Cualquier compuesto orgánico que contenga un grupo C=C=C.
El propadieno , el aleno más simple, también se conoce como aleno.
En química orgánica , los alenos son compuestos orgánicos en los que un átomo de carbono tiene dobles enlaces con cada uno de sus dos átomos de carbono adyacentes ( R 2 C=C=CR 2 , donde R es H o algún grupo organilo ). [1] Los alenos se clasifican como dienos acumulados . El compuesto original de esta clase es el propadieno ( H2C =C=CH2 ) , que a su vez también se llama aleno . Un grupo de estructura R 2 C=C=CR− se llama alenilo , mientras que un sustituyente unido a un aleno se denomina sustituyente alénico (R es H o algún grupo alquilo). En analogía con el alílico y el propargílico , un sustituyente unido a un carbono α saturado (es decir, directamente adyacente) a un aleno se denomina sustituyente alenílico . Mientras que los alenos tienen dos dobles enlaces consecutivos ("acumulados"), los compuestos con tres o más dobles enlaces acumulados se denominan cumulenos .
Historia
Durante muchos años, los alenos fueron vistos como curiosidades, pero se pensaba que eran sintéticamente inútiles y difíciles de preparar y trabajar con ellos. [2] [3] Según se informa, [4] la primera síntesis de un aleno, el ácido glutínico , se realizó en un intento de demostrar la inexistencia de esta clase de compuestos. [5] [6] La situación comenzó a cambiar en la década de 1950, y solo en 2012 se publicaron más de 300 artículos sobre alenos. [7] Estos compuestos no son sólo intermediarios interesantes, sino objetivos sintéticamente valiosos en sí mismos; por ejemplo, se conocen más de 150 productos naturales con un fragmento de aleno o cumuleno. [4]
Estructura y propiedades
Geometría
Vista 3D de propadieno (aleno)
El átomo de carbono central de los alenos forma dos enlaces sigma y dos enlaces pi . El átomo de carbono central tiene hibridación sp y los dos átomos de carbono terminales tienen hibridación sp 2 . El ángulo de enlace formado por los tres átomos de carbono es de 180°, lo que indica una geometría lineal para el átomo de carbono central. Los dos átomos de carbono terminales son planos y estos planos están torcidos 90° entre sí. La estructura también puede verse como un "tetraédrico extendido" con una forma similar a la del metano , una analogía que continúa en el análisis estereoquímico de ciertas moléculas derivadas.
Simetría
La simetría y la isomería de los alenos han fascinado durante mucho tiempo a los químicos orgánicos. [8] Para los alenos con cuatro sustituyentes idénticos, existen dos ejes dobles de rotación a través del átomo de carbono central, inclinados a 45° con respecto a los planos CH 2 en cada extremo de la molécula. Por tanto, se puede pensar en la molécula como una hélice de dos palas . Un tercer doble eje de rotación pasa a través de los enlaces C=C=C, y hay un plano especular que pasa a través de ambos planos CH 2 . Por tanto, esta clase de moléculas pertenece al grupo de puntos D 2d . Debido a la simetría, un aleno no sustituido no tiene momento dipolar neto , es decir, es una molécula no polar.
Las configuraciones R y S están determinadas por las precedencias de los grupos unidos a la sección axial de la molécula cuando se mira a lo largo de ese eje. Al plano frontal se le da mayor prioridad sobre el otro y la asignación final se da de prioridad 2 a 3 (es decir, la relación entre los dos planos).
Un aleno con dos sustituyentes diferentes en cada uno de los dos átomos de carbono será quiral porque ya no habrá planos especulares. La quiralidad de estos tipos de alenos fue predicha por primera vez en 1875 por Jacobus Henricus van 't Hoff , pero no se demostró experimentalmente hasta 1935. [9] Cuando A tiene una mayor prioridad que B según las reglas de prioridad de Cahn-Ingold-Prelog , el La configuración de la quiralidad axial se puede determinar considerando los sustituyentes en el átomo frontal seguidos por el átomo posterior cuando se mira a lo largo del eje del aleno. Para el átomo posterior, sólo es necesario considerar el grupo de mayor prioridad.
Los alenos quirales se han utilizado recientemente como componentes básicos en la construcción de materiales orgánicos con propiedades quirópticas excepcionales. [10] Hay algunos ejemplos de moléculas de fármacos que tienen un sistema aleno en su estructura. [11] La micomicina, un antibiótico con propiedades tuberculostáticas, [12] es un ejemplo típico. Este fármaco presenta enantiomerismo debido a la presencia de un sistema aleno adecuadamente sustituido.
Aunque el modelo de separación σ-π del libro de texto semilocalizado describe el enlace de aleno utilizando un par de orbitales π ortogonales localizados, la descripción orbital molecular completa del enlace es más sutil. Los HOMO de aleno doblemente degenerados con simetría correcta (adaptados al grupo de puntos D 2d ) pueden representarse mediante un par de MO ortogonales o como combinaciones lineales helicoidales retorcidas de estos MO ortogonales. La simetría del sistema y la degeneración de estos orbitales implican que ambas descripciones son correctas (de la misma manera que hay infinitas maneras de representar los HOMO y LUMO doblemente degenerados del benceno que corresponden a diferentes opciones de funciones propias en un sistema bidimensional). espacio propio dimensional). Sin embargo, esta degeneración se elimina en los alenos sustituidos, y la imagen helicoidal se convierte en la única descripción simétricamente correcta para el HOMO y el HOMO–1 del 1,3-dimetilaleno simétrico C2 . [13] [14] Esta descripción cualitativa de MO se extiende a cumulenos con carbonos impares superiores (p. ej., 1,2,3,4-pentatetraeno).
Propiedades químicas y espectrales.
Los alenos se diferencian considerablemente de otros alquenos en cuanto a sus propiedades químicas. En comparación con los dienos aislados y conjugados, son considerablemente menos estables: comparando los pentadienos isoméricos, el 1,2-pentadieno alénico tiene un calor de formación de 33,6 kcal/mol, frente a 18,1 kcal/mol para ( E )-1,3 -pentadieno y 25,4 kcal/mol para el 1,4-pentadieno aislado. [15]
Los enlaces C-H de los alenos son considerablemente más débiles y ácidos en comparación con los enlaces C-H vinílicos típicos: la energía de disociación del enlace es 87,7 kcal/mol (en comparación con 111 kcal/mol en el etileno), mientras que la acidez en fase gaseosa es 381. kcal/mol (en comparación con 409 kcal/mol para el etileno [16] ), lo que lo hace ligeramente más ácido que el enlace propargílico C-H del propino (382 kcal/mol).
El espectro de 13 C NMR de los alenos se caracteriza por la señal del átomo de carbono con hibridación sp, que resuena a una característica de 200-220 ppm. En contraste, los átomos de carbono con hibridación sp 2 resuenan alrededor de 80 ppm en una región típica de los átomos de carbono de alquino y nitrilo, mientras que los protones de un grupo CH 2 de un aleno terminal resuenan alrededor de 4,5 ppm, un poco por encima del campo de un protón vinílico típico. . [17]
Los alenos poseen una rica química de cicloadición, que incluye modos de adición [4+2] y [2+2], [18] [19] , además de someterse a procesos formales de cicloadición catalizados por metales de transición. [20] [21] Los alenos también sirven como sustratos para reacciones de hidrofuncionalización catalizadas por metales de transición. [22] [23] [24]
Síntesis
Aunque los alenos a menudo requieren síntesis especializadas, el aleno original, el propadieno , se produce industrialmente a gran escala como una mezcla en equilibrio con propino :
Esta mezcla, conocida como gas MAPP , está disponible comercialmente. A 298 K, el Δ G° de esta reacción es –1,9 kcal/mol, correspondiente a K eq = 24,7. [25]
El primer aleno que se sintetizó fue el ácido penta-2,3-dienodioico , que fue preparado por Burton y Pechmann en 1887. Sin embargo, la estructura no se identificó correctamente hasta 1954. [26]
Los métodos de laboratorio para la formación de alenos incluyen:
de metalación de aleno o alenos sustituidos con BuLi y reacción con electrófilos (RX, R 3 SiX, D 2 O, etc.) [33]
La química de los alenos se ha revisado en varios libros [2] [34] [35] [36] y artículos de revistas. [3] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] Algunos enfoques clave hacia los alenos se describen en el siguiente esquema: [45] [46] [47] [48 ]
Uno de los métodos más antiguos es el reordenamiento de Skattebøl [45] [49] [50] (también llamado reordenamiento de Doering-Moore-Skattebøl o Doering-LaFlamme [51] [52] ), en el que se trata una gema-dihalociclopropano 3 con un compuesto de organolitio (o metal que se disuelve) y el presunto intermedio se reorganiza en un aleno, ya sea directamente o mediante especies similares a carbeno. En particular, este procedimiento puede generar incluso alenos tensos. [53] También se conocen modificaciones que implican la salida de grupos de diferente naturaleza. [45] Podría decirse que el método moderno más conveniente de síntesis de alenos es mediante el reordenamiento sigmatrópico de sustratos propargílicos . [46] [47] [48] Los reordenamientos de ceteno-acetales 4 de Johnson-Claisen [48] e Irlanda-Claisen [54] se han utilizado varias veces para preparar ésteres y ácidos alénicos. Las reacciones de los éteres vinílicos 5 (el reordenamiento de Saucy-Marbet) dan aleno aldehídos, [55] mientras que los sulfenatos propargílicos 6 dan aleno sulfóxidos. [56] [57] Los alenos también se pueden preparar mediante sustitución nucleófila en 9 y 10 (el nucleófilo Nu - puede ser un anión hidruro), eliminación 1,2 de 8 , transferencia de protones en 7 y otros métodos menos generales. [46] [47]
Uso y ocurrencia
El propio Allene es el miembro más utilizado de esta familia; existe en equilibrio con el propino como componente del gas MAPP. [58]
Investigación
La reactividad de los alenos sustituidos ha sido bien explorada. [59] [60] [61] [62]
Los dos enlaces π están ubicados en un ángulo de 90° entre sí y, por lo tanto, requieren un reactivo para acercarse desde direcciones algo diferentes. Con un patrón de sustitución apropiado, los alenos exhiben quiralidad axial como lo predijo van't Hoff ya en 1875. [63] [62] La protonación de los alenos da cationes 11 que sufren más transformaciones. [64] Las reacciones con electrófilos blandos (por ejemplo, Br + ) liberan iones onio cargados positivamente 13 . [65] Las reacciones catalizadas por metales de transición proceden a través de intermedios alílicos 15 y han atraído un gran interés en los últimos años. [66] [67] También se conocen numerosas cicloadiciones, incluidas las variantes [4+2], (2+1) y [2+2], que producen, por ejemplo, 12 , 14 y 16 , respectivamente. [59] [68] [69] [70]
Numerosos productos naturales contienen el grupo funcional aleno. Destacan los pigmentos fucoxantina y peridinina . Se sabe poco sobre la biosíntesis, aunque se conjetura que a menudo se generan a partir de precursores de alquinos. [71]
Los alenos sirven como ligandos en la química organometálica . Un complejo típico es Pt( η 2 -aleno)(PPh 3 ) 2 . Los reactivos de Ni(0) catalizan la ciclooligomerización de aleno. [72] Utilizando un catalizador adecuado (por ejemplo, el catalizador de Wilkinson ), es posible reducir sólo uno de los dobles enlaces de un aleno. [73]
convención delta
Muchos anillos o sistemas de anillos se conocen con nombres semisistemáticos que suponen un número máximo de enlaces no acumulativos. Para especificar sin ambigüedades derivados que incluyen enlaces acumulados (y por lo tanto menos átomos de hidrógeno de los que se esperaría del esqueleto), se puede usar un delta minúscula con un subíndice que indica el número de dobles enlaces acumulados de ese átomo, por ejemplo, 8δ 2 -benzociclononeno. Esto puede combinarse con la convención λ para especificar estados de valencia no estándar, por ejemplo, 2λ 4 δ 2,5λ 4 δ 2 -tieno [3,4-c]tiofeno. [74]
Ver también
Los compuestos con tres o más dobles enlaces carbono-carbono adyacentes se denominan cumulenos .
Referencias
Este artículo incorpora texto de Oleksandr Zhurakovskyi disponible bajo la licencia CC BY 2.5.
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