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Síntesis de pirrol de Knorr

La síntesis de pirrol de Knorr es una reacción química ampliamente utilizada que sintetiza pirroles sustituidos (3) . [1] [2] [3] El método implica la reacción de una α- aminocetona ( 1) y un compuesto que contiene un grupo aceptor de electrones (por ejemplo, un éster como se muestra) α con un grupo carbonilo (2) . [4]

La síntesis del pirrol de Knorr.
La síntesis del pirrol de Knorr.

Método

El mecanismo requiere zinc y ácido acético como catalizadores. Se procederá a temperatura ambiente. Debido a que las α-aminocetonas se autocondensan muy fácilmente, deben prepararse in situ . La forma habitual de hacerlo es a partir de la oxima correspondiente , mediante el reordenamiento de Neber . [5] [6]

La síntesis original de Knorr empleó dos equivalentes de acetoacetato de etilo , uno de los cuales se convirtió en 2-oximinoacetoacetato de etilo disolviéndolo en ácido acético glacial y agregando lentamente un equivalente de nitrito de sodio acuoso saturado , bajo enfriamiento externo. Luego se agitó polvo de zinc , reduciendo el grupo oxima a amina. Esta reducción consume dos equivalentes de zinc y cuatro equivalentes de ácido acético.

Síntesis de Knorr 1886
Síntesis de Knorr 1886

La práctica moderna consiste en añadir gradualmente la solución de oxima resultante de la nitrosación y el polvo de zinc a una solución bien agitada de acetoacetato de etilo en ácido acético glacial. La reacción es exotérmica y la mezcla puede alcanzar el punto de ebullición si no se aplica enfriamiento externo. El producto resultante, 3,5-dimetilpirrol-2,4-dicarboxilato de dietilo, se llama desde entonces pirrol de Knorr . En el esquema anterior, R 2 = COOEt y R 1 = R 3 = Me representan esta reacción original.

El pirrol de Knorr se puede derivatizar de varias maneras útiles. Un equivalente de hidróxido de sodio saponificará selectivamente el 2-éster. Disolver el pirrol de Knorr en ácido sulfúrico concentrado y luego verter la solución resultante en agua hidrolizará selectivamente el grupo 4-éster. El grupo 5-metilo se puede oxidar de diversas formas a clorometilo, aldehído o ácido carboxílico mediante el uso de cloruro de sulfurilo estequiométrico en ácido acético glacial. [7] Alternativamente, el átomo de nitrógeno se puede alquilar. Las dos posiciones de éster se pueden diferenciar más suavemente incorporando grupos bencilo o terc -butilo a través de los correspondientes ésteres de acetoacetato. Los grupos bencilo se pueden eliminar mediante hidrogenólisis catalítica sobre paladio sobre carbono , y los grupos terc-butilo se pueden eliminar mediante tratamiento con ácido trifluoroacético o ácido acético acuoso hirviendo. R 1 y R 3 (así como R 2 y "Et") pueden variarse mediante la aplicación de β-cetoésteres apropiados, que se obtienen fácilmente mediante una síntesis que emana de cloruros de ácido , ácido de Meldrum y el alcohol de su elección. De este modo se obtienen fácilmente ésteres etílicos y bencílicos, y la reacción es digna de mención porque incluso el alcohol terc -butílico altamente impedido da rendimientos muy altos en esta síntesis. [8]

Levi y Zanetti ampliaron la síntesis de Knorr en 1894 al uso de acetilacetona (2,4-pentanodiona) en reacción con 2-oximinoacetoacetato de etilo. El resultado fue 4-acetil-3,5-dimetilpirrol-2-carboxilato de etilo, donde "OEt" = R1 = R3 = Me, y R2 = COOEt. [9] El grupo 4-acetilo podría convertirse fácilmente en un grupo 4-etilo mediante reducción de Wolff-Kishner (hidrazina y álcali, calentado); hidrogenólisis, o el uso de diborano . Los acetoacetatos de bencilo o terc -butilo también funcionan bien en este sistema y, con un estricto control de la temperatura, el sistema de terc -butilo proporciona un rendimiento muy alto (cerca del 80%). [10] Las N , N -dialquilpirrol-2- y/o 4-carboxamidas se pueden preparar mediante el uso de N , N -dialquilacetoacetamidas en la síntesis. Con este método también se han preparado con éxito tioésteres. [11] En cuanto a la nitrosación de β-cetoésteres, a pesar de las numerosas especificaciones bibliográficas sobre un estricto control de la temperatura en la nitrosación, la reacción se comporta casi como una titulación, y se puede permitir que la mezcla alcance incluso los 40 °C sin afectar significativamente el resultado final. producir.

El mecanismo de síntesis del pirrol de Knorr comienza con la condensación de la amina y la cetona para dar una imina. Luego, la imina se tautomeriza a una enamina, seguida de ciclación, eliminación de agua e isomerización al pirrol.

Mecanismo de síntesis del pirrol de Knorr.
Mecanismo de síntesis del pirrol de Knorr.

Síntesis relacionada

Hay una serie de síntesis importantes de pirroles que funcionan a la manera de la síntesis de Knorr, a pesar de tener mecanismos de conectividad muy diferente entre los materiales de partida y el producto pirrólico.

Hans Fischer y Emmy Fink descubrieron que la síntesis de Zanetti a partir de 2,4-pentanodiona y 2-oximinoacetoacetato de etilo daba 3,5-dimetilpirrol-2-carboxilato de etilo como un subproducto traza. De manera similar, el dietilacetal de 3-cetobutiraldehído condujo a la formación de 5-metilpirrol-2-carboxilato de etilo. Ambos productos resultaron de la pérdida del grupo acetilo del intermedio 2-aminoacetoacetato de etilo inferido. Un producto importante de la síntesis de Fischer-Fink fue el 4,5-dimetilpirrol-2-carboxilato de etilo, elaborado a partir de 2-oximinoacetoacetato de etilo y 2-metil-3-oxobutal, obtenido a su vez mediante la condensación de Claisen de 2-butanona con formiato de etilo. . [12]

George Kleinspehn informó que la conectividad Fischer-Fink podría forzarse a ocurrir exclusivamente, mediante el uso de oximinomalonato de dietilo en la síntesis, con 2,4-pentanodiona o sus derivados 3-alquil sustituidos. Los rendimientos fueron elevados, alrededor del 60%, y esta síntesis acabó convirtiéndose en una de las más importantes del repertorio. [13] Los rendimientos mejoraron significativamente mediante el uso de aminomalonato de dietilo preformado (preparado mediante hidrogenolisis de oximinomalonato de dietilo en etanol, sobre Pd/C) y la adición de una mezcla de aminomalonato de dietilo y la β-dicetona al ácido acético glacial en ebullición activa. . [14]

Mientras tanto, Johnson había ampliado la síntesis de Fischer-Fink haciendo reaccionar ésteres de 2-oximinoacetoacetato (etilo, bencilo o butilo terciario) con 2,4-pentanodionas sustituidas con 3-alquilo. [15] La síntesis de Kleinspehn se amplió bajo David Dolphin mediante el uso de β-dicetonas asimétricas (como las 2,4-hexanodionas sustituidas con 3-alquilo), que reaccionaban preferentemente inicialmente en el grupo acetilo menos impedido y proporcionaban el correspondiente 5-metilpirrol. -Ésteres de 2-carboxilato. También se encontró que las N , N -Dialquil 2-oximinoacetoacetamidas daban pirroles cuando reaccionaban en condiciones de Knorr con 2,4-pentanodionas 3-sustituidas, con rendimientos comparables a los ésteres correspondientes (alrededor del 45%). Sin embargo, cuando se usaron dicetonas asimétricas, se encontró que el grupo acetilo de la acetoacetamida se retenía en el producto y uno de los grupos acilo de la dicetona se había perdido. [16] Este mismo mecanismo ocurre en menor medida en los sistemas de éster de acetoacetato, y Harbuck y Rapoport lo habían detectado radioquímicamente previamente . [17] La ​​mayoría de las síntesis descritas anteriormente tienen aplicación en la síntesis de porfirinas, pigmentos biliares y dipirrinas.

Referencias

  1. ^ Knorr, Ludwig (1884). "Synthese von Pyrrolderivaten" [Síntesis de derivados de pirrol] (PDF) . Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft (en alemán). 17 (2): 1635-1642. doi :10.1002/cber.18840170220.
  2. ^ Knorr, Ludwig (1886). "Synthetische Versuche mit dem Acetessigester" [Experimentos sintéticos con el éster del ácido acetoacético]. Annalen der Chemie (en alemán). 236 (3): 290–332. doi :10.1002/jlac.18862360303.
  3. ^ Knorr, L .; Lange, H. (1902). "Ueber die Bildung von Pyrrolderivaten aus Isonitrosoketonen" [Sobre la formación de derivados de pirrol a partir de isonitrosoketonas] (PDF) . Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft (en alemán). 35 (3): 2998–3008. doi :10.1002/cber.19020350392.
  4. ^ Corwin, Alsoph Henry (1950). "La química del pirrol y sus derivados". En Elderfield, Robert Cooley (ed.). Compuestos heterocíclicos . vol. 1. Nueva York: Wiley . págs. 287 y siguientes.
  5. ^ Fischer, Hans (1935). "2,4-Dimetil-3,5-dicarbetoxipirrol (ácido 2,4-pirroledicarboxílico, 3,5-dimetil-, éster dietílico)". Síntesis orgánicas . 15 : 17. doi : 10.15227/orgsyn.015.0017; Volúmenes recopilados , vol. 2, pág. 202.
  6. ^ Fischer, Hans (1941). "Criptopirrol (pirrol, 2,4-dimetil-3-etil)". Síntesis orgánicas . 21 : 67. doi : 10.15227/orgsyn.021.0067; Volúmenes recopilados , vol. 3, pág. 513.
  7. ^ Corwin, Alsoph H.; Bailey, William A.; Viohl, Paul (1942). "Investigaciones estructurales sobre un dipirrilmetano sustituido. Una relación inusual entre punto de fusión y simetría". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 64 (6): 1267-1273. doi :10.1021/ja01258a007.
  8. ^ Oikawa, Yuji; Sugano, Kiyoshi; Yonemitsu, Osamu (1978). "Ácido de Meldrum en síntesis orgánica. 2. Una síntesis general y versátil de β-cetoésteres". La Revista de Química Orgánica . 43 (10): 2087–2088. doi :10.1021/jo00404a066.
  9. ^ Zanetti, CU; Levi, E. (1894). "Sintesi di composti pirrolici dai nitrosochetoni" [Síntesis de compuestos pirrol a partir de nitrosoketonas]. La Gazzetta Chimica Italiana (en italiano). 24 (1): 546–554.
  10. ^ Treibs, Alfred ; Hintermeier, Karl (1954). " terc -butiléster de pirrolcarbonsäuren". Chemische Berichte (en alemán). 87 (8): 1167-1174. doi :10.1002/cber.19540870818.
  11. ^ Buey, E.; Chen, TS; Cargador, CE (1966). "Preparación y reacciones de algunos ésteres de piriltiol". Revista Canadiense de Química . 44 (9): 1007-1111. doi : 10.1139/v66-149 .
  12. ^ Fischer, Hans ; Fink, Emmy (1948). "Über eine neue Pyrrolsynthese" [Sobre una nueva síntesis de pirroles]. Zeitschrift für Physiologische Chemie (en alemán). 283 (3–4): 152–161. doi :10.1515/bchm2.1948.283.3-4.152.
  13. ^ Kleinspehn, George G. (1955). "Una nueva ruta hacia ciertos nitrilos y ésteres 2-pirrolecarboxílicos". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 77 (6): 1546-1548. doi :10.1021/ja01611a043.
  14. ^ Paine, John B.; Delfín, David (1985). "Química del pirrol. Una síntesis mejorada de ésteres de etilpirrol-2-carboxilato a partir de aminomalonato de dietilo". La Revista de Química Orgánica . 50 (26): 5598–5604. doi :10.1021/jo00350a033.
  15. ^ Buey, E.; Johnson, AW; Markham, E.; Shaw, KB (1958). "287. Una síntesis de coproporfirina III". Revista de la Sociedad Química (reanudada) : 1430-1440. doi :10.1039/JR9580001430.
  16. ^ Paine, John B.; Brough, Jonathan R.; Buller, Kathy K.; Erikson, Erika E.; Delfín, D. (1987). "Mecanismo de formación de N , N -dialquil-2-pirrolecarboxamidas a partir de 1,3-dicetonas y N , N -dialquiloximinoacetoacetamidas". La Revista de Química Orgánica . 52 (18): 3993–3997. doi :10.1021/jo00227a010.
  17. ^ Rapoport, Henry ; Harbuct, John W. (1971). "Mecanismo de condensación de pirrol Knorr modificado". La Revista de Química Orgánica . 36 (6): 853–855. doi :10.1021/jo00805a030.

Ver también