Umpolung ( alemán: [ˈʔʊmˌpoːlʊŋ] ) o inversión de polaridad en química orgánica es la modificación química de un grupo funcional con el objetivo de invertir la polaridad de ese grupo. [1] [2] Esta modificación permite reacciones secundarias de este grupo funcional que de otro modo no serían posibles. [3] El concepto fue introducido por D. Seebach (de ahí la palabra alemana umpolung para polaridad invertida) y EJ Corey . Análisis de polaridad durante el análisis retrosintético le dice a un químico cuándo se requieren tácticas umpolung para sintetizar una molécula objetivo.
Introducción
La gran mayoría de moléculas orgánicas importantes contienen heteroátomos, que polarizan los esqueletos de carbono en virtud de su electronegatividad. Por lo tanto, en las reacciones orgánicas estándar, la mayoría de los nuevos enlaces se forman entre átomos de polaridad opuesta. Este puede considerarse el modo de reactividad "normal".
Una consecuencia de esta polarización natural de las moléculas es que los esqueletos de carbono sustituidos con heteroátomos 1,3 y 1,5 son extremadamente fáciles de sintetizar ( reacción de Aldol , condensación de Claisen , reacción de Michael , transposición de Claisen , reacción de Diels-Alder ), mientras que 1, Los patrones de sustitución de heteroátomos 2, 1,4 y 1,6 son más difíciles de acceder a través de la reactividad "normal". Por lo tanto, es importante comprender y desarrollar métodos para inducir un aumento en las reacciones orgánicas.
Ejemplos de
El método más simple de obtener patrones de sustitución de heteroátomos 1,2, 1,4 y 1,6 es comenzar con ellos. Los procesos bioquímicos e industriales pueden proporcionar fuentes económicas de productos químicos que tienen patrones de sustitución normalmente inaccesibles. Por ejemplo, los aminoácidos, el ácido oxálico, el ácido succínico, el ácido adípico, el ácido tartárico y la glucosa son abundantes y proporcionan patrones de sustitución no rutinarios.
Umpolung tipo cianuro
El reactivo umpolung canónico es el ion cianuro . El ion cianuro es inusual en el sentido de que se esperaría que un carbono triplemente unido a un nitrógeno tuviera una polaridad (+) debido a la mayor electronegatividad del átomo de nitrógeno. Sin embargo, la carga negativa del ion cianuro se localiza en el carbono, lo que le da una carga formal (-). Esta ambivalencia química da como resultado la alteración de muchas reacciones en las que interviene el cianuro.
Por ejemplo, el cianuro es un catalizador clave en la condensación de benjuí , un ejemplo clásico de inversión de polaridad.
El resultado neto de la reacción de la benzoína es que se ha formado un enlace entre dos carbonos que normalmente son electrófilos.
Carbenos N-heterocíclicos
Los carbenos N-heterocíclicos , o NHC, son similares al cianuro en reactividad. Al igual que el cianuro, los NHC tienen una ambivalencia química inusual, lo que le permite desencadenar reacciones en las que está involucrado. El carbeno tiene seis electrones: dos en cada uno de los enlaces simples carbono-nitrógeno, dos en su orbital híbrido sp 2 y un orbital p vacío. El par solitario sp 2 actúa como donante de electrones, mientras que el orbital p vacío es capaz de actuar como aceptor de electrones.
En este ejemplo, el carbono β del éster 1 α, β-insaturado actúa formalmente como nucleófilo, [4] mientras que normalmente se esperaría que fuera un aceptor de Michael .
Este carbeno reacciona con el éster 1 α, β-insaturado en la posición β formando el enolato intermedio 2 . A través de la tautomerización, 2b puede desplazar el átomo de bromo terminal a 3 . Una reacción de eliminación regenera el carbeno y libera el producto 4 .
A modo de comparación: en la reacción de Baylis-Hillman, el mismo átomo de carbono β electrófilo es atacado por un reactivo, pero resulta en la activación de la posición α del enona como nucleófilo.
Pirofosfato de tiamina
El cuerpo humano puede emplear una reactividad umpolung similar al cianuro sin tener que depender del ion cianuro tóxico. El pirofosfato de tiamina (que en sí mismo es un carbeno N-heterocíclico ) (TPP) cumple una función funcionalmente idéntica. El anillo de tiazolio en TPP se desprotona dentro del núcleo hidrófobo de la enzima, [5] dando como resultado un carbeno que es capaz de alterar.
Las enzimas que utilizan TPP como cofactor pueden catalizar una reactividad total, como la descarboxilación del piruvato.
En ausencia de TPP, la descarboxilación del piruvato daría como resultado la colocación de una carga negativa en el carbono del carbonilo, que iría en contra de la polarización normal del doble enlace carbono-oxígeno.
Anillos de 3 miembros
Los anillos de 3 miembros son restos deformados en química orgánica. Cuando un anillo de 3 miembros contiene un heteroátomo, como en un epóxido o en un intermedio de bromonio , los tres átomos del anillo se polarizan. Es imposible asignar polaridades (+) y (-) a un anillo de 3 miembros sin tener dos átomos adyacentes con la misma polaridad. Por lo tanto, siempre que un nucleófilo abre un anillo polarizado de 3 miembros, inevitablemente se produce una alteración. [ cita requerida ] Por ejemplo, la apertura de óxido de etileno con hidróxido conduce a etilenglicol .
Química del relé de aniones / carbonilo umpolung
La química ditiana es un ejemplo clásico de inversión de polaridad. Esto se puede observar en la reacción de Corey-Seebach .
Normalmente, el átomo de oxígeno en el grupo carbonilo es más electronegativo que el átomo de carbono y, por lo tanto, el grupo carbonilo reacciona como un electrófilo en el carbono. Esta polaridad se puede invertir cuando el grupo carbonilo se convierte en un ditiano o un tioacetal . En terminología sintética , el grupo carbonilo ordinario es un catión acilo y el ditiano es un anión acilo enmascarado .
Cuando el ditiano se deriva de un aldehído como el acetaldehído, el protón de acilo se puede extraer mediante n- butil-litio en THF a bajas temperaturas. El 2-litio-1,3-ditiano así generado reacciona como un nucleófilo en desplazamiento nucleófilo con haluros de alquilo como el bromuro de bencilo , con otros compuestos de carbonilo como la ciclohexanona u oxiranos como el fenil-epoxietano, que se muestran a continuación. Después de la hidrólisis del grupo ditiano, los productos de reacción finales son α-alquil-cetonas o α-hidroxi-cetonas . Un reactivo común para la hidrólisis de ditiano es (bis (trifluoroacetoxi) yodo) benceno .
La química del ditiano abre el camino a muchas transformaciones químicas nuevas. Un ejemplo se encuentra en la denominada química de relevo aniónico en la que una carga negativa de un grupo funcional aniónico resultante de una reacción orgánica se transfiere a una ubicación diferente dentro del mismo marco de carbono y está disponible para una reacción secundaria. [6] En este ejemplo de una reacción multicomponente, tanto el formaldehído ( 1 ) como el isopropilaldehído ( 8 ) se convierten en ditianos 3 y 9 con 1,3-propanoditiol . El sulfuro 3 se silila primero mediante reacción con terc - butil- litio y luego con cloruro de trimetilsililo 4 y luego se elimina el segundo protón de acilo y se hace reaccionar con (-) - epiclorhidrina 6 ópticamente activa en sustitución del cloro. Este compuesto sirve como sustrato para la reacción con el otro ditiano 9 al producto de apertura del anillo de oxirano 10 . Bajo la influencia de la base polar HMPA , 10 se reordena en un reordenamiento 1,4-Brook al silil éter 11 que reactiva el grupo formaldehído ditiano como un anión (de ahí el concepto de relevo aniónico). Este grupo ditiano reacciona con el oxirano 12 al alcohol 13 y en el paso final los grupos sulfuro se eliminan con (bis (trifluoroacetoxi) yodo) benceno .
La táctica de la química de relevo aniónico se ha aplicado con elegancia en la síntesis total de moléculas complejas de actividad biológica significativa, como la espongistatina 2 [7] y la mandelalida A. [8] [9]
Formación de enlaces oxidativos
Es posible formar un enlace entre dos carbonos de polaridad (-) utilizando un oxidante como el yodo . En esta síntesis total de enterolactona , [10] la relación 1,4- de los sustituyentes de oxígeno se ensambla mediante el homocupuesto oxidativo de un enolato de carboxilato que utiliza yodo como oxidante.
Amine umpolung
Normalmente, el átomo de nitrógeno del grupo amina reacciona como un nucleófilo por medio de su par solitario . Esta polaridad se puede invertir cuando una amina primaria o secundaria se sustituye con un buen grupo saliente (como un átomo de halógeno o un grupo alcoxi ). El compuesto N-sustituido resultante puede comportarse como un electrófilo en el átomo de nitrógeno y reaccionar con un nucleófilo como, por ejemplo, en la aminación electrófila de carbaniones . [11]
Referencias
- ^ Seebach, D. (1979). "Métodos de reactividad Umpolung". Angewandte Chemie International Edition en inglés . 18 (4): 239-258. doi : 10.1002 / anie.197902393 .
- ^ Gröbel, BT; Seebach, D. (1977). "Umpolung de la reactividad de los compuestos de carbonilo a través de reactivos que contienen azufre". Síntesis . 1977 (6): 357. doi : 10.1055 / s-1977-24412 .
- ^ Seebach, D .; Corey, EJ (1975). "Generación y aplicaciones sintéticas de 2-litio-1,3-ditianos". La Revista de Química Orgánica . 40 (2): 231. doi : 10.1021 / jo00890a018 .
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enlaces externos
- IUPAC , Compendio de terminología química , 2ª ed. (el "Libro de oro") (1997). Versión corregida en línea: (2006–) " umpolung ". doi : 10.1351 / goldbook.U06551