La expansión del anillo de Buchner es una reacción de formación de enlace CC orgánico de dos pasos que se utiliza para acceder a anillos de 7 miembros . El primer paso implica la formación de un carbeno a partir de diazoacetato de etilo , que ciclopropanan un anillo aromático . La expansión del anillo ocurre en el segundo paso, con una reacción electrocíclica que abre el anillo de ciclopropano para formar el anillo de 7 miembros.
Expansión del anillo de Buchner | |
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Lleva el nombre de | Eduard Buchner |
Tipo de reacción | Reacción de reordenamiento |
![La expansión del anillo de Buchner](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/1/17/TOC_ACS1996v2.svg/600px-TOC_ACS1996v2.svg.png)
Historia
La reacción de expansión del anillo de Buchner fue utilizada por primera vez en 1885 por E. Buchner y T. Curtius [1] [2], quienes prepararon un carbeno a partir de diazoacetato de etilo para agregarlo al benceno utilizando rutas térmicas y fotoquímicas en la síntesis de derivados de cicloheptatrieno . El producto resultante fue una mezcla de cuatro ácidos carboxílicos isoméricos . Las variaciones en la reacción surgen de los métodos de preparación de carbeno. Los avances en la química organometálica han dado como resultado una mayor selectividad de los derivados de cicloheptatrieno. En la década de 1980 se descubrió que los catalizadores de dirodio proporcionan isómeros de ciclopropano únicos con altos rendimientos. [3] Las aplicaciones se encuentran en la medicina (síntesis de fármacos) [4] [5] [6] [7] [8] y la ciencia de los materiales (derivados del fullereno). [9] [10] [11]
Preparación
Preparación de diazoacetato de etilo:
La primera síntesis de Buchner de derivados de cicloheptatrieno en 1885 utilizó fotólisis y condiciones térmicas para generar el carbeno. Un procedimiento para la preparación del material de partida peligroso necesario para la generación de carbeno en la reacción de Buchner, etil-diazoacetato, está disponible en Organic Syntheses . [12] En el procedimiento proporcionado, Searle incluye instrucciones de precaución debido a la naturaleza altamente explosiva de los ésteres diazoacéticos.
Preparación del carbenoide metálico:
La síntesis del carbeno en la década de 1960 se centró en el uso de catalizadores de cobre para la propagación estereoselectiva . [13] En la década de 1980, se utilizaron catalizadores de dirodio para generar el carbenoide para la ciclopropanación. El advenimiento de la metaloquímica ha mejorado la selectividad de las relaciones de producto de los derivados de ciclohexatrieno mediante la elección del ligando en el catalizador de carbenoide. [14]
Mecanismo
Paso 1:
El mecanismo de reacción de una expansión de anillo de Buchner comienza con la formación de carbeno a partir de etil-diazoacetato generado inicialmente a través de reacciones fotoquímicas o térmicas con extrusión de nitrógeno.
![carbene mechanism](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/9/93/Carbene_mech.svg/300px-Carbene_mech.svg.png)
El carbeno generado se suma a uno de los dobles enlaces del benceno para formar el anillo de ciclopropano.
![carbene insertion](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/d/da/Carbene_insertion.svg/300px-Carbene_insertion.svg.png)
El advenimiento de los reactivos catalizados por metales de transición proporciona métodos estereoespecíficos alternativos para la ciclopropanación. Las opciones de metales incluyen Cu, Rh y Ru con una variedad de ligandos. [13] El uso de catalizadores de rodio en la reacción de Buchner para la generación de carbeno reduce el número de productos al producir predominantemente ésteres de cicloheptatrienilo cinéticos. [14] Las mezclas de productos de reacciones de Buchner resultantes de catalizadores térmicos de rodio II son menos complicadas. Wyatt y col. han estudiado la regioselectividad de la reacción térmica de Buchner utilizando Rh 2 (O 2 CCF 3 ) 4 y han demostrado que el carácter electrofílico del carbeno de rodio prefiere la reacción en los enlaces π más nucleofílicos del anillo aromático. [15]
![regioselectivity](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/d/d9/Dirhodiumcatalyst.svg/400px-Dirhodiumcatalyst.svg.png)
El ciclo catalítico de carbeno aceptado [16] fue propuesto por Yates [17] en 1952. Inicialmente, el compuesto diazo se añade oxidativamente al complejo de ligando metálico. Después de la extrusión de nitrógeno, el carbeno metálico se genera y reacciona con una sustancia aromática rica en electrones para regenerar de forma reductora el catalizador metálico completando el ciclo catalítico.
![catalytic cycle](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/7/78/One-Way_CyclesCarbene.svg/350px-One-Way_CyclesCarbene.svg.png)
Paso 2:
El segundo paso de la reacción de Buchner implica una expansión de anillo concertada pericíclica . Sobre la base de reglas de Woodward-Hoffmann , la apertura electrocíclica de norcaradiene derivados es un 6-electrón disrotatorio (π 4 s + σ 2 s ), proceso permitió térmicamente.
![ring opening](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/7/78/Pericyclic.svg/400px-Pericyclic.svg.png)
El equilibrio norcaradieno-cicloheptatrieno se ha estudiado extensamente. [18] La posición del equilibrio depende de los efectos estéricos , electrónicos y conformacionales . Debido a la deformación conformacional en el anillo de ciclopropano del norcaradieno, el equilibrio se encuentra en el lado del cicloheptatrieno. El equilibrio puede desplazarse hacia el norcaradieno por desestabilización del cicloheptatrieno por sustitución voluminosa (grandes grupos estéricamente impedidos, es decir, t -butilo) en C1 y C6.
![tautomerism](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/d/d4/BuchnerEq.svg/300px-BuchnerEq.svg.png)
El equilibrio se puede alterar variando la sustitución en C7. Los grupos donadores de electrones (EDG) favorecen al norcaradieno, mientras que los grupos aceptores de electrones (EWG) favorecen al cicloheptatrieno.
![equilibrium position](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/f/fe/EDGEWG.svg/400px-EDGEWG.svg.png)
La tautomería del norcaradieno y cicloheptatrieno puede entenderse basándose en los orbitales moleculares de ciclopropano de Walsh del anillo de ciclopropano de norcaradieno. La racionalización electrónica para la estabilización de los orbitales de Walsh [18] es posible tanto para los grupos receptores como para los donantes de electrones en el carbono C7. Los orbitales moleculares de los grupos sustractores de electrones en C7 se superponen con los orbitales HOMO Walsh del anillo de ciclopropano provocando un acortamiento del enlace C1-C6. En el caso de los grupos donantes de electrones, el solapamiento orbital es nuevamente posible ahora en el LUMO, lo que da como resultado un aumento del carácter antienlazante que desestabiliza el tautómero norcaradieno. La posición del equilibrio puede controlarse dependiendo de los sustituyentes carbeno.
![Walsh Orbitals](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/f/f2/Walsh_Orbitals.svg/400px-Walsh_Orbitals.svg.png)
Aplicaciones
Medicamento:
La importancia de la química de la anulación de la expansión del anillo de Buchner es evidente en la aplicación de esta secuencia sintética en la síntesis de compuestos biológicos.
Mientras estudiaban una reacción análoga de adición de carbeno al tiofeno , Stephen Matlin y Lam Chan aplicaron el método de expansión del anillo de Buchner en 1981 para generar derivados espiro de penicilina. [7]
![Penicillin Derivative](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/4/45/Penicillin.svg/500px-Penicillin.svg.png)
En 1998, Mander et al. sintetizó la tropona diterpenoide, Harringtonolide [6] utilizando la química de anulación de expansión de anillo intramolecular de Buchner. Se utilizó un catalizador de rodio (Rh 2 (mandelato) 4 ) y DBU (1,8-diazabiciclo [5.4.0] undec-7-eno) para generar el carbeno. Se encontró que este producto natural tiene propiedades antineoplásicas y antivirales.
![harringtonolide](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/9/9a/Harringtonolide.svg/600px-Harringtonolide.svg.png)
Danheiser y col. utilizaron la generación de carbenoides intramoleculares para producir azulenos sustituidos a través de una expansión de anillo de tipo Buchner. El fármaco antiulceroso, Egualen (KT1-32) [4] [5] se sintetizó usando esta estrategia de expansión-anulación del anillo con un catalizador de rodio (Rh 2 (OCOt-Bu) 4 ) en éter.
![KT1-32](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/7/75/KT1-32.svg/600px-KT1-32.svg.png)
Ciencia material:
El método de expansión del anillo de Buchner se ha utilizado para sintetizar materiales de partida para aplicaciones en la ciencia de los materiales que involucran células fotovoltaicas . El desarrollo de una interfaz donante-aceptor (DA) compuesta por donantes de polímero conductores y aceptores derivados de buckminsterfullereno crea un compuesto de fases separadas que mejora la fotoconductividad (disponible solo con donantes de polímero) en el proceso de transferencia de carga fotoinducida de las células fotovoltaicas. [19] Los compuestos de fullereno se pueden funcionalizar para la miscibilidad de C 60 para aumentar la eficiencia de la célula solar dependiendo de la película delgada polimérica sintetizada. [11]
![fullerene derivative](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/4/41/Photofull.svg/400px-Photofull.svg.png)
Limitaciones
Las desventajas de la reacción implican reacciones secundarias del resto carbeno. Debe tenerse en cuenta la elección del disolvente para la reacción. Además del potencial de reacciones de inserción de enlaces carbono-hidrógeno , la inserción de carbeno carbono-halógeno es posible cuando se usa diclorometano como disolvente. [20]
![C-Cl bond insertion](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/a/a8/C-Cl_insertion.svg/400px-C-Cl_insertion.svg.png)
El control de la regioselectividad durante la adición de carbeno es necesario para evitar los productos secundarios que resultan de los isómeros de cicloheptatrieno conjugados . Noels y col. utilizaron catalizadores Rh (II) para la generación de carbeno en condiciones de reacción suaves (temperatura ambiente) para obtener regioselectivamente el isómero cinético de cicloheptatrieno no conjugado. [3] [8] [21]
![cycloheptatriene derivatives](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/a/a0/Conj_nonconj.svg/500px-Conj_nonconj.svg.png)
Ver también
- Reacción electrocíclica
- Cicloheptatrieno
- Carbeno
Referencias
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