La química del organozinc es el estudio de las propiedades físicas, la síntesis y las reacciones de los compuestos organozinc , que son compuestos organometálicos que contienen enlaces químicos de carbono (C) a zinc (Zn) . [1] [2] [3] [4]
Los compuestos organozinc estuvieron entre los primeros compuestos organometálicos fabricados. Son menos reactivos que muchos otros reactivos organometálicos análogos, como los reactivos de Grignard y organolitio . En 1848, Edward Frankland preparó el primer compuesto organozinc, dietilzinc , calentando yoduro de etilo en presencia de zinc metálico. [5] Esta reacción produjo un líquido volátil e incoloro que se quemó espontáneamente al entrar en contacto con el aire. Debido a su naturaleza pirofórica , los compuestos organozinc generalmente se preparan mediante técnicas sin aire . Son inestables frente a los disolventes próticos . Para muchos fines se preparan in situ , no se aíslan, pero muchos se han aislado como sustancias puras y se han caracterizado minuciosamente. [6]
Los organozincos se pueden clasificar según la cantidad de sustituyentes de carbono que están unidos al metal. [2] [3]
En sus complejos de coordinación, el zinc (II) adopta varias geometrías de coordinación, comúnmente octaédricas , tetraédricas y varias geometrías pentacoordinadas. Esta flexibilidad estructural se puede atribuir a la configuración electrónica del zinc [Ar]3d 10 4s 2 . El orbital 3d está lleno y, por tanto, los efectos del campo del ligando son inexistentes. Por tanto, la geometría de coordinación está determinada en gran medida por interacciones electrostáticas y estéricas. [2] Los compuestos de organozinc suelen tener dos o tres coordenadas, lo que refleja la propiedad fuertemente donante de los ligandos carbaniónicos.
Los complejos de diorganozinc típicos tienen la fórmula R 2 Zn. Los compuestos de dialquilzinc son monoméricos con una coordinación lineal en el átomo de zinc. [7] Existe un enlace covalente polar entre el carbono y el zinc, polarizado hacia el carbono debido a las diferencias en los valores de electronegatividad (carbono: 2,5 y zinc: 1,65). El momento dipolar de los reactivos de diorganozinc simétricos puede verse como cero en estos complejos lineales, lo que explica su solubilidad en disolventes no polares como el ciclohexano . A diferencia de otros alquilos metálicos binarios, las especies de diorganozinc muestran una baja afinidad por la complejación con un disolvente etéreo . El enlace en R 2 Zn se describe empleando orbitales con hibridación sp en Zn. [2]
Estas estructuras hacen que el zinc tenga dos orbitales d enlazantes y tres orbitales d no enlazantes bajos (ver orbital no enlazante ), que están disponibles para la unión. Cuando el zinc carece de ligandos donadores de electrones, no puede obtener la saturación de coordinación, lo cual es consecuencia del gran radio atómico y la baja deficiencia de electrones del zinc. Por lo tanto, es raro que se produzcan puentes de grupos alquilo o arilo debido a la débil deficiencia de electrones del átomo de zinc. Sin embargo, ocurre en algunos casos, como Ph 2 Zn (que se muestra a continuación) y qué halógenos son los organozinc que pueden formar grupos metálicos (consulte la química de los grupos ). Cuando se añade un ligando de halógeno al átomo de zinc, tanto el carácter aceptor como el donante del zinc aumentan permitiendo la agregación. [2]
Existen varios métodos para la generación de compuestos organozinc. Los compuestos de diorganozinc disponibles comercialmente son dimetilzinc , dietilzinc y difenilzinc. Estos reactivos son caros y difíciles de manejar. En un estudio [8] [9] el compuesto organozinc activo se obtiene a partir de precursores de organobromo mucho más baratos:
La síntesis original de dietilzinc de Frankland implica la reacción de yoduro de etilo con zinc metálico. El zinc debe activarse para facilitar esta reacción redox. Una de las formas activadas de zinc empleadas por Frankland es el par zinc-cobre . [5]
El zinc Riecke , producido por reducción in situ de ZnCl 2 con potasio, es otra forma activada de zinc. Esta forma ha demostrado ser útil para reacciones como el acoplamiento de Negishi y el acoplamiento de Fukuyama . La formación de reactivos de organozinc se facilita para haluros de alquilo o arilo que llevan sustituyentes atractores de electrones, por ejemplo, nitrilos y ésteres. [10] [11]
Las dos reacciones de interconversión de grupos funcionales de zinc más comunes son con haluros y boro, que es catalizada por yoduro de cobre (CuI) o una base. El intermedio de boro se sintetiza mediante una reacción inicial de hidroboración seguida de un tratamiento con dietil zinc . Esta síntesis muestra la utilidad de los reactivos de organozinc al mostrar una alta selectividad para el sitio más reactivo de la molécula, además de crear compañeros de acoplamiento útiles. [12]
Esta reacción de transferencia de grupo se puede utilizar en alilación u otras reacciones de acoplamiento (como el acoplamiento de Negishi). [13]
Uno de los principales inconvenientes de las alquilaciones de diorganozinc es que sólo se transfiere uno de los dos sustituyentes alquilo. Este problema se puede solucionar utilizando Me 3 SiCH 2 - (TMSM), que es un grupo intransferible. [14]
La transmetalación es similar a las interconversiones mostradas arriba, el zinc puede intercambiarse con otros metales como mercurio , litio , cobre , etc. Un ejemplo de esta reacción es la reacción del difenilmercurio con zinc metálico para formar difenilzinc y mercurio metálico :
El beneficio de la transmetalización a zinc es que a menudo es más tolerante con otros grupos funcionales en la molécula debido a la baja reactividad que aumenta la selectividad. [15]
El organozinc se puede obtener directamente del zinc metálico: [17] [18]
En muchas de sus reacciones los organozincos aparecen como intermediarios.
Esta reacción orgánica se puede emplear para convertir α-haloéster y cetona o aldehído en un β-hidroxiéster. Se necesita ácido para protonar el alcóxido resultante durante el procesamiento. El paso inicial es una adición oxidativa de zinc metálico al enlace carbono-halógeno, formando así un enolato de carbono-zinc. Este enolato de C-Zn puede luego reorganizarse en el enolato de oxígeno-zinc mediante coordinación. Una vez que se forma, el otro material de partida que contiene carbonilo se coordinará de la manera que se muestra a continuación y dará el producto después de la protonación. [20] Los beneficios de la reacción de Reformatsky sobre los protocolos de reacción aldólica convencionales son los siguientes:
A continuación se muestra el estado de transición de seis miembros del modelo de Zimmerman-Traxler (control de quelación, ver reacción aldólica ), en el que R 3 es más pequeño que R 4 . [21]
La reacción de Reformatsky se ha empleado en numerosas síntesis totales, como la síntesis de C(16),C(18)-bis-epi-citocalasina D: [22]
La reacción de Reformatsky permite incluso homoenolatos de zinc. [23] Una modificación de la reacción de Reformatsky es la reacción de Blaise . [21]
El reactivo de Simmons-Smith se utiliza para preparar ciclopropanos a partir de olefinas utilizando yoduro de metileno como fuente de metileno. La reacción se efectúa con zinc. El intermedio de zinc clave formado es un yoduro de zinc (yodometil) carbenoide que reacciona con alquenos para producir el producto ciclopropano. La velocidad de formación de las especies activas de zinc aumenta mediante ultrasonicación ya que la reacción inicial ocurre en la superficie del metal.
Aunque el mecanismo no ha sido completamente elaborado, se plantea la hipótesis de que el intermediario organozinc es un metal- carbenoide . Se cree que el intermedio es un "tipo mariposa" de tres centros. Este intermediario puede ser dirigido por sustituyentes, como alcoholes, para entregar el ciclopropano en el mismo lado de la molécula. El par zinc-cobre se utiliza comúnmente para activar el zinc. [21]
Los compuestos organocinc derivados del bromuro o yoduro de metileno pueden agregarse electrófilamente a grupos carbonilo para formar alquenos terminales . [24] La reacción está relacionada mecánicamente con la reacción de Tebbe y puede ser catalizada por varios ácidos de Lewis (por ejemplo, TiCl 4 o Al 2 Me 6 ). [25] La reacción se utiliza para introducir deuterio en moléculas para el marcaje isotópico o como alternativa a la reacción de Wittig .
Este poderoso enlace carbono-carbono que forma reacciones de acoplamiento cruzado combina un haluro orgánico y un reactivo de haluro de organozinc en presencia de un catalizador de níquel o paladio . El reactivo de haluro orgánico puede ser alquenilo , arilo , alilo o propargilo . También se ha informado del acoplamiento de alquilzinc con haluros de alquilo como bromuros y cloruros con catalizadores activos como los precatalizadores de Pd-PEPPSI, que resisten fuertemente la eliminación de beta-hidruro (una ocurrencia común con los sustituyentes alquilo). [26] Se pueden utilizar especies diorgánicas [ compruebe la ortografía ] o haluros de organozinc como compañeros de acoplamiento durante el paso de transmetalación en esta reacción. A pesar de la baja reactividad de los reactivos de organozinc sobre electrófilos orgánicos, estos reactivos se encuentran entre los nucleófilos metálicos más potentes frente al paladio. [27]
Las especies de alquilzinc requieren la presencia de al menos una cantidad estequiométrica de iones haluro en solución para formar una especie de "zincato" de la forma RZnX 3 2− , antes de que pueda sufrir transmetalación al centro de paladio. [28] Este comportamiento contrasta mucho con el caso de las especies de aril zinc. Un paso clave en el ciclo catalítico es una transmetalación en la que un haluro de zinc intercambia su sustituyente orgánico por otro halógeno con el centro metálico.
Un ejemplo elegante de acoplamiento de Negishi es la síntesis de anfidinolida T1 de Furstner: [29]
El acoplamiento de Fukuyama es una reacción catalizada por paladio que implica el acoplamiento de un compuesto de arilo, alquilo, alilo o tioéster α,β-insaturado . Este compuesto de tioéster se puede acoplar a una amplia gama de reactivos de organozinc para revelar el producto cetona correspondiente. Este protocolo es útil debido a su sensibilidad a grupos funcionales como cetona , acetato , haluros aromáticos e incluso aldehídos. La quimioselectividad observada indica que la formación de cetonas es más fácil que la adición oxidativa de paladio a estos otros restos. [30]
Otro ejemplo de este método de acoplamiento es la síntesis de (+)- biotina . En este caso, el acoplamiento de Fukuyama se produce con la tiolactona: [31]
La reacción de Barbier implica la adición nucleofílica de un carbanión equivalente a un carbonilo. La conversión es similar a la reacción de Grignard. El reactivo de organozinc se genera mediante una adición oxidativa al haluro de alquilo. La reacción produce un alcohol primario, secundario o terciario mediante una adición 1,2 . La reacción de Barbier es ventajosa porque es un proceso de un solo recipiente: el reactivo de organozinc se genera en presencia del sustrato carbonilo. Los reactivos de organozinc también son menos sensibles al agua, por lo que esta reacción se puede realizar en agua. De manera similar a la reacción de Grignard, se aplica un equilibrio de Schlenk , en el que se puede formar el dialquilzinc, más reactivo. [21]
El mecanismo se asemeja a la reacción de Grignard , en la que el alcóxido metálico puede generarse mediante una vía radical gradual, mediante transferencia de un solo electrón , o una vía de reacción concertada mediante un estado de transición cíclico. Un ejemplo de esta reacción es la síntesis de cicloproparadicicol de Danishefsky . Al utilizar las condiciones de reacción de adición de organozinc, se toleran las otras funciones de la dienona y el alquino: [32]
La formación del acetiluro de zinc se produce mediante la intermediación de un dialquinil zinc (intercambio de grupos funcionales). Se han desarrollado procesos catalíticos como el proceso de efedrina de Merck . [33] Los alcoholes propargílicos se pueden sintetizar a partir de acetiluros de zinc. Estos intermedios versátiles se pueden utilizar para una amplia gama de transformaciones químicas, como reacciones de acoplamiento cruzado , hidrogenación y reacciones pericíclicas . [34]
En ausencia de ligandos, la reacción es lenta e ineficaz. En presencia de ligandos quirales , la reacción es rápida y proporciona una alta conversión. Ryoji Noyori determinó que la especie activa es un complejo monozinc-ligando. [35]
La diastereoselectividad para la adición de reactivos de organozinc a aldehídos se puede predecir mediante el siguiente modelo de Noyori y David A. Evans : [36]
Los acetiluros de zinc se utilizan en el inhibidor de la transcriptasa inversa del VIH-1, Efavirenz , así como en los derivados de efedrina de Merck . [37]
El primer complejo de organozinc ( organozincato ) fue informado en 1858 por James Alfred Wanklyn , [38] un asistente de Frankland y se refería a la reacción del sodio elemental con dietilzinc :
Los compuestos de organozinc que son fuertemente ácidos de Lewis son vulnerables al ataque nucleofílico de metales alcalinos , como el sodio , y por tanto forman estos "compuestos de ato". Se reconocen dos tipos de organozincatos: los tetraorganozincatos ([R 4 Zn]M 2 ), que son dianiónicos, y los triorganozincatos ([R 3 Zn]M), que son monoaniónicos. Sus estructuras, determinadas por los ligandos, se han caracterizado ampliamente. [3]
Los tetraorganozincatos tales como [Me 4 Zn]Li 2 se pueden formar mezclando Me 2 Zn y MeLi en una proporción molar de 1:2 de los rectantes. A continuación se muestra otro ejemplo de ruta sintética para formar organocincatos espriocíclicos: [3]
Los compuestos de triorganozincatos se forman tratando un diorganozinc como (Me 3 SiCH 2 ) 2 Zn con un metal alcalino (K) o un metal alcalinotérreo (Ba, Sr o Ca). Un ejemplo es [(Me 3 SiCH 2 ) 3 Zn]K. El trietilzincato se degrada a hidridoetilzincato (II) de sodio como resultado de la eliminación del beta-hidruro : [39]
El producto es una estructura bittraédrica de bordes compartidos, con ligandos de hidruro puente .
Aunque se estudian con menos frecuencia, los organozincatos a menudo tienen una mayor reactividad y selectividad en comparación con los compuestos diorganozinc neutros. Han sido útiles en alquilaciones estereoselectivas de cetonas y carbonilos relacionados, reacciones de apertura de anillos. Los ariltrimetilzincatos participan en reacciones de formación de CC mediadas por vanadio. [3]
También se conocen compuestos orgánicos de zinc de baja valencia que tienen un enlace Zn-Zn. El primer compuesto de este tipo, el decametildizincoceno , se informó en 2004. [40]