La deformación alílica (también conocida como deformación A 1,3 , deformación 1,3-alílica o deformación A ) en química orgánica es un tipo de energía de deformación resultante de la interacción entre un sustituyente en un extremo de una olefina (un sinónimo de alqueno) con un sustituyente alílico en el otro extremo. [1] Si los sustituyentes (R y R') son lo suficientemente grandes, pueden interferir estéricamente entre sí de modo que un confórmero se favorezca en gran medida sobre el otro. [2] La deformación alílica fue reconocida por primera vez en la literatura en 1965 por Johnson y Malhotra. Los autores estaban investigando las conformaciones de ciclohexano, incluidos los dobles enlaces endocíclicos y exocíclicos, cuando notaron que ciertas conformaciones estaban desfavorecidas debido a las restricciones geométricas causadas por el doble enlace. [3] Los químicos orgánicos aprovechan la rigidez resultante de la deformación alílica para su uso en reacciones asimétricas. [2]
La "energía de deformación" de una molécula es una cantidad difícil de definir con precisión, por lo que el significado de este término puede variar fácilmente según la interpretación que se le dé. [4] En cambio, una forma objetiva de ver la deformación alílica de una molécula es a través de su equilibrio conformacional. Comparando los calores de formación de los confórmeros involucrados, se puede evaluar un ΔH eq general . Este término brinda información sobre las estabilidades relativas de los confórmeros involucrados y el efecto que tiene la deformación alílica en un equilibrio. Los calores de formación se pueden determinar experimentalmente a través de estudios calorimétricos; sin embargo, las entalpías calculadas se utilizan más comúnmente debido a la mayor facilidad de adquisición. [4]
Los diferentes métodos utilizados para estimar la entalpía de equilibrio conformacional incluyen: el método de Westheimer, [5] el método del homomorfo, [6] y más simplemente, utilizando entalpías estimadas de interacciones no enlazadas dentro de una molécula. [3] Debido a que todos estos métodos son aproximaciones, los valores de deformación informados para la misma molécula pueden variar y deben usarse solo para dar una idea general de la energía de deformación.
El tipo más simple de moléculas que exhiben tensión alílica son las olefinas. Dependiendo de los sustituyentes, las olefinas mantienen distintos grados de tensión alílica. En el 3-metil-1-buteno, las interacciones entre el hidrógeno y los dos grupos metilo en el sistema alílico causan un cambio en la entalpía igual a 2 kcal/mol. [7] [ verificación necesaria ] Como se esperaba, con un aumento en el tamaño del sustituyente, las entalpías de equilibrio entre rotámeros también aumentan. Por ejemplo, al examinar el 4-metil-2-penteno que contiene un grupo metilo alílico adicional en comparación con el 3-metil-1-buteno, la entalpía de rotación para el confórmero de mayor energía aumenta de 2 kcal/mol a 4 kcal/mol. [7]
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Las energías de interacción 1,3-diaxial no enlazada se utilizan comúnmente para aproximar la energía de deformación en moléculas cíclicas, ya que existen valores para estas interacciones. Al tomar la diferencia en interacciones no enlazadas para cada confórmero, se puede estimar la entalpía de equilibrio. La energía de deformación para el metilidenciclohexano se ha calculado en 4,5 kcalmol −1 utilizando estimaciones para valores de deformación 1,3-diaxial (0,9 kcalmol −1 ), deformación alílica metil/hidrógeno (1,3 kcalmol −1 ) y deformación alílica metil/metil (7,6 kcalmol −1 ). [2]
Se calculó que la energía de deformación en el 1,8-dimetilnaftaleno era de 7,6 kcalmol −1 y de alrededor de 12-15 kcalmol −1 para el 4,5-dimetilfenantreno. [2] La deformación alílica tiende a ser mayor para las moléculas cíclicas en comparación con las olefinas, ya que la energía de deformación aumenta con el aumento de la rigidez del sistema. En una revisión de Johnson, F. [2] se presentó un resumen detallado de la deformación alílica en anillos de seis miembros.
Varios factores influyen en la pérdida de energía asociada con la tensión alílica. Para aliviar la tensión causada por la interacción entre los dos grupos metilo, los ciclohexanos a menudo exhibirán una conformación de barco o de barco torcido . La conformación de barco tiende a ser la conformación principal para la tensión. [2] El efecto de la tensión alílica en los alquenos cis crea una preferencia por estructuras más lineales. [1]
El tamaño de los sustituyentes que interactúan en las posiciones 1 y 3 de un grupo alílico es a menudo el factor más importante que contribuye a la magnitud de la tensión. Como regla, los sustituyentes más grandes crearán una mayor magnitud de tensión. La proximidad de grupos voluminosos provoca un aumento de las fuerzas de repulsión de Van der Waals. Esto aumenta rápidamente la magnitud de la tensión. Las interacciones entre el hidrógeno y el grupo metilo en el sistema alílico provocan un cambio en la entalpía igual a 3,6 kcal/mol. [7] La energía de tensión en este sistema se calculó en 7,6 kcal/mol debido a las interacciones entre los dos grupos metilo. [2]
La polaridad también tiene un efecto sobre la tensión alílica. En términos de estereoselectividad, los grupos polares actúan como grupos grandes y voluminosos. Aunque dos grupos puedan tener aproximadamente los mismos valores A, el grupo polar actuará como si fuera mucho más voluminoso. Esto se debe al carácter donante del grupo polar. Los grupos polares aumentan la energía HOMO del sistema σ en el estado de transición. Esto hace que el estado de transición esté en una posición mucho más favorable cuando el grupo polar no está interactuando en una tensión alílica 1,3. [8]
Con ciertos sustituyentes polares, puede producirse la formación de enlaces de hidrógeno en el sistema alílico entre los sustituyentes. En lugar de la tensión que normalmente se produciría en la proximidad de los grupos, el enlace de hidrógeno estabiliza la conformación y la hace energéticamente mucho más favorable. Este escenario se produce cuando el sustituyente alílico en la posición 1 es un donante de enlaces de hidrógeno (normalmente un hidroxilo ) y el sustituyente en la posición 3 es un aceptor de enlaces de hidrógeno (normalmente un éter ). Incluso en los casos en los que el sistema alílico podría conformarse para poner un hidrógeno mucho más pequeño en la posición del aceptor de enlaces de hidrógeno, es mucho más favorable permitir que se forme el enlace de hidrógeno. [9]
Los disolventes también tienen un efecto sobre la tensión alílica. Cuando se utilizan junto con el conocimiento de los efectos de la polaridad sobre la tensión alílica, los disolventes pueden ser muy útiles para dirigir la conformación de un producto que contiene una estructura alílica en su estado de transición. Cuando un disolvente voluminoso y polar es capaz de interactuar con uno de los sustituyentes en el grupo alílico, el complejo del disolvente puede forzar enérgicamente al complejo voluminoso a salir de la tensión alílica en favor de un grupo más pequeño. [10]
La conjugación aumenta la tensión alílica porque fuerza a los sustituyentes a adoptar una configuración que hace que sus átomos estén más próximos, lo que aumenta la fuerza de las fuerzas repulsivas de Van der Waals . [11] Esta situación se produce de forma más notoria cuando el ácido carboxílico o la cetona están implicados como sustituyentes del grupo alílico. El efecto de resonancia en el grupo carboxílico desplaza el doble enlace CO a un grupo hidroxi. El grupo carboxílico funcionará así como un grupo hidroxilo que provocará la formación de una gran tensión alílica y cancelará los efectos de estabilización de la conjugación extendida. Esto es muy común en las reacciones de enolización [2] y se puede ver en la figura siguiente en "Condiciones ácidas".
En situaciones en las que la molécula puede estar en un sistema conjugado o evitar la tensión alílica, se ha demostrado que la forma principal de la molécula será la que evite la tensión. Esto se ha descubierto mediante la ciclización en la figura siguiente. [12] Bajo tratamiento con ácido perclórico, la molécula A se cicla en el sistema conjugado que se muestra en la molécula B. Sin embargo, la molécula se reorganizará (debido a la tensión alílica) en la molécula C, lo que hace que la molécula C sea la especie principal. Por lo tanto, la magnitud de la desestabilización a través de la tensión alílica supera la estabilización causada por el sistema conjugado. [2]
En los casos en los que se produce una enolización alrededor de un grupo alílico (normalmente como parte de un sistema cíclico), una tensión 1,3 puede hacer que la reacción sea casi imposible. En estas situaciones, el tratamiento ácido normalmente haría que el alqueno se protone , moviendo el doble enlace al grupo carboxílico , cambiándolo a un grupo hidroxi . La tensión alílica resultante entre el alcohol y el otro grupo involucrado en el sistema alílico es tan grande que la reacción no puede ocurrir en condiciones termodinámicas normales. [13] Esta misma enolización ocurre mucho más rápidamente en condiciones básicas, ya que el grupo carboxílico se retiene en el estado de transición y permite que la molécula adopte una conformación que no causa tensión alílica. [13]
Cuando se considera la tensión alílica, es necesario considerar los posibles confórmeros y la posible demanda estereoelectrónica de la reacción. Por ejemplo, en la conformación de (Z)-4-metilpent-2-eno, la molécula no está congelada en el confórmero favorecido sino que gira en el ángulo diedro alrededor de 30° a un costo <1 kcal/mol. En las reacciones estereoselectivas, hay 2 efectos de la tensión alílica en la reacción que son el efecto estérico y los efectos electrónicos. El efecto estérico es donde el grupo más grande prefiere estar más alejado del alqueno. El efecto electrónico es donde los orbitales de los sustituyentes prefieren alinearse en contra o fuera de los orbitales dependiendo de la reacción. [14]
La reacción de hidroboración es una reacción útil para funcionalizar alquenos en alcoholes. En la reacción, el grupo trimetilsililo (TMS) cumple dos funciones en la dirección de la estereoselectividad de la reacción. En primer lugar, el gran tamaño del TMS ayudó a la molécula a adoptar preferentemente una conformación en la que el TMS no está cerca del grupo metilo en el alqueno. En segundo lugar, el grupo TMS confirió un efecto estereoelectrónico a la molécula al adoptar una conformación anti a los orbitales directores del alqueno. Para la regioselectividad de la reacción, el grupo TMS puede estabilizar la carga positiva parcial en desarrollo en el carbono secundario mucho mejor que un grupo metilo. [15]
En la reacción aldólica de Evans, muy versátil y ampliamente utilizada, [16] la cepa alílica desempeñó un papel importante en el desarrollo de la reacción. El enolato Z se creó para evitar la cepa alílica con oxazolidinona. La formación de un enolato específico refuerza el desarrollo de la estereoquímica relativa a lo largo de la reacción, lo que hace que la reacción aldólica sea una metodología muy predictiva y útil para sintetizar moléculas quirales. La estereoquímica absoluta se determina entonces por la quiralidad de la oxazolidinona.
Existe otro aspecto de la reacción aldólica que se ve influenciado por la tensión alílica. En la segunda reacción aldólica, el producto que es un 1,3 dicarbonilo se forma con una diastereoselectividad alta. Esto se debe a que la acidez del protón se reduce significativamente porque para que se produzca la desprotonación, tendrá que pasar por una tensión alílica en desarrollo en la conformación desfavorecida. En la conformación favorecida, el protón no está alineado correctamente para que se produzca la desprotonación.
En una reacción intramolecular de Diels-Alder, la inducción asimétrica puede ser inducida a través de la tensión alílica 1,3 en el dieno o el dienófilo. En el siguiente ejemplo, [17] el grupo metilo en el dienófilo forzó a la molécula a adoptar esa conformación específica de anillo de 6 miembros en la molécula.
En los estudios modelo para sintetizar clorotricólido, [18] una reacción intramolecular de Diels Alder dio una mezcla de diastereoisómeros. Pero al instalar un sustituyente TMS voluminoso, la reacción dio el producto deseado con alta diastereoselectividad y regioselectividad con buen rendimiento. El sustituyente TMS voluminoso ayuda a mejorar la tensión alílica 1,3 en la conformación de la molécula.
En el artículo de seminario sobre la síntesis total de (+)-monensina, [19] Kishi y sus colaboradores utilizaron la cepa alílica para inducir la inducción asimétrica en la reacción de oxidación por hidroboración. La reacción es regioselectiva y estereoselectiva. La regioselectividad de la reacción se debe al carácter positivo significativo desarrollado en el carbono terciario. La estereoselectividad de la reacción se debe al ataque del borano desde el lado menos impedido, que es donde se encuentra el grupo metilo.
