Un ion oxocarbenio (o ion oxacarbenio ) es una especie química caracterizada por un carbono central con hibridación sp 2 , un sustituyente de oxígeno y una carga positiva general que está deslocalizada entre los átomos centrales de carbono y oxígeno. [1] Un ion oxocarbenio está representado por dos estructuras de resonancia limitantes, una en forma de ion carbenio con carga positiva en el carbono y la otra en forma de especie de oxonio con carga formal en oxígeno. Como híbrido de resonancia, la verdadera estructura se encuentra entre los dos. En comparación con los compuestos carbonílicos neutros como las cetonas o los ésteres, la forma del ion carbenio contribuye más a la estructura. Son intermediarios reactivos comunes en la hidrólisis de enlaces glicosídicos y son una estrategia comúnmente utilizada para la glicosilación química . Desde entonces, estos iones se han propuesto como intermediarios reactivos en una amplia gama de transformaciones químicas y se han utilizado en la síntesis total de varios productos naturales. Además, suelen aparecer en mecanismos de biosíntesis catalizada por enzimas e hidrólisis de carbohidratos en la naturaleza. Las antocianinas son colorantes naturales de flavilio , que son compuestos de oxocarbenio estabilizados. Las antocianinas son responsables de los colores de una amplia variedad de flores comunes como los pensamientos y plantas comestibles como la berenjena y el arándano .
La mejor estructura de Lewis para un ion oxocarbenio contiene un doble enlace oxígeno-carbono , con el átomo de oxígeno unido a un grupo adicional y, en consecuencia, adquiriendo una carga formal positiva. En el lenguaje de las estructuras canónicas (o "resonancia"), la polarización del enlace π se describe mediante una forma de resonancia carbocatiónica secundaria, con una carga formal positiva en el carbono (ver arriba). En términos de teoría de orbitales moleculares de frontera , el orbital molecular desocupado más bajo (LUMO) del ion oxocarbenio es un orbital π* que tiene el lóbulo grande en el átomo de carbono; cuanto más electronegativo el oxígeno aporta menos al LUMO. En consecuencia, en caso de ataque nucleofílico , el carbono es el sitio electrófilo . En comparación con una cetona , la polarización de un ion oxocarbenio se acentúa: se parecen más a un carbocatión "verdadero" y son más reactivos hacia los nucleófilos. En las reacciones orgánicas, las cetonas se activan comúnmente mediante la coordinación de un ácido de Lewis o un ácido de Brønsted con el oxígeno para generar un ion oxocarbenio como intermediario.
Numéricamente, una carga parcial típica (derivada de los cálculos de Hartree-Fock) para el carbono carbonilo de una cetona R 2 C=O (como la acetona) es δ+ = 0,51. Con la adición de un hidrógeno ácido al átomo de oxígeno para producir [R 2 C=OH] + , la carga parcial aumenta a δ+ = 0,61. En comparación, los análogos de nitrógeno de las cetonas y los iones de oxocarbenio, iminas (R 2 C=NR) e iones de iminio ([R 2 C=NRH] + ), respectivamente, tienen cargas parciales de δ+ = 0,33 y δ+ = 0,54, respectivamente. Por tanto, el orden de carga positiva parcial en el carbono carbonilo es imina < cetona < iminio < oxocarbenio.
Este es también el orden de electrofilicidad para especies que contienen enlaces C=X (X = O, NR). Este orden es sintéticamente significativo y explica, por ejemplo, por qué las aminaciones reductoras a menudo se llevan a cabo mejor a pH = 5 a 6 usando cianoborohidruro de sodio (Na + [H 3 B(CN)] − ) o triacetoxiborohidruro de sodio (Na + [HB( OAc) 3 ] − ) como reactivo. Al tener un grupo aceptor de electrones, el cianoborohidruro de sodio y el triacetoxiborohidruro de sodio son agentes reductores más pobres que el borohidruro de sodio y su reacción directa con las cetonas es generalmente un proceso lento e ineficaz. Sin embargo, el ion iminio (pero no la imina en sí) formado in situ durante una reacción de aminación reductora es un electrófilo más fuerte que el material de partida cetona y reaccionará con la fuente de hidruro a una velocidad sintéticamente útil. Es importante destacar que la reacción se lleva a cabo en condiciones ligeramente ácidas que protonan la imina intermedia en un grado significativo, formando el ion iminio, aunque no es lo suficientemente ácida como para protonar la cetona, que formaría el ion oxocarbenio aún más electrófilo. Por lo tanto, las condiciones de reacción y el reactivo aseguran que la amina se forme selectivamente a partir de la reducción de iminio, en lugar de la reducción directa del grupo carbonilo (o su forma protonada) para formar un alcohol.
La formación de iones de oxocarbenio puede ocurrir a través de varias vías diferentes. Más comúnmente, el oxígeno de una cetona se unirá a un ácido de Lewis , que activa la cetona, convirtiéndola en un electrófilo más eficaz. El ácido de Lewis puede estar formado por una amplia gama de moléculas, desde un simple átomo de hidrógeno hasta complejos metálicos. Sin embargo, el resto de este artículo se centrará en los iones de alquiloxocarbenio, donde el átomo añadido al oxígeno es un carbono. Una forma en que se formará este tipo de ion es la eliminación de un grupo saliente . En la química de los carbohidratos, este grupo saliente suele ser un éter o éster . Una alternativa a la eliminación es la desprotonación directa de la molécula para formar el ion; sin embargo, esto puede ser difícil y requerir bases fuertes para lograrlo.
La estereoquímica involucrada en las reacciones de anillos de cinco miembros puede predecirse mediante un modelo de estado de transición de envoltura. Los nucleófilos prefieren la suma desde el "interior" del sobre, o desde la parte superior de la figura de la derecha. La adición "interior" produce una conformación escalonada , en lugar de la conformación eclipsada que resulta de la adición "exterior". [2]
El modelo de estado de transición para un anillo de oxocarbenio de seis miembros fue propuesto anteriormente en 1992 por Woods et al. [3] La estrategia general para determinar la estereoquímica de una adición nucleofílica a un anillo de seis miembros sigue un procedimiento similar al caso del anillo de cinco miembros. La suposición que se hace para este análisis es que el anillo tiene la misma conformación que el ciclohexeno , con tres carbonos y el oxígeno en un plano con los otros dos átomos de carbono fruncidos fuera del plano, con uno arriba y otro abajo (ver la figura de la derecha). En función de los sustituyentes presentes en el anillo, se determina la conformación de menor energía, teniendo en cuenta los efectos estéricos y estereoelectrónicos (consulte la sección siguiente para obtener una discusión sobre los efectos estereoelectrónicos en los anillos de oxocarbenio). Una vez establecida esta conformación, se puede considerar la adición nucleofílica. La adición procederá a través del estado de transición de silla de baja energía, en lugar del estado de torsión de energía relativamente alta. Un ejemplo de este tipo de reacción se puede ver a continuación. El ejemplo también destaca cómo el efecto estereoelectrónico ejercido por un sustituyente electronegativo invierte la conformación de menor energía y conduce a una selectividad opuesta. [4]
En un anillo de alqueno que no contiene un átomo de oxígeno, cualquier sustituyente grande prefiere estar en una posición ecuatorial, para minimizar los efectos estéricos . Se ha observado en anillos que contienen iones oxocarbenio que los sustituyentes electronegativos prefieren las posiciones axial o pseudoaxial. Cuando el átomo electronegativo está en posición axial, su densidad electrónica puede donarse a través del espacio al átomo de oxígeno cargado positivamente en el anillo. [5] Esta interacción electrónica estabiliza la conformación axial. Los grupos hidroxilo , éteres y halógenos son ejemplos de sustituyentes que presentan este fenómeno. Se deben tener en cuenta los efectos estereoelectrónicos al determinar la conformación de energía más baja en el análisis de la adición nucleofílica a un ion oxocarbenio. [4] [6]
En síntesis orgánica, los iones vinilo oxocarbenio (estructura a la derecha) se pueden utilizar en una amplia gama de reacciones de cicloadición . Se emplean comúnmente como dienófilos en la reacción de Diels-Alder . A menudo se agrega una cetona aceptora de electrones al dienófilo para aumentar la velocidad de la reacción, [7] y estas cetonas a menudo se convierten en iones de vinilo oxocarbenio durante la reacción [8]. No está claro si necesariamente se formará un ión de oxocarbenio, pero Roush y sus colaboradores demostraron el intermedio de oxocarbenio en la ciclación que se muestra a continuación. En esta reacción se observaron dos productos, que sólo podrían formarse si el anillo de oxocarbenio está presente como intermedio. [9] También se han informado cicloadiciones [4+3], [2+2], [3+2] y [5+2] con intermedios de oxocarbenio. [8]
Se han aprovechado los iones quirales de oxocarbenio para llevar a cabo reacciones de adición de acetato aldólico altamente diastereoselectivas y enantioselectivas. [10] El ion oxocarbenio se utiliza como electrófilo en la reacción. Cuando el grupo metilo aumenta de tamaño, aumenta la diastereoselevtividad.
Los iones de oxocarbenio se han utilizado en síntesis total en varias ocasiones. Se sintetizó una subunidad principal de (+)-clavosolide con una reducción de un anillo de oxocarbenio de seis miembros. Todos los sustituyentes grandes se encontraron en una posición ecuatorial y la transformación pasó por el estado de transición de silla, como se predijo. [11]
Un segundo ejemplo se ve en el paso clave de la síntesis de (-)-neopeltolida, que utiliza otra reducción del anillo de oxocarbenio de seis miembros para una adición diastereoselectiva de hidruro. [12]
En los sistemas biológicos, los iones de oxocarbenio se observan principalmente durante las reacciones de los carbohidratos . Dado que los azúcares están presentes en la estructura de los ácidos nucleicos , con un azúcar ribosa presente en el ARN y una desoxirribosa presente en la estructura del ADN , su química juega un papel importante en una amplia gama de funciones celulares de los ácidos nucleicos. Además de sus funciones en los nucleótidos, los azúcares también se utilizan para componentes estructurales de los organismos, como moléculas de almacenamiento de energía, moléculas de señalización celular, modificación de proteínas y desempeñan funciones clave en el sistema inmunológico , la fertilización , la prevención de la patogénesis , la coagulación sanguínea y el desarrollo . [13] La abundancia de la química del azúcar en los procesos biológicos hace que muchos mecanismos de reacción procedan a través de iones de oxocarbenio. En esta sección se describen varias reacciones biológicas importantes que utilizan iones de oxocarbenio.
Los nucleótidos pueden sufrir una ciclación intramolecular catalizada por enzimas para producir varias moléculas biológicas importantes. Estas ciclaciones suelen realizarse a través de un intermediario de oxocarbenio. Un ejemplo de esta reacción se puede ver en la ciclación de la ADP ribosa cíclica , que es una molécula importante para la señalización del calcio intracelular . [14]
Una glicosidasa es una enzima que cataliza la ruptura de un enlace glicosídico para producir dos azúcares más pequeños. Este proceso tiene implicaciones importantes en la utilización de la energía almacenada, como el glucógeno en los animales, así como en la descomposición de la celulosa por parte de organismos que se alimentan de plantas. En general, los residuos de ácido aspártico o glutámico en el sitio activo de la enzima catalizan la hidrólisis del enlace glicosídico. El mecanismo de estas enzimas implica un ion intermedio oxocarbenio, del cual se muestra un ejemplo general a continuación. [15]
