En química orgánica , un cicloalquino es el análogo cíclico de un alquino ( −C≡C− ). Un cicloalquino consiste en un anillo cerrado de átomos de carbono que contiene uno o más enlaces triples . Los cicloalquinos tienen una fórmula general C n H 2 n −4 . Debido a la naturaleza lineal de la unidad alquina C−C≡C−C , los cicloalquinos pueden estar altamente deformados y solo pueden existir cuando el número de átomos de carbono en el anillo es lo suficientemente grande como para proporcionar la flexibilidad necesaria para acomodar esta geometría . Los carbociclos grandes que contienen alquinos pueden estar virtualmente libres de deformaciones, mientras que los constituyentes más pequeños de esta clase de moléculas pueden experimentar tanta deformación que aún no se han observado experimentalmente. [1] El ciclooctino ( C 8 H 12 ) es el cicloalquino más pequeño capaz de aislarse y almacenarse como un compuesto estable. [2] A pesar de esto, se pueden producir cicloalquinos más pequeños y atraparlos a través de reacciones con otras moléculas orgánicas o mediante la formación de complejos con metales de transición .
Debido a las importantes restricciones geométricas impuestas por la funcionalidad R−C≡C−R , los cicloalquinos más pequeños que el ciclodecino ( C 10 H 16 ) dan como resultado estructuras altamente deformadas. Mientras que el ciclononino ( C 9 H 14 ) y el ciclooctino ( C 8 H 12 ) son compuestos aislables (aunque fuertemente reactivos), el cicloheptino ( C 7 H 10 ), el ciclohexino ( C 6 H 8 ) y el ciclopentino ( C 5 H 6 ) solo existen como intermediarios de reacción transitorios o como ligandos que se coordinan con un centro metálico. [3] Hay poca evidencia experimental que respalde la existencia del ciclobutino ( C 4 H 4 ) o el ciclopropino ( C 3 H 2 ), aparte de los estudios que informan el aislamiento de un complejo de osmio con ligandos de ciclobutino. [4] Los estudios iniciales que demostraron la intermediación transitoria de los cicloalquinos de siete, seis y cinco miembros se basaron en la captura del alquino de alta energía con un compañero de reacción adecuado, como un dieno cíclico o compuestos diazo para generar los productos de cicloadición Diels-Alder o diazoalcano 1,3-dipolar , respectivamente. [5] Los cicloalquinos estables de anillo pequeño se han aislado posteriormente en complejos con varios metales de transición como níquel , paladio y platino . [6] A pesar de que durante mucho tiempo se los consideró curiosidades químicas con aplicaciones sintéticas limitadas, trabajos recientes han demostrado la utilidad de los cicloalquinos deformados tanto en la síntesis total de productos naturales complejos como en la química bioortogonal . [7] [8]
La deformación angular en los cicloalquinos surge de la deformación del ángulo de enlace R−C≡C que debe ocurrir para acomodar la geometría molecular de los anillos que contienen menos de diez carbonos. Las energías de deformación asociadas con el ciclononino ( C 9 H 14 ) y el ciclooctino ( C 8 H 12 ) son aproximadamente 2,9 kcal/mol y 10 kcal/mol, respectivamente. [9] Esta tendencia ascendente en la energía para los constituyentes aislables de esta clase es indicativa de una rápida escalada de la deformación angular con una correlación inversa al tamaño del anillo. El análisis por espectroscopia fotoelectrónica ha indicado que el enlace alquino en sistemas cíclicos pequeños está compuesto por dos enlaces π no degenerados : un enlace deformado altamente reactivo perpendicular a un enlace π de menor energía. [10] La flexión cis del ángulo de enlace R−C≡C da como resultado una reducción drástica de la energía del orbital molecular desocupado más bajo , un fenómeno que explica la reactividad de los cicloalquinos tensos desde la perspectiva de la teoría de orbitales moleculares . [11]
Los primeros intentos de síntesis de cicloalquinos deformados demostraron que se podían generar cicloalquinos mediante la eliminación de ácido clorhídrico a partir de 1-cloro-cicloalqueno con un rendimiento moderado. El producto deseado se podía obtener como una mezcla con el aleno correspondiente como producto principal. [12]
Los trabajos posteriores en esta área apuntaron a desarrollar condiciones de reacción más suaves y generar rendimientos más robustos. Para evitar la generación del aleno no deseado, se adaptó el método Kobayashi para la generación de arinos para la síntesis de cicloalquinos. [13]
Más recientemente, Fujita desarrolló un método superior para generar cicloalquinos deformados. Este método implica la eliminación β inducida por bases de sales de vinil yodonio . El vinil yodonio demostró ser un precursor sintético particularmente útil para los cicloalquinos deformados debido a su alta reactividad, que surge de la fuerte capacidad de atracción de electrones de las especies de yodo con carga positiva, así como de la capacidad del iodonio para formar grupos salientes . [14]
Además de las vías de eliminación descritas, los cicloalquinos también pueden obtenerse mediante la oxidación de bishidrazonas cíclicas con óxido de mercurio [15] o tetraacetato de plomo [3] así como mediante la descomposición térmica del selenadiazol. [16]
Los cicloalquinos deformados pueden experimentar todas las reacciones de adición típicas de los alquinos de cadena abierta. Debido a la naturaleza activada del triple enlace carbono-carbono cíclico, muchas reacciones de adición de alquinos, como las de Diels-Alder, las cicloadiciones 1,3-dipolares y la halogenación, pueden llevarse a cabo utilizando condiciones muy suaves y en ausencia de los catalizadores que se requieren con frecuencia para acelerar la transformación en un sistema no cíclico. Además de la reactividad de los alquinos, los cicloalquinos pueden experimentar una serie de transformaciones únicas y sintéticamente útiles.
Un modo de reactividad particularmente intrigante es la inserción de anillo de ciclohexino en cetonas cíclicas . La reacción se inicia mediante la generación mediada por alcóxido de la especie reactiva de cicloalquino in situ, seguida de la α- desprotonación de la cetona para producir el enolato correspondiente. Los dos compuestos luego experimentan una [2+2]-fotocicloadición formal para producir un intermedio de ciclobutanolato altamente inestable que se descompone fácilmente en el producto enona . [17]
Esta reacción se utilizó como paso clave en la síntesis total de guanacastapenos O y N de Carreira. Permitió la construcción conveniente del sistema de anillo 5-7-6 y proporcionó elementos sintéticos útiles para la funcionalización posterior. [18] [19]
La ciclooctina, el cicloalquino aislable más pequeño, es capaz de experimentar la cicloadición de Huisgen de azida -alquino en condiciones fisiológicas suaves en ausencia de un catalizador de cobre (I) debido a la tensión. Esta reacción ha encontrado una amplia aplicación como transformación bioortogonal para la obtención de imágenes de células vivas. [20] Aunque ya se conocía la variante suave de la reacción catalizada por cobre, CuAAC (cicloadición de azida-alquino catalizada por cobre) con alquinos lineales, el desarrollo de la reacción sin cobre fue significativo porque proporcionó una reactividad fácil y eliminó la necesidad de un catalizador metálico tóxico. [21]