En química orgánica , una reacción electrocíclica es un tipo de reordenamiento pericíclico donde el resultado neto es la conversión de un enlace pi en un enlace sigma o viceversa. [1] Estas reacciones suelen clasificarse según los siguientes criterios:
La reacción de ciclización de Nazarov es una reacción electrocíclica que convierte divinilcetonas en ciclopentenonas.
Un ejemplo clásico es la reacción de apertura térmica del anillo del 3,4-dimetilciclobuteno. El isómero cis produce exclusivamente cis,trans-hexa-2,4-dieno, mientras que el isómero trans produce el dieno trans,trans: [2]
Este proceso de reacción se puede explicar mediante un análisis simple mediante el método de los orbitales de frontera : el enlace sigma del reactivo se abrirá de tal manera que los orbitales p resultantes tendrán la misma simetría que el HOMO del producto (un hexadieno ). La única forma de lograr esto es mediante una apertura de anillo conrotatorio que da como resultado fases opuestas para los lóbulos terminales.
Al realizar una reacción electrocíclica, a menudo es deseable predecir la geometría cis/trans del producto de la reacción. El primer paso en este proceso es determinar si una reacción se produce mediante conrotación o disrotación . La siguiente tabla muestra las reglas de selectividad para reacciones electrocíclicas térmicas y fotoquímicas.
En el ejemplo que se muestra a continuación, la reacción térmica del (trans,cis,trans)-octa-2,4,6-trieno se producirá mediante un mecanismo disrotatorio. Después de determinar el tipo de rotación, se puede determinar si el producto será cis o trans examinando la molécula de partida. En el ejemplo que se muestra a continuación, la disrotación hace que ambos metilos apunten hacia arriba, lo que hace que el producto sea cis -dimetilciclohexadieno.
Además, la torquoselectividad en una reacción electrocíclica se refiere a la dirección de rotación. Por ejemplo, una reacción que es conrotatoria puede rotar en dos direcciones, produciendo productos enantioméricos. Una reacción que es torquoselectiva restringe una de estas direcciones de rotación (parcial o completamente) para producir un producto en exceso enantiomérico .
Luego se pueden construir diagramas de correlación, que conectan los orbitales moleculares del reactivo con los del producto que tienen la misma simetría, para los dos procesos. [3]
Estos diagramas de correlación indican que solo se permite la simetría en una apertura de anillo conrotatorio del 3,4-dimetilciclobuteno, mientras que solo se permite la simetría en una apertura de anillo disrotatorio del 5,6-dimetilciclohexa-1,3-dieno. Esto se debe a que solo en estos casos se produciría la máxima superposición orbital en el estado de transición . Además, el producto formado estaría en un estado fundamental en lugar de un estado excitado.
Según la teoría de orbitales moleculares fronterizos, el enlace sigma en el anillo se abrirá de tal manera que los orbitales p resultantes tendrán la misma simetría que el HOMO del producto. [4]
En el caso del 5,6-dimetilciclohexa-1,3-dieno, solo un modo disrotatorio daría como resultado orbitales p con la misma simetría que el HOMO del hexatrieno. En cambio, en el caso del 3,4-dimetilciclobuteno, solo un modo conrotatorio daría como resultado orbitales p con la misma simetría que el HOMO del butadieno.
Si la apertura del anillo de 3,4-dimetilciclobuteno se llevara a cabo en condiciones fotoquímicas, la electrociclación resultante se produciría a través de un modo disrotatorio en lugar de un modo conrotatorio, como se puede ver en el diagrama de correlación para la reacción de apertura de anillo en estado excitado permitida.
Sólo un modo disrotatorio, en el que la simetría respecto de un plano de reflexión se mantiene durante toda la reacción, daría como resultado una superposición orbital máxima en el estado de transición. Además, una vez más, esto daría como resultado la formación de un producto que se encuentra en un estado excitado de estabilidad comparable al estado excitado del compuesto reactivo.
Las reacciones electrocíclicas ocurren con frecuencia en la naturaleza. [5] Una de las electrociclaciones más comunes es la biosíntesis de la vitamina D 3 .
El primer paso implica una apertura del anillo conrotatorio inducida fotoquímicamente del 7-deshidrocolesterol para formar previtamina D3. Luego, un desplazamiento del [1,7]-hidruro forma vitamina D3 .
Otro ejemplo es la biosíntesis propuesta de aranotina, una oxepina natural, y sus compuestos relacionados.
La epoxidación enzimática de la dicetopiperazina derivada de la fenilalanina forma el óxido de areno, que sufre una reacción de electrociclación de apertura de anillo disrotatoria 6π para producir la oxepina no ciclizada. Después de una segunda epoxidación del anillo, el nitrógeno nucleófilo cercano ataca al carbono electrófilo, formando un anillo de cinco miembros. El sistema de anillo resultante es un sistema de anillo común que se encuentra en la aranotina y sus compuestos relacionados.
El diterpenoide benzonorcaradieno (abajo a la izquierda) se reorganizó en el diterpenoide benzocicloheptatrieno isosalvipuberlina (derecha) al hervir una solución de cloruro de metileno. Esta transformación puede considerarse como una reacción electrocíclica disrotatoria, seguida de dos desplazamientos de hidrógeno 1,5-sigmatrópicos suprafaciales, como se muestra a continuación. [6]
Una reacción electrocíclica que se estudia con frecuencia es la apertura térmica conrotatoria del anillo de benzociclobuteno . El producto de la reacción es un orto-quinodimetano muy inestable, pero esta molécula puede quedar atrapada en una adición endo con un dienófilo fuerte, como el anhídrido maleico, al aducto de Diels-Alder . Se ha descubierto que el rendimiento químico para la apertura del anillo del benzociclobutano representado en el esquema 2 depende de la naturaleza del sustituyente R. [7] Con un disolvente de reacción como el tolueno y una temperatura de reacción de 110 °C, el rendimiento aumenta al pasar de metilo a isobutilmetilo a (trimetilsilil)metilo . La mayor velocidad de reacción del compuesto de trimetilsililo se puede explicar por la hiperconjugación de silicio , ya que el enlace βC-Si debilita el enlace CC del ciclobutano al donar electrones.
Se descubrió una reacción en cascada electrocíclica biomimética en relación con el aislamiento y la síntesis de ciertos ácidos endiándricos: [8] [9]
Las reacciones electrocíclicas asimétricas son un campo emergente en la síntesis orgánica contemporánea. Las reacciones más estudiadas en este campo son la síntesis de β-lactamas de Staudinger 4π [10] y la reacción de Nazarov 4π ; la catálisis asimétrica de ambas reacciones se ha controlado mediante el uso de un auxiliar quiral , y la reacción de Nazarov se ha realizado catalíticamente utilizando ácidos de Lewis quirales , ácidos de Brønsted y aminas quirales. [11]
