Trimerización de alquinos

Reacción química de tres alquinos para formar un anillo de benceno.

Una trimerización de alquino es una reacción de cicloadición [2+2+2]  en la que tres unidades de alquino ( C≡C ) reaccionan para formar un anillo de benceno . La reacción requiere un catalizador metálico . El proceso es de interés histórico y además es aplicable a la síntesis orgánica . ^[1] Al ser una reacción de cicloadición, tiene una alta economía de átomos . Se han desarrollado muchas variaciones, incluida la ciclización de mezclas de alquinos y alquenos , así como de alquinos y nitrilos .

Mecanismo y estereoquímica

La trimerización del acetileno a benceno es altamente exergónica y se produce con un cambio de energía libre de 142 kcal/mol a temperatura ambiente. Sin embargo, las barreras cinéticas impiden que la reacción se desarrolle sin problemas. El gran avance se produjo en 1948, cuando Walter Reppe y WJ Schweckendiek informaron de sus resultados obtenidos en tiempos de guerra, que demostraban que los compuestos de níquel son catalizadores eficaces: ^{[2] [3]}

${\displaystyle {\ce {3 RC2H -> C6R3H3}}}$

Desde este descubrimiento, se han informado muchas otras ciclotrimerizaciones. ^[4]

Mecanismo

En términos de mecanismo, las reacciones comienzan con la formación de complejos metal-alquino . La combinación de dos alquinos dentro de la esfera de coordinación produce un metalaciclopentadieno. ^[5] A partir del intermediario metalaciclopentadieno, se pueden considerar muchas vías, incluidos los metalocicloheptatrienos, los metalanorbornadienos y una estructura más complicada que presenta un ligando carbenoide. ^[4]

Mecanismo simplificado para la trimerización de alquinos catalizada por metales

Los catalizadores utilizados incluyen ciclopentadienilcobalto dicarbonilo y el catalizador de Wilkinson .

Estereoquímica y regioquímica

La trimerización de alquinos asimétricos produce dos bencenos isoméricos. Por ejemplo, el fenilacetileno produce tanto 1,3,5- como 1,2,4- C ₆ R ₃ H ₃ . El patrón de sustitución en torno al producto areno se determina en dos pasos: formación del intermediario metalociclopentadieno e incorporación del tercer equivalente de alquino . Se ha invocado el volumen estérico en los socios de acoplamiento del alquino y el catalizador como elementos controladores de la regioselectividad.

Tres intermedios propuestos en la trimerización de alquinos. ^[4]

Se han empleado catalizadores quirales en combinación con arinos para producir productos atropisoméricos no racémicos . ^[6]

Alcance y limitaciones

Los catalizadores para la ciclotrimerización son selectivos para los enlaces triples, lo que proporciona a la reacción un espectro de sustratos bastante amplio. Se toleran muchos grupos funcionales. La trimerización intermolecular regioselectiva de alquinos asimétricos sigue siendo un problema sin resolver. ^[4]

Tal vez el desarrollo más útil en esta área, al menos desde la perspectiva comercial, es la cotrimerización de nitrilos y alquinos. Esta reacción es una ruta práctica para obtener algunas piridinas sustituidas . ^[7]

^{Algunos catalizadores se desactivan mediante la formación de complejos η 4} estables de 18 electrones . Se ha observado que los complejos de ciclobutadieno , ciclohexadieno y areno son catalizadores inactivados fuera de ciclo. ^[8] Además de polímeros de alto orden y dímeros y trímeros, que se originan a partir de bajas regio- y quimioselectividades, se han observado productos secundarios de enino derivados de la dimerización de alquinos. Los catalizadores de rodio son particularmente hábiles para la formación de enino (ver a continuación). ^[9] Para la catálisis de níquel , la formación de anillos más grandes (particularmente ciclooctatetraeno ) puede ser un problema.

Aplicaciones sintéticas

La trimerización de alquinos no tiene valor práctico, aunque la reacción fue muy influyente. La cotrimerización de alquinos y nitrilos en presencia de catalizadores de organocobalto se ha comercializado para la producción de piridinas sustituidas. ^[10]

La ciclización que involucra sustratos en los que algunas o todas las unidades de alquino están unidas entre sí puede proporcionar sistemas de anillos fusionados. La longitud de la(s) unión(es) controla los tamaños de los anillos adicionales. La adición de un 1,5- diino con un alquino produce un benzociclobuteno , una estructura tensa que luego puede inducirse a experimentar reacciones adicionales. ^[11]

Las tres unidades de alquino se pueden unir, lo que lleva a la creación de tres anillos en un solo paso, y cada uno de los dos tamaños de anillo adicionales está controlado por las respectivas longitudes de unión. ^[12]

Los triinos abarrotados pueden ciclarse en productos que exhiben quiralidad helicoidal . En un ejemplo notable por la formación de tres nuevos anillos aromáticos en un paso, el triino mostrado se transforma en el producto helicoidal mediante tratamiento con ciclopentadienilcobalto dicarbonilo . ^[13] Hasta 2004, este proceso aún no se había vuelto asimétrico, ^{[¿ investigación original? ]} pero los productos se podían separar mediante HPLC quiral . ^[13] La ciclización realizada con un diino y un alquino separado proporciona un mayor control. ^{[ aclaración necesaria ]} Usando ciclopentadienilcobalto dicarbonilo disponible comercialmente , CpCo(CO) ₂ , como catalizador, el bis(trimetilsilil)acetileno (BTMSA) reaccionará con un benceno diino-1,2-disustituido para formar un sistema aromático de antroquinona : ^[14]

El benceno , generado in situ a partir de un anillo de benceno que lleva sustituyentes triflato y trimetilsililo distribuidos en orto , se puede utilizar para generar un arino en lugar de un acetileno y combinarlo con un diino adecuado. Un derivado de benceno de este tipo reacciona con 1,7-octadiino en presencia de un catalizador adecuado para generar un sistema de naftaleno. ^[15] Este es un ejemplo de una reacción de Diels-Alder hexadehidro .

La trimerización de tres moléculas de 2-butino (dimetilacetileno) produce hexametilbenceno . ^[16] La reacción está catalizada por tri-tetrahidrofuranato de trifenilcromo ^[17] o por un complejo de triisobutilaluminio y tetracloruro de titanio . ^[18]

La trimerización de tres moléculas de difenilacetileno produce hexafenilbenceno . La reacción está catalizada por dicobalto octacarbonilo . ^[19]

Comparación con otros métodos

La ciclotrimerización presenta una alternativa a la funcionalización de compuestos aromáticos preformados mediante sustitución electrofílica o nucleofílica , cuya regioselectividad a veces puede ser difícil de controlar.

Otros métodos para la formación directa de anillos aromáticos a partir de precursores insaturados sustituidos incluyen la reacción de Dötz , la benzanulación [4+2] catalizada por paladio de eninos con alquinos, ^[20] y la cicloadición [4+2] mediada por ácido de Lewis de eninos con alquinos. ^[21] La ciclización de especies transitorias de bencina con alquinos, catalizada por paladio, también puede producir compuestos aromáticos sustituidos. ^[22]

Lectura adicional

• Musso, F.; Solari, E.; Floriani, C. (1997). "Activación de hidrocarburos con haluros metálicos: tetracloruro de circonio que cataliza la reacción de Jacobsen y ayuda a la trimerización de alquinos mediante la formación de complejos η ⁶ -Arene−Zirconio(IV)". Organometallics . 16 (22): 4889. doi :10.1021/om970438g.
• Rodríguez, J. Gonzalo; Martín-Villamil, Rosa; Fonseca, Isabel (1997). "Ciclotrimerización y polimerización catalizada por tris(2,4-pentanedionato)vanadio de 4-(N,N-dimetilamino)feniletino: estructura de rayos X de 1,2,4-tris[4-(N,N -dimetilamino)fenil]benceno". Journal of the Chemical Society, Perkin Transactions 1 (6): 945–948. doi :10.1039/a605474i. ISSN  0300-922X.
• Sakurai, H.; Nakadaira, Y.; Hosomi, A.; Eriyama, Y.; Hirama, K.; Kabuto, C. (1984). "Química de compuestos de organosilicio. 193. Ciclotrimerización intramolecular de triinos macrocíclicos y acíclicos con carbonilos metálicos del Grupo 6. La formación de fulveno y benceno". J. Am. Chem. Soc . 106 (26): 8315. doi :10.1021/ja00338a063.
• Amer, I.; Bernstein, T.; Eisen, M.; Blum, J.; Vollhardt, KPC (1990). "Oligomerización de alquinos mediante el sistema catalizador RhCl ₃ -aliquat 336 Parte 1. Formación de derivados del benceno". J. Mol. Catal . 60 (3): 313. doi :10.1016/0304-5102(90)85254-F.
• Lee , CL; Hunt, CT; Balch, AL (1981). "Nuevas reacciones de enlaces metal-metal. Reacciones de Pd2 _{ ( _C6H5 ) _2PCH2P ( _C6H5 ) ₂ } _2Cl2 con _acetilenos , olefinas e isotiocianatos". Inorg . Chem . 20 (8): 2498. _{doi :} 10.1021/ _ic50222a026 .
• Aalten, HL; van Koten, G.; Riethorst, E.; Stam, CH (1989). "La reacción de Hurtley. 2. Nuevos complejos de acetilenos disustituidos con benzoatos de cobre(I) que tienen un enlace carbono-cloro o carbono-bromo reactivo en orto. Caracterización estructural por rayos X de tetrakis(2-clorobenzoato)bis(acetilendicarboxilato de dietilo)tetracobre(I)". Inorg. Chem . 28 (22): 4140. doi :10.1021/ic00321a020.
• Hardesty, JH; Koerner, JB; Albright, TA; Lee, GB (1999). "Estudio teórico de la trimerización de acetileno con CpCo". J. Am. Chem. Soc . 121 (25): 6055. doi :10.1021/ja983098e.
• Ozerov, OV; Patrick, BO; Ladipo, FT (2000). "Cicloadición [2 + 2 + 2] altamente regioselectiva de alquinos terminales catalizada por complejos η6-areno de titanio soportados por ligando de p-terc-butil calix[4]areno con puente de dimetilsililo". J. Am. Chem. Soc . 122 (27): 6423. doi :10.1021/ja994543o.

Referencias

1. Agenet, N.; Buisine, O.; Slowinski, F.; Gandon, V.; Aubert, C.; Malacria, M. (2007). "Cotrimerizaciones de compuestos acetilénicos". Org. React . 68 : 1–302. doi :10.1002/0471264180.or068.01. ISBN 978-0471264187.
2. Reppe, W.; Schweckendiek, WJ (1948). "Polimerización ciclista de acetilo. III Benzol, Benzolderivate und hydroaromatische Verbindungen". Liebigs Ann. química . 560 : 104-116. doi :10.1002/jlac.19485600104.
3. Reppe, W.; Vetter, H. (1953). "Carbonylierung VI. Synthesen mit Metallcarbonylwasserstoffen". Liebigs Ann. química . 585 : 133–161. doi :10.1002/jlac.19535820107.
4. Broere, Daniel LJ; Ruijter, Eelco (2012). "Avances recientes en reacciones de ciclo (co) trimerización [2 + 2 + 2] catalizadas por metales de transición". Síntesis . 44 (17): 2639–2672. doi :10.1055/s-0032-1316757.
5. Mamá, Wangyang; Yu, Chao; Chen, Tianyang; Xu, Ling; Zhang, Wen-Xiong; Xi, Zhenfeng (2017). "Metalciclopentadienos: síntesis, estructura y reactividad". Reseñas de la sociedad química . 46 (4): 1160-1192. doi :10.1039/C6CS00525J. ISSN  0306-0012. PMID  28119972.
6. Shibata, Takanori; Tsuchikama, Kyoji (2008). "Avances recientes en cicloadición enantioselectiva [2 + 2 + 2]". Química orgánica y biomolecular . 6 (8): 1317–1323. doi :10.1039/b720031e. ISSN  1477-0520. PMID  18385836.
7. Varela, Jesús; Saa, Carlos (20 de marzo de 2003). "Construcción de anillos de piridina mediante cicloadición [2 + 2 + 2] mediada por metales". Chemical Reviews . 103 (9): 3787–3802. doi :10.1021/cr030677f. PMID  12964884.
8. Kölle, U.; Alboroto, B. (1986). "Pentametilciclopentadienil-Übergangsmetall-Komplex, X. Neue Co-Komplexe aus η ⁵ -C ₅ Me ₅ Co-Fragmenten und Acetylenen". Química. Ber . 119 : 116-128. doi :10.1002/cber.19861190112.
9. Ardizzoia, GA; Brenna, S.; Cenini, S.; LaMonica, G.; Masciocchi, N.; Maspero, A. (2003). "Oligomerización y polimerización de alquinos catalizada por complejos de pirazolato de rodio (I)". J. Mol. Catal. A: Chemical . 204–205: 333–340. doi :10.1016/S1381-1169(03)00315-7.
10. Shimizu, S.; Watanabe, N.; Kataoka, T.; Shoji, T.; Abe, N.; Morishita, S.; Ichimura, H. "Piridina y derivados de piridina". Enciclopedia de química industrial de Ullmann . Weinheim: Wiley-VCH. doi :10.1002/14356007.a22_399. ISBN 978-3527306732.
11. Vollhardt, K. Peter C. (1984). "Cicloadiciones [2+2+2] asistidas por cobalto: una estrategia de síntesis que madura". Angewandte Chemie . 96 (8): 525–41. doi :10.1002/ange.19840960804.
12. Neeson, SJ; Stevenson, PJ (1988). "Cicloadiciones [2+2+2] catalizadas por rodio: una ruta regioespecífica eficiente para la calomelanolactona". Tetrahedron Lett . 29 (7): 813. doi :10.1016/S0040-4039(00)80217-8.
13. Teply, F.; Stara, IG; Stary, I.; Kollarovic, A.; Saman, D.; Rulisek, L.; Fiedler, P. (2002). "Síntesis de 5-, 6- y 7-heliceno mediante isomerización de cis,cis-dienotriinos aromáticos catalizada por Ni(0) o Co(I)". J. Am. Chem. Soc . 124 (31): 9175–80. doi :10.1021/ja0259584. PMID  12149022.
14. Hillard, RL; Vollhardt, KPC (1977). "Benzociclobutenos sustituidos, indanos y tetralinas mediante cooligomerización catalizada por cobalto de α,ω-diinos con acetilenos sustituidos. Formación y utilidad sintética de benzocicloalquenos trimetilsililados". Revista de la Sociedad Química Americana . 99 (12): 4058–4069. doi :10.1021/ja00454a026.
15. Hsieh, J.-C.; Cheng, C.-H. (2005). "Cociclotrimerización catalizada por níquel de arinos con diinos; un nuevo método para la síntesis de derivados de naftaleno". Chemical Communications . 2005 (19): 2459–2461. doi :10.1039/b415691a. PMID  15886770.
16. Weber, SR; Brintzinger, HH (1977). "Reacciones de bis(hexametilbenceno)hierro(0) con monóxido de carbono y con hidrocarburos insaturados". J. Organomet. Chem. 127 (1): 45–54. doi :10.1016/S0022-328X(00)84196-0. hdl : 2027.42/22975 .
17. Zeiss, HH; Herwig, W. (1958). "Complejos π acetilénicos de cromo en síntesis orgánica". J. Am. Chem. Soc. 80 (11): 2913. doi :10.1021/ja01544a091.
18. Franzus, B.; Canterino, PJ; Wickliffe, RA (1959). "Complejo de tetracloruro de titanio y trialquilaluminio: un catalizador de ciclación para compuestos acetilénicos". J. Am. Chem. Soc. 81 (6): 1514. doi :10.1021/ja01515a061.
19. Vij, V.; Bhalla, V.; Kumar, M. (8 de agosto de 2016). "Hexaarilbenceno: evolución de las propiedades y aplicaciones de un andamiaje polivalente". Chemical Reviews . 116 (16): 9565–9627. doi :10.1021/acs.chemrev.6b00144.
20. Gevorgyan, V.; Takeda, A.; Homma, M.; Sadayori, N.; Radhakrishnan, U.; Yamamoto, Y. (1999). "Reacción de benzanulación cruzada [4+2] catalizada por paladio de eninas conjugadas con diinas y triinas". J. Am. Chem. Soc . 121 (27): 6391. doi :10.1021/ja990749d.
21. Wills, MSB; Danheiser, RL (1998). "Reacciones de cicloadición intramolecular [4 + 2] de ynones conjugados. Formación de furanos policíclicos mediante la generación y reordenamiento de alenos heterocíclicos deformados". J. Am. Chem. Soc . 120 (36): 9378. doi :10.1021/ja9819209.
22. Sato, Y.; Tamura, T.; Mori, M. (2004). "Lignanos de arilnaftaleno a través de la cociclización 2+2+2 de arinos y diinos catalizada por Pd: síntesis total de las taiwaninas C y E". Angew. Chem. Int. Ed. Engl . 43 (18): 2436–40. doi :10.1002/anie.200453809. PMID  15114584.