La oxidación con dioxiranos se refiere a la introducción de oxígeno en moléculas orgánicas a través de la acción de un dioxirano . Los dioxiranos son bien conocidos por su oxidación de alquenos a epóxidos; sin embargo, también son capaces de oxidar otras funciones insaturadas, heteroátomos y enlaces CH de alcanos. [1]
Los dioxiranos pueden producirse mediante la acción de KHSO 5 sobre compuestos carbonílicos. Debido a su orbital σ* OO bajo , son oxidantes altamente electrofílicos y reaccionan con grupos funcionales insaturados, enlaces YH (que producen productos de inserción de oxígeno) y heteroátomos. [2] Los dioxiranos más comunes empleados para la síntesis orgánica son el dimetildioxirano (DMD) y el trifluorometil-metildioxirano (TFD). Este último es eficaz para oxidaciones quimioselectivas de enlaces CH y Si-H. [3] Aunque esta clase de reactivos es más famosa por la epoxidación de alquenos, los dioxiranos también se han utilizado ampliamente para otros tipos de oxidaciones.
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Las epoxidaciones de alquinos y alenos se producen mediante mecanismos concertados análogos a las epoxidaciones de alquenos simples. [4] A menudo, estos productos epoxidados son inestables y experimentan reacciones de oxidación adicionales a través de mecanismos diferentes, como la inserción de YH.
Los estudios cinéticos de oxidaciones de heteroátomos han demostrado que sus mecanismos probablemente se producen mediante un proceso S N 2 , en lugar de una vía de transferencia de un solo electrón. Un ejemplo de oxidación de heteroátomos es la descomposición nucleofílica de DMD por N -óxidos, una reacción secundaria que regenera el material de partida reducido y convierte el agente oxidante en dioxígeno y acetona. [5]
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En cuanto al mecanismo de oxidación de CH y Si-H, se han propuesto dos mecanismos. El debate se centra en si la oxidación se produce mediante inserción concertada de tipo oxenoide o mediante intermediarios radicales. Una gran cantidad de evidencia (incluidas oxidaciones análogas de alquenos y epoxidación de perácidos ) apoya el mecanismo concertado; [6] sin embargo, se han realizado observaciones recientes de reactividad radical. La retención completa de la configuración en oxidaciones de alcanos quirales descarta la participación de radicales libres, no enjaulados. Sin embargo, se han observado productos de vías de descomposición radical en algunas oxidaciones de DMD, lo que sugiere intermediarios radicales. [7]
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Las oxidaciones enantioselectivas de dioxiranos pueden depender de dioxiranos quirales no racémicos, como el dioxirano basado en fructosa de Shi . La oxidación enantioselectiva de meso -dioles con el catalizador de Shi, por ejemplo, produce α-hidroxicetonas quirales con enantioselectividad moderada. [8]
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Los dioxiranos oxidan una amplia variedad de grupos funcionales. En esta sección se describe el alcance del sustrato de la epoxidación de dioxiranos y los productos que resultan con mayor frecuencia.
Las oxidaciones de alquinos, alenos, arenos y otras funciones insaturadas únicas pueden producir epóxidos u otros productos oxidados. La oxidación de alenos produce dióxidos de aleno o productos de participación intramolecular. [9] También se observaron cantidades menores de productos secundarios derivados de oxidación o reordenamiento adicional.
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En las oxidaciones de compuestos heteroaromáticos, los productos obtenidos dependen de las condiciones de reacción. Así, a bajas temperaturas, los indoles acetilados se epoxidan simplemente con un alto rendimiento (los indoles desprotegidos sufren una oxidación en N). Sin embargo, cuando la temperatura se eleva a 0 °C, se obtienen productos reordenados. [10]
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El DMD puede oxidar heteroátomos para formar los óxidos correspondientes (o productos de descomposición de óxidos). A menudo, los resultados de estas oxidaciones dependen de las condiciones de reacción. Las aminas terciarias producen de forma limpia los N-óxidos correspondientes. [11] Las aminas primarias producen nitroalcanos tras el tratamiento con 4 equivalentes de DMD, pero compuestos azoxi tras el tratamiento con solo 2 equivalentes. [12] Las aminas secundarias producen hidroxilaminas o nitronas. [13]
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La oxidación de aniones nitronato, generados in situ a partir de nitroalcanos, conduce a compuestos carbonílicos en un ejemplo de una reacción oxidativa Nef . [14]
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La oxidación de sulfuro en presencia de un único equivalente de DMD produce sulfóxidos. [15] Aumentar la cantidad de DMD utilizada (2 o más equivalentes) produce sulfonas. Tanto el nitrógeno como el azufre son más susceptibles a la oxidación que los enlaces múltiples carbono-carbono.
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Aunque los alcanos suelen ser difíciles de funcionalizar directamente, la inserción de CH con TFD es un proceso eficiente en muchos casos. El orden de reactividad de los enlaces CH es: alílico > bencílico > terciario > secundario > primario. A menudo, los alcoholes intermedios producidos se oxidan aún más a compuestos carbonílicos, aunque esto se puede evitar mediante la captura in situ con un anhídrido. Los alcanos quirales se funcionalizan manteniendo la configuración. [16]
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Los dioxiranos oxidan los alcoholes primarios a aldehído o ácido carboxílico; [17] sin embargo, el DMD oxida selectivamente los alcoholes secundarios en lugar de los primarios. Por lo tanto, los dioles vecinales pueden transformarse en α-hidroxicetonas con oxidación de dioxiranos. [18]
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La epoxidación suele ser más fácil que la oxidación de CH, aunque los grupos alilo impedidos estéricamente pueden sufrir una oxidación selectiva de CH en lugar de la epoxidación del doble enlace alílico. [19]
Se conocen diversos reactivos alternativos de oxidación de heteroátomos, incluidos los peróxidos (que suelen emplearse con un catalizador de metal de transición) y las oxaziridinas . Estos reactivos no sufren los problemas de sobreoxidación y descomposición asociados con los dioxiranos; sin embargo, su alcance de sustrato tiende a ser más limitado. La descomposición nucleófila de los dioxiranos en oxígeno singlete es un problema único asociado con las oxidaciones de heteroátomos de dioxiranos. Aunque los dioxiranos quirales no proporcionan los mismos niveles de enantioselectividad que otros protocolos, como el sistema de sulfoxidación de Kagan, [20] la formación de complejos en un complejo de metal de transición quiral seguida de oxidación proporciona sulfóxidos ópticamente activos con buena enantioselectividad.
La oxidación de arenos y cumulenos conduce inicialmente a epóxidos. Estos sustratos son resistentes a muchos reactivos de epoxidación, incluyendo oxaziridinas, peróxido de hidrógeno y compuestos oxo de manganeso. Los oxidantes organometálicos también reaccionan lentamente con estos compuestos, con la excepción del metiltrioxorrenio . [21] Los perácidos también reaccionan con arenos y cumulenos, pero no pueden emplearse con sustratos que contienen funcionalidad sensible al ácido.
La funcionalización oxidativa directa de los enlaces CH es un problema constante en la química de la oxidación. Entre los sistemas libres de metales, los dioxiranos son los mejores oxidantes para la conversión de enlaces CH en alcoholes o carbonilos. Sin embargo, algunos sistemas catalíticos de metales de transición, como el sistema de paladio-sulfóxido de White, son capaces de oxidar enlaces CH de forma selectiva. [22]