Las reacciones de expansión y contracción de anillos expanden o contraen anillos , generalmente en química orgánica . El término generalmente se refiere a reacciones que implican formar y romper enlaces CC . [1] Diversos mecanismos conducen a este tipo de reacciones.
Estas reacciones implican la diazotización de aminociclobutanos y aminociclopropanos. La pérdida de N 2 de los cationes diazo da como resultado carbocationes secundarios, que tienden a reorganizarse y luego sufrir hidrólisis. La reacción convierte el aminociclobutano en una mezcla de hidroxiciclobutano e hidroximetilciclopropano. Estas reacciones producen una mezcla equilibradora de dos carbocationes : [2]
En la reacción de Arndt-Eistert , se induce la liberación de N 2 de una α-diazocetona , lo que da como resultado un centro de sexteto de carbono altamente reactivo adyacente al carbonilo. Estas especies se convierten mediante una transposición de Wolff para dar un éster en presencia de alcoholes. Cuando se aplica a α-diazocetonas cíclicas, se produce la contracción del anillo. [3] [4] En el caso de los esteroides , esta reacción se ha utilizado para convertir grupos de ciclopentanona en derivados de ciclobutanilo. [5]
Las expansiones de anillo pueden permitir el acceso a sistemas más grandes que de otro modo serían difíciles de sintetizar. [6] Los anillos se pueden expandir atacando el anillo sobre un grupo externo ya adjunto al anillo (una migración /inserción), abriendo una bicicleta a un solo anillo más grande o acoplando un anillo que se cierra con una expansión. [1] Estas expansiones se pueden descomponer aún más según el tipo de átomo que incorporan (un carbono o un heteroátomo) en el anillo expandido.
Estas reacciones tienen las características generales de tener un grupo saliente exocíclico en un carbono adyacente al anillo y un grupo donador de electrones en el anillo capaz de iniciar una migración de un enlace endocíclico.
Una introducción migratoria común de carbono es un reordenamiento de pinacol . [1] Si bien esta reacción se refiere específicamente a un reordenamiento de dihidróxido vecinal, existen otros reordenamientos de tipo pinacol que proceden a través del mismo mecanismo general, como el reordenamiento de Tiffeneau-Demjanov . Estos "reordenamientos de semipinacol" ocurren en condiciones más suaves y, por tanto, son preferibles en síntesis complejas. [7] Estas reacciones son útiles más allá de simplemente expandir un anillo porque el grupo exocíclico atacado también puede tener otra funcionalidad adjunta además del grupo saliente. El grupo al que migra el enlace endocíclico también se puede añadir selectivamente al anillo basándose en la funcionalidad ya presente, por ejemplo, adición 1,2 en una cetona cíclica.
Un método común para expandir un anillo implica abrir el intermedio bicíclico que contiene ciclopropano . La estrategia puede comenzar con una ciclopropanación de un alqueno cíclico similar a la de Simmons-Smith . [8]
Una expansión de anillo relacionada a base de ciclopropano es la expansión de anillo de Buchner . La expansión del anillo de Buchner se utiliza para convertir arenos en cicloheptatrienos . Se estimula la expansión del anillo de Buchner para que se abra al producto deseado colocando grupos aceptores de electrones en el carbono agregado. Para realizar la apertura del anillo en moléculas bicíclicas saturadas, se debe introducir el ciclopropano de manera que un grupo vecino pueda facilitar la expansión o el anillo debe abrirse atacando la expansión [9] o el anillo debe abrirse mediante el ataque de un grupo externo. . [10]
La apertura de anillos como medio de expansión de anillos también se puede aplicar a sistemas más grandes para dar acceso a una siciclación de anillos aún mayor. La fragmentación de Grob se puede aplicar como ejemplo de dicha expansión. Al igual que la migración de tipo pinacol, la fragmentación de Grob se basa en un grupo donante de electrones para promover la migración del enlace y alentar la expulsión del grupo saliente. En este caso, el grupo donador de electrones puede ser un pseudogrupo donador de electrones que es capaz de eliminar y donar un par de electrones al carbono con el enlace roto. Trabajar con dos anillos más pequeños puede permitir la elaboración de dos partes de la molécula por separado antes de trabajar con el anillo expandido. La reacción de expansión del anillo de Dowd-Beckwith también es capaz de agregar varios carbonos a un anillo a la vez, y es una herramienta útil para hacer anillos grandes. [11] Mientras avanza a través de una bicicleta intermedia, la ciclación final y la apertura del anillo tienen lugar dentro de la misma reacción radical . [12] Esta expansión es útil porque permite la expansión de un beta-cetoéster a una cetona cíclica grande que puede elaborarse fácilmente utilizando la cetona cíclica o el éster exocíclico.
Las adiciones de heteroátomos a los anillos pueden ocurrir mediante expansiones de anillos, si no se realizan mediante síntesis de anillos de novo. [13] Estas introducciones son principalmente expansiones de anillos porque a menudo tienen lugar a través de vías de migración/inserción similares a las mencionadas anteriormente para el carbono. Los ejemplos incluyen aplicaciones de alto impacto del reordenamiento de Beckmann (para la introducción de nitrógeno en la codeína) [14] y la oxidación de Baeyer-Villiger (introducción de oxígeno a éteres anulados en jaula) [15] en síntesis. Ambos ocurren con la expulsión de un grupo saliente a medida que el grupo alquilo migra hacia el heteroátomo exocíclico, que es sorprendentemente similar al reordenamiento de tipo pinacol.
Las contracciones de anillo son útiles para hacer anillos más pequeños y tensos a partir de anillos más grandes. El ímpetu para fabricar estos anillos proviene de la dificultad asociada con la fabricación de un anillo pequeño completamente elaborado, cuando dicho anillo podría fabricarse más fácilmente a partir de un anillo más grande elaborado, del cual se puede escindir un átomo, o porque el armazón original más grande es más accesible. . [dieciséis]
Las contracciones anulares se caracterizan fácilmente simplemente por el intermediario reactivo que realiza la contracción. Los intermedios estándar son aniónicos, catiónicos y carbenoides. [17]
El reordenamiento de Favorskii es una contracción clásica del anillo aniónico. [18] Procede a través de un carbanión que ataca a un carbono endocíclico y expulsa un grupo saliente (un haluro) formando una molécula bicíclica con anillos más pequeños que el original. Luego se abre la bicicleta mediante un ataque nucleofílico a la cetona para dar el producto contratado. [19] Esta reacción se ha utilizado para convertir la ciclohexanona en el éster metílico del ácido ciclopropanocarboxílico.
Una alternativa al reordenamiento estándar de Favorskii es realizar lo que se puede considerar como un reordenamiento de pinacol negativo en el que un grupo aniónico estimula un enlace alineado con un grupo saliente para migrar y expulsar al grupo saliente, que se ha utilizado en varias síntesis. [17] También cabe señalar que el llamado "reordenamiento cuasi-Favorskii" se produce sin un nucleófilo adicional para formar el producto final contratado.
La contracción del reordenamiento catiónico se produce mediante la pérdida de un grupo saliente y la migración de un enlace endocíclico al carbocatión. Para este tipo de contracción se suelen utilizar reordenamientos tipo Pinacol. [20] Al igual que la reacción de expansión, esta se desarrolla con un grupo donador de electrones que ayuda en la migración.
Las reacciones de contracción de un anillo se pueden combinar con la expansión de otro para dar una bicicleta desigual a partir de un anillo fusionado del mismo tamaño. Estos reordenamientos catiónicos han encontrado utilidad para sintetizar los núcleos de moléculas complejas. [21]
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