Una reacción sigmatrópica en química orgánica es una reacción pericíclica en la que el resultado neto es que un enlace σ se cambia por otro enlace σ en una reacción intramolecular no catalizada . [1] El nombre sigmatrópico es el resultado de una combinación de la designación sigma establecida desde hace mucho tiempo a partir de enlaces simples carbono -carbono y la palabra griega tropos , que significa giro. En este tipo de reacción de reordenamiento , un sustituyente se mueve de una parte de un sistema con enlace π a otra parte en una reacción intramolecular con un reordenamiento simultáneo del sistema π. [2] Las reacciones sigmatrópicas verdaderas generalmente no están catalizadas, aunque la catálisis con ácido de Lewis es posible. Las reacciones sigmatrópicas suelen tener catalizadores de metales de transición que forman intermediarios en reacciones análogas. Los más conocidos de los reordenamientos sigmatrópicos son el reordenamiento de Cope [3,3] , el reordenamiento de Claisen , el reordenamiento de Carroll y la síntesis de indol de Fischer .
Los reordenamientos sigmatrópicos se describen de manera concisa mediante un término de orden [i,j] , que se define como la migración de un enlace σ adyacente a uno o más sistemas π a una nueva posición (i-1) y átomos (j-1) eliminados. desde la ubicación original del enlace σ. [3] Cuando la suma de i y j es un número par, esto es una indicación de la participación de una cadena neutra de átomos de C. Un número impar es una indicación de la participación de un átomo de C cargado o de un par solitario de heteroátomos que reemplaza un doble enlace CC. Por lo tanto, los cambios [1,5] y [3,3] se convierten en cambios [1,4] y [2,3] con heteroátomos, preservando al mismo tiempo las consideraciones de simetría. Los hidrógenos se omiten en el tercer ejemplo para mayor claridad.
Un medio conveniente para determinar el orden de un reordenamiento sigmatrópico dado es numerar los átomos del enlace que se está rompiendo como átomo 1, y luego contar los átomos en cada dirección desde el enlace roto hasta los átomos que forman el nuevo enlace σ en el producto, numerando consecutivamente. Los números que corresponden a los átomos que forman el nuevo enlace se separan con una coma y se colocan entre paréntesis para crear el descriptor del orden de reacción sigmatrópico. [4]
En el caso de migraciones de átomos de hidrógeno, se puede aplicar una técnica similar. Al determinar el orden de un desplazamiento sigmatrópico que implica una migración de átomos de hidrógeno, es fundamental contar todos los átomos involucrados en la reacción en lugar de solo los átomos más cercanos. Por ejemplo, la siguiente migración de átomos de hidrógeno es de orden [1,5], que se logra contando en sentido antihorario a través del sistema π, en lugar de la designación de orden [1,3] a través del grupo CH 2 del anillo que resultaría erróneamente si se contara en el sentido de las agujas del reloj.
Como enfoque general, se puede simplemente dibujar el estado de transición de la reacción. Para una reacción sigmatrópica, el estado de transición constará de dos fragmentos, unidos por enlaces σ que se forman y se rompen. La reacción sigmatrópica se denomina reordenamiento [ i , j ]-sigmatrópico ( i ≤ j ) si estos dos fragmentos constan de átomos i y j . Esto se ilustra a continuación, con los fragmentos relevantes mostrados en color.
En principio, todos los desplazamientos sigmatrópicos pueden ocurrir con retención o inversión de la geometría del grupo migratorio, dependiendo de si se utiliza el lóbulo de enlace original del átomo migratorio o su otro lóbulo para formar el nuevo enlace. [4]
En casos de retención estereoquímica , el grupo migratorio se traslada sin rotación a la posición de enlace, mientras que en el caso de inversión estereoquímica el grupo migratorio gira y se traslada para alcanzar su conformación enlazada.
Sin embargo, otro efecto de transición estereoquímica igualmente capaz de producir productos de inversión o retención es si el grupo migratorio permanece en la cara original del sistema π después de volver a unirse o, en cambio, se transfiere a la cara opuesta del sistema π. Si el grupo migrante permanece en la misma cara del sistema π, el cambio se conoce como suprafacial , mientras que si el grupo migrante se transfiere a la cara opuesta se llama cambio antarafacial, [3] los cuales son imposibles para las transformaciones que ocurren dentro de pequeños- o anillos de tamaño mediano.
En un desplazamiento térmico de hidruro [1,3] , un hidruro mueve tres átomos. Las reglas de Woodward-Hoffmann dictan que se procedería en un cambio antarafacial. Aunque la simetría permite tal cambio, la topología de Mobius requerida en el estado de transición prohíbe dicho cambio porque es geométricamente imposible, lo que explica el hecho de que los enoles no se isomerizan sin un catalizador ácido o básico . [4]
Los cambios térmicos de alquilo [1,3], similares a los cambios de hidruro [1,3], deben realizarse antarafacialmente. Aquí la geometría del estado de transición es prohibitiva, pero un grupo alquilo , debido a la naturaleza de sus orbitales, puede invertir su geometría, formar un nuevo enlace con el lóbulo posterior de su orbital sp 3 y, por lo tanto, proceder mediante un desplazamiento suprafacial. Estas reacciones todavía no son comunes en compuestos de cadena abierta debido a la naturaleza altamente ordenada del estado de transición, que se logra más fácilmente en moléculas cíclicas . [4]
![[1,3] Cambios de alquilo](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/e9/1,3alkylfixed.png/1280px-1,3alkylfixed.png)
Los cambios fotoquímicos [1,3] deben proceder a través de cambios suprafaciales; sin embargo, la mayoría no están concertadas porque pasan por un estado triplete (es decir, tienen un mecanismo diradical , al que no se aplican las reglas de Woodward-Hoffmann). [4]
Un desplazamiento [1,5] implica el desplazamiento de 1 sustituyente (hidruro, alquilo o arilo ) hacia abajo 5 átomos de un sistema π. Se ha demostrado que el hidrógeno se desplaza tanto en compuestos cíclicos como de cadena abierta a temperaturas iguales o superiores a 200 ˚C. [4] Se predice que estas reacciones se desarrollarán suprafacialmente, a través de un estado de transición de topología de Hückel.
![[1,5] desplazamiento de hidruro en un sistema cíclico](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/7f/1,5hydridecyclicfixed.png/1280px-1,5hydridecyclicfixed.png)
La fotoirradiación requeriría un desplazamiento antarafacial de hidrógeno. Aunque es raro, hay ejemplos en los que se favorecen los cambios antarafaciales: [5]
![Desplazamiento de hidruro antarafacial [1,5]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/99/1,5hantarafacialfixed.png/1280px-1,5hantarafacialfixed.png)
A diferencia de los cambios de hidrógeno [1,5], nunca se han observado cambios de alquilo [1,5] en un compuesto de cadena abierta. [4] Sin embargo, se han realizado varios estudios para determinar las preferencias de velocidad para los cambios de alquilo [1,5] en sistemas cíclicos: carbonilo y carboxilo > hidruro > fenilo y vinilo >> alquilo. [6] [7]
Los grupos alquilo sufren cambios [1,5] muy deficientemente y generalmente requieren altas temperaturas; sin embargo, para el ciclohexadieno , la temperatura para los cambios alquilo no es mucho más alta que la de los carbonilos, el mejor grupo migratorio. Un estudio demostró que esto se debe a que los cambios de alquilo en los ciclohexadienos se producen mediante un mecanismo diferente. Primero el anillo se abre, seguido de un desplazamiento [1,7] y luego el anillo se reforma electrocíclicamente : [8]
Este mismo proceso mecanicista se ve a continuación, sin la reacción electrocíclica final de cierre del anillo, en la interconversión de lumisterol en vitamina D 2 .
[1,7] Las reglas de Woodward-Hoffmann predicen que los cambios sigmatrópicos se desarrollarán de forma antarafacial, a través de un estado de transición de topología de Mobius. Se observa un cambio antarafacial [1,7] en la conversión de lumisterol en vitamina D 2 , donde después de que un anillo electrocíclico se abre a previtamina D 2 , se desplaza un hidrógeno metílico . [9]
Los nonatrienos bicíclicos también sufren cambios [1,7] en el llamado reordenamiento de caminata, [10] que es el cambio de un grupo divalente , como parte de un anillo de tres miembros, en una molécula bicíclica .
[3,3] los cambios sigmatrópicos son reordenamientos sigmatrópicos bien estudiados. Las reglas de Woodward-Hoffman predicen que estas reacciones de seis electrones se desarrollarían suprafacialmente, a través de un estado de transición de topología de Hückel.
Descubierto en 1912 por Rainer Ludwig Claisen , el reordenamiento de Claisen es el primer ejemplo registrado de un reordenamiento [3,3]-sigmatrópico. [11] [12] [13] Esta reordenación es una reacción útil de formación de enlaces carbono - carbono . Un ejemplo de transposición de Claisen es la transposición [3,3] de un alil vinil éter , que al calentarlo produce un carbonilo γ,δ-insaturado. La formación de un grupo carbonilo hace que esta reacción, a diferencia de otros reordenamientos sigmatrópicos, sea inherentemente irreversible.
El reordenamiento orto-Claisen implica el desplazamiento [3,3] de un éter alilfenilo a un intermedio que tautomeriza rápidamente a un fenol orto-sustituido .
Cuando ambas posiciones orto en el anillo de benceno están bloqueadas, se producirá una segunda reordenación [3,3]. Este reordenamiento de para-Claisen termina con la tautomerización a un fenol trisustituido.
El reordenamiento de Cope es una reacción orgánica ampliamente estudiada que involucra el reordenamiento sigmatrópico [3,3] de 1,5-dienos. [14] [15] [16] Fue desarrollado por Arthur C. Cope . Por ejemplo, el 3,4-dimetil-1,5-hexadieno calentado a 300 °C produce 2,6-octadieno.
En el reordenamiento oxi-Cope , se agrega un grupo hidroxilo en C3 formando una enal o enona después de la tautomerización ceto-enol del enol intermedio: [17]
El reordenamiento de Carroll es una reacción de reordenamiento en química orgánica e implica la transformación de un éster β- cetoalílico en un ácido α-alil-β-cetocarboxílico. [18] Esta reacción orgánica va acompañada de descarboxilación y el producto final es una γ,δ-alilcetona. El reordenamiento de Carroll es una adaptación del reordenamiento de Claisen y efectivamente una alilación descarboxilativa .
La síntesis de indol de Fischer es una reacción química que produce el indol heterociclo aromático a partir de una fenilhidrazina (sustituida) y un aldehído o cetona en condiciones ácidas . [19] [20] La reacción fue descubierta en 1883 por Hermann Emil Fischer .
La elección del catalizador ácido es muy importante. Se han utilizado con éxito ácidos de Brønsted como HCl , H2SO4 , ácido polifosfórico y ácido p- toluenosulfónico . Los ácidos de Lewis como el trifluoruro de boro , el cloruro de zinc , el cloruro de hierro (III) y el cloruro de aluminio también son catalizadores útiles.
Se han publicado varias reseñas. [21] [22] [23]
De manera similar a los cambios [3,3], las reglas de Woodward-Hoffman predicen que los cambios sigmatrópicos [5,5] procederían suprafacialmente, estado de transición de la topología de Hückel. Estas reacciones son más raras que los cambios sigmatrópicos [3,3], pero esto es principalmente una función del hecho de que las moléculas que pueden sufrir cambios [5,5] son más raras que las moléculas que pueden sufrir cambios [3,3]. [4]
![[5,5] desplazamiento de fenil pentadienil éter](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/25/5,5shiftfixeds.png/1280px-5,5shiftfixeds.png)
Un ejemplo de reordenamiento 2,3-sigmatrópico es el reordenamiento 2,3-Wittig :
La migración de un grupo divalente, como O , S , N –R o C–R 2 , que forma parte de un anillo de tres miembros en una molécula bicíclica, se denomina comúnmente reordenamiento de caminata. Esto se puede caracterizar formalmente según las reglas de Woodward-Hofmann como un desplazamiento sigmatrópico (1, n). [24] Un ejemplo de tal reordenamiento es el cambio de sustituyentes en tropilidenos (1,3,5-cicloheptatrienos). Cuando se calienta, el sistema pi pasa por un anillo electrocíclico que se cierra para formar bicicleta[4,1,0]heptadieno (norcaradieno). A continuación sigue un desplazamiento de alquilo [1,5] y una apertura del anillo electrocíclico.
Al proceder a través de un cambio [1,5], se espera que la reordenación de la marcha de los norcaradienos se desarrolle suprafacialmente con una retención de la estereoquímica. Sin embargo, las observaciones experimentales muestran que los desplazamientos de 1,5 de los norcaradienos se producen antarafacialmente. [25] Los cálculos teóricos encontraron que el cambio [1,5] es un proceso diradical , pero sin involucrar ningún mínimo diradical en la superficie de energía potencial . [26]