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Acoplamiento oxidativo de fenoles

El acoplamiento oxidativo de fenoles es una reacción química en la que dos compuestos fenólicos se acoplan a través de un proceso oxidativo . Los acoplamientos oxidativos de fenoles suelen estar catalizados por complejos de metales de transición, incluidos V , Cr , Mn , Cu y Fe , entre otros. Estas reacciones suelen formar enlaces C–C o C–O entre los socios de acoplamiento y pueden emplearse como acoplamientos homo o cruzados . [1]

Mecanismo

Un ejemplo representativo es la reacción del fenol con una solución de tetracloruro de vanadio , que produce un rendimiento de alrededor del 60 % de tres compuestos isoméricos de dihidroxibifenilo. La relación de isómeros y los rendimientos no se ven afectados por la relación reactivo/sustrato. Se sabe que el tetracloruro de vanadio produce oxidaciones de un electrón, lo que se produce en esta conversión. [2]

Acoplamiento oxidativo del fenol por VCl 4 . No se muestran los coproductos que incluyen vanadio (III) y cloruro de hidrógeno.

Los acoplamientos oxidativos de fenol pueden ocurrir a través de procesos de esfera interna o de esfera externa . En los procesos de esfera interna, el sustrato fenólico se coordina con el centro metálico para formar un complejo de fenóxido. La oxidación al fenóxido ocurre a través de transferencia de electrones o abstracción de átomos de hidrógeno. El intermedio reactivo resultante puede participar en procesos químicos posteriores que pueden ocurrir a través de socios de acoplamiento coordinados (esfera interna) o no coordinados.

Variedades mecanicistas comunes en acoplamientos fenólicos oxidativos.

Las reacciones entre radicales son fáciles de imaginar, pero poco probables, ya que requieren la coexistencia de dos radicales de larga duración. En cambio, el radical fenol o fenoxi se suma a otro fenol o fenóxido. El proceso inicial de formación del enlace CC es seguido por la abstracción del átomo de hidrógeno y la tautomerización.

Los acoplamientos en los que no intervienen catalizadores metálicos generalmente se realizan a través del mecanismo radical-fenol. [3] [4] [5]

Aunque se conocen ejemplos selectos de homoacoplamientos asimétricos, son notoriamente difíciles de diseñar y a menudo se llega a ellos de manera empírica.

Los acoplamientos oxidativos asimétricos enantioselectivos de fenol aún no están bien establecidos ni son generales, sin embargo existen informes que aprovechan catalizadores asimétricos de vanadio para homoacoplar fenoles enantioselectivamente. Por el contrario, se ha avanzado mucho en los acoplamientos asimétricos de 2-naftol utilizando catalizadores de Ru , Cu, V y Fe, [6] que han tenido un gran impacto en el desarrollo de ligandos de tipo BINAP utilizados en catálisis asimétrica.

Alcance

Lignina

Estructura idealizada de la lignina de una madera blanda que ilustra la reticulación que surge del acoplamiento oxidativo.

La lignina , un polifenol que se encuentra en la mayoría de las plantas, es una forma muy abundante de biomasa que surge, en parte, por acoplamiento oxidativo de fenoles. Las ligninas son particularmente importantes en la formación de las paredes celulares , especialmente en la madera y la corteza , porque le otorgan rigidez y no se pudren fácilmente. Químicamente, las ligninas son polímeros formados por la reticulación de precursores fenólicos . [7]

Síntesis orgánica

Primer uso del acoplamiento oxidativo de fenol en la síntesis de ácido elágico a partir de ácido gálico.

El primer ejemplo de acoplamiento oxidativo de fenol en la química sintética se remonta a la síntesis de ácido elágico de Julius Löwe en 1868, realizada calentando ácido gálico con ácido arsénico. [8]

En la síntesis de compuestos orgánicos complejos , a veces se emplean acoplamientos oxidativos de fenol. La reacción es atractiva por su economía de átomos porque evita los materiales de partida prefuncionalizados que a menudo se requieren en los acoplamientos cruzados redox-neutrales tradicionales. Sin embargo, los acoplamientos oxidativos de fenol a menudo sufren de sobreoxidación, especialmente porque el producto acoplado previsto es más oxidable (tiene un potencial de oxidación menor) que el material de partida. En tales casos, el catalizador puede extinguirse o envenenarse al participar en procesos redox fuera de ciclo con el producto. Además, el producto puede oxidarse aún más, dando lugar a oligómeros de orden superior .

Pueden surgir problemas de selectividad durante los acoplamientos oxidativos de fenol entre productos acoplados C–C y C–O. [9] Además, la estereoselectividad es una consideración importante si el compuesto de bifenol resultante muestra quiralidad axial o atropoisomerismo . Se debe considerar la selectividad entre productos homo y heteroacoplados, y a menudo se puede abordar mediante catálisis con metales de transición.

Sitios potenciales de reacción en un acoplamiento fenol.

Acoplamientos intramoleculares de fenol

Los acoplamientos oxidativos intramoleculares de fenol se conocen desde hace mucho tiempo. Los ejemplos mejor estudiados de tales transformaciones son aquellos que dan lugar a productos acoplados de fenol-dienona espirocíclicos. Los socios de acoplamiento en un acoplamiento intramolecular deben aproximarse en una disposición casi paralela para permitir la superposición orbital; [10] estas estrictas restricciones geométricas sobre los compuestos preciclados a menudo hacen que el proceso sea lento, si es posible. [11]

Acoplamiento oxidativo fenol intramolecular representativo.

Acoplamientos C–O

Las lacasas a menudo efectúan acoplamientos oxidativos, a veces formando enlaces CO. [12]

El acoplamiento selectivo de C–O de fenoles está representado por unos pocos ejemplos en la química sintética. [13] En muchos casos, el acoplamiento selectivo de C–O solo se puede lograr si se bloquean todas las posiciones orto y para en el areno. [14] La baja selectividad del acoplamiento de C–O probablemente se deba a la falta de densidad de espín radical en el oxígeno después de la oxidación del fenol, lo que resulta en un atrapamiento cinético de los productos de acoplamiento de C–C.

Acoplamientos de areno no fenólicos

También se han estudiado los acoplamientos oxidativos entre fenoles y compuestos no fenólicos, incluidas anilinas, beta-cetoésteres/malonatos/malononitrilos, arenos ricos en electrones, olefinas y otros grupos funcionales. [1]

Referencias

  1. ^ ab Wu, Jingze; Kozlowski, Marisa C. (3 de junio de 2022). "Acoplamiento oxidativo catalítico de fenoles y compuestos relacionados". ACS Catalysis . 12 (11): 6532–6549. doi :10.1021/acscatal.2c00318. ISSN  2155-5435. PMC  9345132 . PMID  35928569.
  2. ^ O'Brien, Michael K.; Vanasse, Benoit (2001). "Cloruro de vanadio (IV)". Enciclopedia de reactivos para síntesis orgánica . doi :10.1002/047084289X.rv001. ISBN 0-471-93623-5.
  3. ^ Niederer, Kyle A.; Gilmartin, Philip H.; Kozlowski, Marisa C. (18 de diciembre de 2020). "Acoplamiento homo y cruzado fotocatalítico oxidativo de fenoles: método catalítico no enzimático para acoplar tirosina". ACS Catalysis . 10 (24): 14615–14623. doi :10.1021/acscatal.0c04515. ISSN  2155-5435. PMC 8078885 . PMID  33927912. 
  4. ^ Nakajima, Makoto; Miyoshi, Irie; Kanayama, Kumiko; Hashimoto, Shun-ichi; Noji, Masahiro; Koga, Kenji (1 de abril de 1999). "Síntesis enantioselectiva de derivados de binaftol mediante acoplamiento oxidativo de derivados de naftol catalizados por complejos quirales de diamina·cobre". The Journal of Organic Chemistry . 64 (7): 2264–2271. doi :10.1021/jo981808t. ISSN  0022-3263.
  5. ^ Li, Xiaolin; Yang, Jaemoon; Kozlowski, Marisa C. (1 de abril de 2001). "Reacciones de acoplamiento oxidativo de biarilo enantioselectivas catalizadas por complejos metálicos de 1,5-diazadecalina". Cartas orgánicas . 3 (8): 1137–1140. doi :10.1021/ol015595x. ISSN  1523-7060. PMID  11348178.
  6. ^ Nakajima, Makoto; Kanayama, Kumiko; Miyoshi, Irie; Hashimoto, Shun-ichi (25 de diciembre de 1995). "Síntesis catalítica asimétrica de derivados de binaftol mediante acoplamiento oxidativo aeróbico de 3-hidroxi-2-naftoatos con complejo de cobre-diamina quiral". Tetrahedron Letters . 36 (52): 9519–9520. doi :10.1016/0040-4039(95)02063-2. ISSN  0040-4039.
  7. ^ Lebo, Stuart E. Jr.; Gargulak, Jerry D.; McNally, Timothy J. (2001). "Lignina". Enciclopedia Kirk-Othmer de tecnología química . Enciclopedia Kirk-Othmer de tecnología química . John Wiley & Sons, Inc. doi :10.1002/0471238961.12090714120914.a01.pub2. ISBN 978-0-471-23896-6. Consultado el 14 de octubre de 2007 .
  8. ^ Löwe, Julio (1868). "Über die Bildung von Ellagsäure aus Gallussäure" [Sobre la síntesis de ácido elágico a partir de ácido gálico]". Zeitschrift für Chemie . 4 : 603.
  9. ^ Neuhaus, William C.; Jemison, Adriana L.; Kozlowski, Marisa C. (6 de octubre de 2021). "Acoplamientos deshidrogenativos oxidativos de alquenilfenoles". Química orgánica y biomolecular . 19 (38): 8205–8226. doi :10.1039/D1OB01040A. ISSN  1477-0539. PMC 8497443 . PMID  34522924. 
  10. ^ Armstrong, David R.; Cameron, Colin; Nonhebel, Derek C.; Perkins, Peter G. (1 de enero de 1983). "Acoplamiento oxidativo de fenoles. Parte 8. Un estudio teórico del acoplamiento de radicales fenoxilo". Journal of the Chemical Society, Perkin Transactions 2 (5): 575–579. doi :10.1039/P29830000575. ISSN  1364-5471.
  11. ^ Nieves-Quinones, Yexenia; Paniak, Thomas J.; Lee, Young Eun; Kim, Sun Min; Tcyrulnikov, Sergei; Kozlowski, Marisa C. (26 de junio de 2019). "Acoplamiento cruzado de fenoles catalizado por cromo-saleno: mecanismo y origen de la selectividad". Revista de la Sociedad Química Americana . 141 (25): 10016–10032. doi :10.1021/jacs.9b03890. ISSN  0002-7863. PMC 6628261 . PMID  31125210. 
  12. ^ Monti, Daniela; Ottolina, Gianluca; Carrea, Giacomo; Riva, Sergio (2011). "Reacciones redox catalizadas por enzimas aisladas". Chemical Reviews . 111 (7): 4111–4140. doi :10.1021/cr100334x. PMID  21526768.
  13. ^ Tanaka, Kumpei; Gotoh, Hiroaki (19 de julio de 2019). "Desarrollo de la reacción de acoplamiento radical C–O de fenoles hacia la síntesis de productos naturales que comprenden un esqueleto de éter diarílico". Tetrahedron . 75 (29): 3875–3885. doi :10.1016/j.tet.2019.05.035. ISSN  0040-4020. S2CID  191193995.
  14. ^ Neuhaus, William C.; Kozlowski, Marisa C. (11 de mayo de 2020). "Síntesis total de pirolásido B: trimerización de fenol mediante acoplamiento oxidativo secuenciado C−C y C−O". Angewandte Chemie International Edition . 59 (20): 7842–7847. doi :10.1002/anie.201915654. ISSN  1433-7851. PMC 7200290 . PMID  32026544.