INTRAMOLECULARES Ejemplos
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RADICALES -REACCIONES REACCIONES POR RADICALES LIBRES-ADICIONES LIBRES ADICIONES INTRAMOLECULARES El radical formado por la adición intramolecular pueden hacerse reaccionar con un alqueno electrofílico (Tandem).
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RADICALES -REACCIONES REACCIONES POR RADICALES LIBRES-ADICIONES LIBRES ADICIONES INTRAMOLECULARES La reacción también puede hacerse utilizando una cantidad catalítica de trialquilestaño. Esto evita la terminación por abstracción de hidrógeno. En este caso, el trialquilestaño sirve para iniciar la reacción, la cadena se propaga por abstracción de haluro.
Iniciación
HC C (CH2)3C(CH3)2
HC C (CH2)3C(CH3)2 + Bu3SnI
+ Bu3Sn
I
CH
HC C (CH2)3C(CH3)2 I
propagación p p g
CH HC C (CH2)3C(CH3)2 +
HC C (CH2)3CCH3)2
C
H
+
I
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RADICALES -REACCIONES REACCIONES POR RADICALES LIBRES-TRANSPOSICIONES LIBRES TRANSPOSICIONES -Estan poco favorecidas en comparación a las transposiciones catiónicas -Grupos insaturados y arílicos migran con más facilidad a través de estados de transición cíclicos í li ((normalmente l t con un anillo ill d de ciclopropano). i l )
O
O
O
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RADICALES -REACCIONES REACCIONES POR RADICALES LIBRES-TRANSPOSICIONES LIBRES TRANSPOSICIONES EJEMPLOS. El progreso de la reacción depende de la estabilidad del nuevo radical formado.
R1 Ph C CH2CO2 R2
R1 Ph C CH2 R2
2
R1 C CH2Ph R2
+ CO2
R1=Me, R2=H R1=R2=Ph
O CH2COOBut
CH2
140oC
O CH2CO
-CO2
CH2
39% 100%
H
CH3
H
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RADICALES -REACCIONES REACCIONES POR RADICALES LIBRES-FRAGMENTACIÓN LIBRES FRAGMENTACIÓN -1. Descarboxilación de radicales aciloxi. Esta reacción tiene lugar con mucha facilidad. O R-C-O-OBut
140oC
O + ButO
R-C-O
R
+ CO2
-2. Descarbonilación. Este proceso se encuentra menos favorecido y depende de la estabilidad del radical formado.
O
O
In· In
CCl4
O Cl
H
+ CCl3
-CO CCl4
Cl + CCl3 64
RADICALES -REACCIONES REACCIONES POR RADICALES LIBRES-FRAGMENTACIÓN LIBRES FRAGMENTACIÓN -3. Descomposición de radicales alcoxilo
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RADICALES RADICALES CARGADOS Algunas especies químicas con electrones desapareados tienen carga neta. Radicales aniónicos participan en la reducción de sistemas aromáticos con metales reductores d t ((reacción ió d de Bi Birch). h)
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RADICALES RADICALES CARGADOS También se forman radicales aniónicos a partir de cetonas y metales reductores: Radicales cetilo
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RADICALES RADICALES CARGADOS Radicales semidiona: Se forman a partir de 1,2-dicetonas
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CARBENOS -Son Son especies químicas con un átomo de carbono divalente neutro -Son intermedios de reacción muy reactivos con tiempos de vida media inferiores a 1 seg. -Se trata de especies deficientes electrónicamente. El átomo de carbono tiene solo 6 e- en su esfera electrónica de valencia. -Tienen una elevada tendencia a captar 2 e- para completar el octete. - Dependiendo de los spines de los electrones no enlazantes, los carbenos se pueden clasificar como carbenos singletes o tripletes.
Carbenoides: Este término se aplica a especies que reaccionan como los carbenos pero en las que el carbono se encuentra unido unido, al menos parcialmente a otros átomos. En muchos carbenoides el carbono divalente se encuentra unido a un metal de transición.
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CARBENOS Formación de carbenos 1. Descomposición de diazoalcanos.
Síntesis de diazoalcanos diazoalcanos. Los diazocompuestos son inestables y tóxicos tóxicos. a) Descomposición de hidrazonas con óxido de mercurio. Este procedimiento es válido sólo para hidrazonas aromáticas.
HgO Ar2C NNH2
Ar2C N N 70
CARBENOS Síntesis de diazoalcanos diazoalcanos.(cont.) (cont ) b) Tratamiento básico de N-nitrosocompuestos
diazald Mecanismo
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CARBENOS Síntesis de diazoalcanos.(cont) c) Síntesis de -diazocetonas. Son un importante grupo de diazocompuestos en síntesis orgánica c1. A partir de cloruros de ácido O R C Cl
O R C CH2 N N
+ H2C N N
O R C CH N N
O R C CH N N
luz o calor
-H H+
O R C CH
-N2
C2. Reacción de -oximino cetonas con cloramina
O
O RONO t-BuOK
O NOH
NH3
N
N
NaOCl
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CARBENOS Formación de carbenos (cont.) (cont ) 2. Descomposición térmica o fotoquímica de sales de arenosulfonilhidrazonas. No se puede llevar a cabo en disolventes próticos.
En disolventes próticos:
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CARBENOS Formación de carbenos (cont.) (cont ) 3. Fotólisis de epóxidos y diazirinas.
4. -Eliminación de haluros
Br H C Br Br
RO
Br C Br Br
Br C Br -Br
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CARBENOS REACCIONES VIA CARBENO-ADICIÓN 1. Los carbenos se adicionan a alquenos para formar un anillo de ciclopropano. La adición de carbenos singlete tiene lugar por un mecanismo concertado y se mantiene la estereoquímica del alqueno de partida (reacción estereoespecífica) estereoespecífica). Diazometano en disolución R' R'
H
R + R'2C
R
H
R'
C singlete
H R
R'
R H
H
R
R H
Con carbenos tripletes la reacción tiene carácter radicalario. Después de la adición inicial se requiere una inversión del espín de uno de los electrones. La reacción conduce a mezclas de productos (reacción no estereoespecífica). Diazometano en fase gas
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CARBENOS REACCIONES VIA CARBENO-ADICIÓN Ejemplos
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CARBENOS REACCIONES VIA CARBENO-ADICIÓN 2. Reacción de Simmons-Smith. Se trata de un procedimento muy efectivo para la preparación de ciclopropanos a partir de alquenos. Se utiliza un diiodometano como fuente de metileno. -En el procedimento original se utiliza diiodometano y la pareja Zn-Cu
CH2I2 + Zn-Cu Zn Cu
ICH2ZnI
(ICH2)2Zn + ZnI2
-La especie activa se cree que es ioduro de iodometilzinc en equilibrio con bis(iodometil)zinc. -La reacción es estereoespecífica. - Con moléculas con un grupo OH próximo al doble enlace el metileno se introduce sin al grupo OH - La especie reactiva es un carbenoide. - Modificaciones:
CH2Br2, Zn-Cu, ultrasonidos EtZnI, CH2I2
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CARBENOS REACCIONES VIA CARBENO-ADICIÓN 2. Reacción de Simmons-Smith. (ejemplos)
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CARBENOS REACCIONES VIA CARBENO-INSERCIÓN 1. Son reacciones en las que un intermedio reactivo, en este caso un carbeno, se interpone en un enlace existente. En términos de síntesis, normalmente se trata de un enlace C-H. Carbenos singletes se insertan normalmente en un proceso de un único paso
H H H3C C CH3 + H
CH2
CH2 H3C C CH3 H
Con carbenos tripletes la reacción tiene lugar en dos pasos: abstracción de hidrógeno y recombinación
H H3C C CH3 + H
H CH2
H3C C CH3 + H
CH2
H CH2 H3C C CH3 H
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CARBENOS REACCIONES VIA CARBENO-INSERCIÓN 1. Inserción intermolecular. Debido a la elevada reactividad de los carbenos intermedios, la inserción intermolecular de carbenos no es muy selectiva. La distribución de los productos de inserción resultantes de la fotólisis de diazometano en heptano es prácticamente la que se espera sobre una base estadística no selectiva.
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CARBENOS REACCIONES VIA CARBENO-INSERCIÓN 2. Inserción intramolecular. Las reacciones de inserción intramolecular tienen mayor aplicación. La inserción tiene lugar al enlace C-H más próximo en el espacio al carbeno. Estas reacciones proporcionan acceso a estructuras muy tensionadas que serian difíciles de preparar de otra manera.
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CARBENOS REACCIONES VIA CARBENO-TRANSPOSICIÓN El proceso más habitual es el desplazamiento de hidrógeno para formar un alqueno. Compite con la inserción intramolecular.
Una aplicación de esta reacción es la síntesis de alenos a partir de ciclopropilidenos
Ph
Ph
NO NCNH2 O
Ph LiOEt Ph
Ph Ph C C C H H 82
CARBENOS REACCIONES RELACIONADAS Algunas reacciones estan conceptualmente relacionadas con la forma de reaccionar de los carbenos aunque estos no participen. 1. Transposición de Wolff: Transposición de -diazocetonas. 1 -diazocetonas a) Térmica: Tiene lugar de manera concertada O R C CH N N
O R C CH N N
Nu-H N2 +
RHC C O
RCH2
O C Nu
cetena
b) Fotoquímica: Transcurre via carbenos
O R C CH N N
O luz R C CH N N -N2 NuH RHC C O
RCH2
O R C CH
O R
H
O C Nu
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CARBENOS REACCIONES RELACIONADAS Transposición de Wolff (cont): Una aplicación sintética de la reacción de Wolff es la homologación de ácidos carboxílicos. 180 oC
1. SOCl2 CO2H
COCHN2 2. CH2N2, Et3N
1. NaOH
CH2CO2CH2Ph
collidina Ph
OH
80%
CH2CO2H
2. H3O+
En sistemas cíclicos p puede p producirse la contracción del anillo.
O
llum C O
H2O
CO2H
N2 84
NITRENOS -Son Son especies químicas con un átomo de nitrógeno monovalente neutro neutro. -Se trata de especies deficientes electrónicamente. El átomo de nitrógeno tiene solo 6 e- en su esfera electrónica de valencia. - Dependiendo de los spines de los electrones no enlazantes, los carbenos se pueden clasificar como carbenos singletes o tripletes. Formación de nitrenos El procedimento más general para generar nitrenos es la descomposición térmica o fotoquímica de azidas orgánicas.
R N N N
N2 + R N
R = alquilo, arilo, acilo, sulfonilo
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NITRENOS REACCIONES VIA NITRENOS 1. Nitrenos alquílicos y arílicos:Dan reacciones de transposición pero no de inserción o adición.
2 Nitrenos arílicos: 2. arílicos Dan reacciones de inserción intramolec intramolecular lar
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NITRENOS REACCIONES VIA NITRENOS 2. Nitrenos de carboxialquilo. Dan reacciones de inserción y adición.
En ell caso d E de llas reacciones i d de iinserción ió se observa b cierta i t selectividad l ti id d CH>CH2>CH3
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NITRENOS REACCIONES VIA NITROGENO ELECTRON-DEFICIENTE 1. Transposición de Curtius. Es el equivalente a la reacción de Wolff pero con compuestos nitrogenados. Consiste en la transformación de una acilazida en un isocianato.
O R C N N N
100 oC
N N O C
N
O C N R -N N2
isocianato
R
R'OH R OH
O R'O R O C NH R carbamato
O C N R H2O
O H-O H O C NH R
R-NH R NH2 + CO2
ácido carbámico
Sí t i de Síntesis d acilazidas il id RCOCl
+
NaN3
RCONHNH2 + HNO2
RCON3 RCON3 88
NITRENOS REACCIONES VIA NITROGENO ELECTRON-DEFICIENTE 2. Transposición (degradación) de Hofmann. Las amidas primarias se transforman en aminas con pérdida de un átomo de C por tratamiento con bromo en medio básico.
BrO- o
O R C NH2
O Br R C NH
R N C O
O R C N Br
-H2O
Br2/NaOH H2O
OH
O R NH C O-H
-Br-
R-NH2 + CO2
Una de las aplicaciones más interesantes de esta reacción es la preparación de aminas aromáticas. O NH2 N
F
NH2
Br2 KOH
N
F
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NITRENOS REACCIONES VIA NITROGENO ELECTRON-DEFICIENTE 3. Reacción de Schmidt. Es la degradación de un ácido por tratamiento con ácido hidrazoico (HN3)
O R C OH
HN3
O R
H
OH HN N N
-N2
O HO C N R H
-CO CO2
R-NH2
Una reacción parecida tiene lugar con cetonas
O R C R
HN3
O R
H
R HN N N
-N2
O R C N R H Amida
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NITRENOS REACCIONS VIA NITROGENO ELECTRON-DEFICIENTE 4. Transposición de Beckmann. Oximas son convertidas en amidas. El mecanismo implica la conversión del OH de la oxima en un grupo saliente. Ionización y migración tienen lugar de manera concertada. El grupo que migra es el que esta anti al grup OH de la oxima.
N R
OH
N
X
R R
R' OH
R N C
H O X
H O X R'
N R'
R N C R'
H2O
O R NH C R'
R'
Ejemplos:
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NITRENOS REACCIONES VIA NITROGENO ELECTRON-DEFICIENTE 4. Transposición de Beckmann (cont). En algunos casos durante la transposición de Beckmann se puede producir una reacción de fragmentación si alguno de los sustituyentes de la oxima es capaz de estabilizar un carbocatión.
N X C
OH N
X C
X C
H O X X C + R-C N
+ XOH
C
PCl5 N-OH
N
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RADICALES -REACCIONES REACCIONES POR RADICALES LIBRES-ADICIONES LIBRES ADICIONES INTRAMOLECULARES La reacción también puede hacerse utilizando una cantidad catalítica de trialquilestaño. Esto evita la terminación por abstracción de hidrógeno. En este caso, el trialquilestaño sirve para iniciar la reacción, la cadena se propaga por abstracción de haluro.
Iniciación
p p g propagación
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