Las reacciones de expansión y contracción de anillos expanden o contraen anillos , generalmente en química orgánica . El término generalmente se refiere a reacciones que implican la formación y ruptura de enlaces C-C , [1] Diversos mecanismos conducen a este tipo de reacciones.
Estas reacciones implican la diazotación de aminociclobutanos y aminociclopropanos. La pérdida de N2 de los cationes diazo da lugar a carbocationes secundarios, que tienden a reorganizarse y luego a sufrir hidrólisis. La reacción convierte el aminociclobutano en una mezcla de hidroxiciclobutano e hidroximetilciclopropano. Estas reacciones producen una mezcla equilibrante de dos carbocationes : [2]
En la reacción de Arndt-Eistert , se induce la liberación de N2 por parte de una α-diazocetona , lo que da como resultado un centro de carbono sexteto altamente reactivo adyacente al carbonilo. Dichas especies se convierten mediante un reordenamiento de Wolff para dar un éster en presencia de alcoholes. Cuando se aplica a α-diazocetonas cíclicas, se produce una contracción del anillo. [3] [4] En el caso de los esteroides , esta reacción se ha utilizado para convertir grupos de ciclopentanona en derivados de ciclobutanilo. [5]
Las expansiones de anillos pueden permitir el acceso a sistemas más grandes que pueden ser difíciles de sintetizar de otra manera. [6] Los anillos se pueden expandir mediante el ataque del anillo a un grupo externo ya anexado al anillo (una migración /inserción), la apertura de una bicicleta a un solo anillo más grande o el acoplamiento de un cierre de anillo con una expansión. [1] Estas expansiones se pueden desglosar aún más por el tipo de átomo que incorporan (un carbono o un heteroátomo) en el anillo expandido.
Estas reacciones tienen las características generales de tener un grupo saliente exocíclico en un carbono adyacente al anillo y un grupo donador de electrones en el anillo capaz de iniciar una migración de un enlace endocíclico.
Una introducción de migración común de carbono es un reordenamiento de pinacol . [1] Si bien esta reacción se refiere específicamente a un reordenamiento de dihidróxido vecinal, existen otros reordenamientos de tipo pinacol que proceden a través del mismo mecanismo general, como el reordenamiento de Tiffeneau-Demjanov . Estos "reordenamientos de semipinacol" ocurren en condiciones más suaves y, por lo tanto, son preferibles en síntesis complejas. [7] Estas reacciones son útiles más allá de simplemente expandir un anillo porque el grupo exocíclico atacado también puede tener otra funcionalidad anexada a él además del grupo saliente. El grupo al que migra el enlace endocíclico también se puede agregar selectivamente al anillo en función de la funcionalidad ya presente, por ejemplo, la adición 1,2 en una cetona cíclica.
Un método común para expandir un anillo implica abrir un intermedio bicíclico que contenga ciclopropano . La estrategia puede comenzar con una ciclopropanación de tipo Simmons-Smith de un alqueno cíclico. [8]
Una expansión de anillo basada en ciclopropano relacionada es la expansión de anillo de Buchner . La expansión de anillo de Buchner se utiliza para convertir arenos en cicloheptatrienos . La expansión de anillo de Buchner se fomenta para abrir el producto deseado colocando grupos atractores de electrones en el carbono añadido. Para realizar la apertura del anillo en moléculas bicíclicas saturadas, el ciclopropano debe introducirse de manera que un grupo vecino pueda facilitar la expansión o el anillo debe abrirse atacando la expansión [9] o el anillo debe abrirse mediante el ataque de un grupo externo. [10]
La apertura de anillos como un medio de expansión de anillos también se puede aplicar a sistemas más grandes para dar acceso a una siciclización de anillos aún más grande. La fragmentación de Grob se puede aplicar como un ejemplo de tal expansión. Al igual que la migración de tipo pinacol, la fragmentación de Grob se basa en un grupo donador de electrones para promover la migración del enlace y alentar la expulsión del grupo saliente. En este caso, el grupo donador de electrones puede ser un pseudogrupo donador de electrones que es capaz de eliminar y donar un par de electrones al carbono con el enlace de ruptura. Trabajar con dos anillos más pequeños puede permitir la elaboración de dos partes de la molécula por separado antes de trabajar con el anillo expandido. La reacción de expansión de anillo de Dowd-Beckwith también es capaz de agregar varios carbonos a un anillo a la vez, y es una herramienta útil para hacer anillos grandes. [11] Si bien procede a través de una ciclación intermedia, la ciclización final y la apertura del anillo tienen lugar dentro de la misma reacción radical . [12] Esta expansión es útil porque permite la expansión de un beta-cetoéster a una cetona cíclica grande que puede elaborarse fácilmente utilizando la cetona cíclica o el éster exocíclico.
Las adiciones de heteroátomos a los anillos pueden ocurrir a través de expansiones de anillo, si no, no se realizan a través de síntesis de anillo de novo. [13] Estas introducciones son principalmente expansiones de anillo porque a menudo tienen lugar a través de vías de migración/inserción similares a las mencionadas anteriormente para el carbono. Los ejemplos incluyen aplicaciones de alto impacto del reordenamiento de Beckmann (para la introducción de nitrógeno en la codeína) [14] y la oxidación de Baeyer-Villiger (introducción de oxígeno a éteres anulados en jaula) [15] en síntesis. Ambos ocurren con la expulsión de un grupo saliente a medida que el grupo alquilo migra al heteroátomo exocíclico, que es sorprendentemente similar al reordenamiento de tipo pinacol.
Las contracciones de anillos son útiles para hacer anillos más pequeños y tensos a partir de anillos más grandes. El impulso para hacer estos anillos proviene de la dificultad asociada con hacer un anillo pequeño completamente elaborado cuando dicho anillo podría hacerse más fácilmente a partir de un anillo más grande elaborado, del cual se puede extraer un átomo, o porque el andamiaje original más grande es más accesible. [16]
Las contracciones de anillo se caracterizan fácilmente simplemente por el intermediario reactivo que realiza la contracción. Los intermediarios estándar son aniónicos, catiónicos y carbenoides. [17]
La transposición de Favorskii es una contracción clásica de anillo aniónico. [18] Se produce a través de un carbanión que ataca a un carbono endocíclico y expulsa un grupo saliente (un haluro) formando una molécula bicíclica con anillos más pequeños que el original. Luego, el biciclo se abre mediante un ataque nucleofílico sobre la cetona para dar el producto contraído. [19] Esta reacción se ha utilizado para convertir la ciclohexanona en el éster metílico del ácido ciclopropanocarboxílico.
Una alternativa al reordenamiento estándar de Favorskii es realizar lo que puede considerarse como un reordenamiento de pinacol negativo, donde un grupo aniónico estimula a un enlace alineado con un grupo saliente a migrar y expulsar el grupo saliente, lo que se ha utilizado en varias síntesis. [17] También debe tenerse en cuenta que el llamado "reordenamiento cuasi-Favorskii" se lleva a cabo sin un nucleófilo adicional para formar el producto contraído final.
La contracción por reordenamiento catiónico se produce mediante la pérdida de un grupo saliente y la migración de un enlace endocíclico al carbocatión. Los reordenamientos de tipo pinacol se utilizan a menudo para este tipo de contracción. [20] Al igual que la reacción de expansión, esta se produce con un grupo donador de electrones que ayuda en la migración.
Las reacciones de contracción de un anillo pueden combinarse con una expansión de otro para formar una biela desigual a partir de un anillo fusionado de igual tamaño. Estos reordenamientos catiónicos han encontrado uso para sintetizar los núcleos de moléculas complejas. [21]
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