En química orgánica , una reacción electrocíclica es un tipo de transposición pericíclica donde el resultado neto es que un enlace pi se convierte en un enlace sigma o viceversa. [1] Estas reacciones generalmente se clasifican según los siguientes criterios:
- Las reacciones pueden ser fotoquímicas o térmicas.
- Las reacciones pueden ser de apertura o cierre de anillo ( electrociclación ).
- Dependiendo del tipo de reacción (fotoquímica o térmica) y el número de electrones pi, la reacción puede ocurrir a través de 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 denominada que convierte divinilcetonas en ciclopentenonas.
Un ejemplo clásico es la reacción de apertura térmica del anillo del 3,4-dimetilciclobuteno. El isómero cis produce exclusivamente cis, trans-hexa-2,4-dieno mientras que el isómero trans da el trans, trans dieno: [2]
Este curso de reacción se puede explicar en un análisis simple a través del método de frontera-orbital : el enlace sigma en el reactivo se abrirá de tal manera que los p-orbitales resultantes tendrán la misma simetría que el HOMO del producto (un hexadieno ) . La única forma de lograr esto es a través de una apertura de anillo conrotatoria que da como resultado signos opuestos para los lóbulos terminales.
Estereoespecificidad de reacciones electrocíclicas
Cuando se realiza una reacción electrocíclica, a menudo es deseable predecir la geometría cis / trans del producto de la reacción. El primer paso en este proceso es determinar si una reacción procede a través de conrotación o disrotación . La siguiente tabla muestra las reglas de selectividad para reacciones electrocíclicas térmicas y fotoquímicas.
Sistema | Inducido térmicamente (estado fundamental) | Inducido fotoquímicamente (estado excitado) |
---|---|---|
Incluso # de conjugación | Conrotatorio | Disrotatorio |
# Impar de conjugación | Disrotatorio | Conrotatorio |
Para el ejemplo que se da a continuación, la reacción térmica de (trans, cis, trans) -octa-2,4,6-trieno se producirá a través de un mecanismo de rotación. Después de determinar el tipo de rotación, se puede determinar si el producto será cis o trans examinando la molécula de partida. En el siguiente ejemplo, la desrotación hace que ambos metilos apunten hacia arriba, provocando que el producto sea cis -dimetilciclohexadieno.
Además, la torsión selectiva en una reacción electrocíclica se refiere al sentido de rotación. Por ejemplo, una reacción conrotatoria aún puede rotar en dos direcciones, produciendo productos enantioméricos. Una reacción que es parcooselectiva restringe una de estas direcciones de rotación (parcial o completamente) para producir un producto en exceso enantiomérico .
Mecanismo de reacciones térmicas.
Reglas de Woodward-Hoffmann
Los diagramas de correlación, que conectan los orbitales moleculares del reactivo con los del producto que tienen la misma simetría, pueden luego construirse para los dos procesos. [3]
Estos diagramas de correlación indican que solo se permite la simetría una apertura de anillo conrotatorio de 3,4-dimetilciclobuteno, mientras que solo se permite la simetría una apertura de anillo conrotatorio de 5,6-dimetilciclohexa-1,3-dieno. Esto se debe a que solo en estos casos se produciría una superposición orbital máxima 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
De acuerdo con la teoría de orbitales moleculares de 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 que los orbitales p tengan la misma simetría que el HOMO del hexatrieno. Para el 3,4-dimetilciclobuteno, por otro lado, solo un modo conrotatorio daría como resultado que los orbitales p tengan la misma simetría que el HOMO del butadieno.
Mecanismo de reacciones fotoquímicas.
Si la apertura del anillo de 3,4-dimetilciclobuteno se llevara a cabo en condiciones fotoquímicas, la electrociclización resultante se produciría a través de un modo disrotatorio en lugar de un modo conrotatorio como puede verse en el diagrama de correlación para la reacción de apertura del anillo en estado excitado permitido.
Solo un modo disrotatorio, en el que la simetría alrededor de un plano de reflexión se mantiene durante toda la reacción, daría como resultado una superposición orbital máxima en el estado de transición. Además, una vez más, esto daría como resultado la formación de un producto que está en un estado excitado de estabilidad comparable al estado excitado del compuesto reaccionante.
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 vitamina D 3 .
El primer paso implica una apertura del anillo conrotatorio fotoquímicamente inducida de 7-dehidrocolesterol para formar pre vitamina D3. Luego, un cambio de [1,7] -hidruro forma vitamina D 3 .
Otro ejemplo está en la biosíntesis propuesta de aranotina, una oxepina natural y sus compuestos relacionados.
La epoxidación enzimática de dicetopiperazina derivada de fenilalanina forma el óxido de areno, que experimenta una reacción de electrociclación de apertura de anillo disrotatoria 6π para producir la oxepina no ciclada. Después de una segunda epoxidación del anillo, el nitrógeno nucleófilo cercano ataca al carbono electrófilo, formando un anillo de cinco miembros. El sistema de anillos resultante es un sistema de anillos común que se encuentra en la aranotina y sus compuestos relacionados.
El benzonorradieno diterpenoide (A) se reorganizó en el benzocicloheptatrieno diterpenoide isosalvipuberlina (B) hirviendo una solución de cloruro de metileno. Esta transformación se puede considerar como una reacción electrocíclica disrotatoria, seguida de dos desplazamientos de hidrógeno 1,5-sigmatrópicos suprafaciales, como se muestra a continuación. [6]
Reacciones electrocíclicas en síntesis orgánica
Una reacción electrocíclica que se estudia a menudo es la apertura del anillo térmico conrotatorio del benzociclobuteno . El producto de reacción es un ortoquinodimetano muy inestable, pero esta molécula puede quedar atrapada en una adición endo con un dienófilo fuerte como el anhídrido maleico al aducto de Diels-Alder . 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 desde metilo a isobutilmetilo a trimetilsililmetilo. El aumento de la velocidad de reacción del compuesto de 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 endiandricos: [8] [9]
Las reacciones electrocíclicas asimétricas son un campo emergente en la síntesis orgánica contemporánea. Las reacciones más comúnmente estudiadas en este campo son la síntesis de β-lactámicos de 4π Staudinger [10] y la reacción de 4π Nazarov ; La catálisis asimétrica de ambas reacciones se ha controlado mediante el uso de un auxiliar quiral , y la reacción de Nazarov se ha realizado catalíticamente utilizando ácidos de Lewis quirales , ácidos de Brønsted y aminas quirales. [11]
Referencias
- ^ Libro de oro de la IUPAC
- ^ La 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 de 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 plantas medicinales (2da edición) .1995 (Springer) ISBN 0-306-45181-6 , ISBN 978-0-306-45181-2
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- ^ Inspiraciones, descubrimientos y perspectivas de futuro en síntesis total KC Nicolaou J. Org. Chem. , 2009 Artículo ASAP doi : 10.1021 / jo802351b
- ^ https://www.organic-chemistry.org/namedreactions/staudinger-synthesis.shtm
- ^ Reacciones electrocíclicas asimétricas , S. Thompson, AG Coyne, PC Knipe y MD Smith, Chem. Soc. Rev. , 2011, 40, págs. 4217-4231 doi : 10.1039 / C1CS15022G