Cepa alílica - Allylic strain
La cepa alílica (también conocida como cepa A 1,3 , cepa 1,3-alílica o cepa A ) en química orgánica es un tipo de energía de deformación resultante de la interacción entre un sustituyente en un extremo de una olefina (sinónimo de un alqueno) con un sustituyente alílico en el otro extremo. Si los sustituyentes (R y R ') tienen un tamaño lo suficientemente grande, pueden interferir estéricamente entre sí, de modo que un conformador se ve muy favorecido sobre el otro. La cepa 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 limitaciones geométricas causadas por el doble enlace. Los químicos orgánicos aprovechan la rigidez resultante de la tensión alílica para su uso en reacciones asimétricas.
Cuantificación de la energía de deformación alílica
La "energía de deformación" de una molécula es una cantidad que es difícil de definir con precisión, por lo que el significado de este término puede variar fácilmente según la interpretación de cada uno. En cambio, una forma objetiva de ver la cepa 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 proporciona información sobre las estabilidades relativas de los confórmeros involucrados y el efecto que tiene la deformación alílica sobre el equilibrio. Los calores de formación se pueden determinar experimentalmente mediante estudios calorimétricos; sin embargo, las entalpías calculadas se utilizan con mayor frecuencia debido a la mayor facilidad de adquisición.
Los diferentes métodos utilizados para estimar la entalpía de equilibrio conformacional incluyen: el método de Westheimer, el método homomorfo y, más simplemente, el uso de entalpías estimadas de interacciones no unidas dentro de una molécula. Debido a que todos estos métodos son aproximaciones, los valores de deformación reportados para la misma molécula pueden variar y deben usarse solo para dar una idea general de la energía de deformación.
Olefinas
El tipo más simple de moléculas que exhiben tensión alílica son las olefinas. Dependiendo de los sustituyentes, las olefinas mantienen diversos grados de tensión alílica. En el 3-metil-1-buteno, las interacciones entre el hidrógeno y los dos grupos metilo en el sistema alílico provocan un cambio en la entalpía igual a 2 kcal / mol. Como era de esperar, 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 conformador de mayor energía aumenta de 2 kcal / mol a 4 kcal / mol.
Moléculas cíclicas
Las energías de interacción 1,3-diaxial no unidas se utilizan comúnmente para aproximar la energía de deformación en moléculas cíclicas, ya que los valores para estas interacciones están disponibles. Al tomar la diferencia en las interacciones no unidas para cada confórmero, se puede estimar la entalpía de equilibrio. Se ha calculado que la energía de deformación para el metilidenciclohexano es de 4,5 kcalmol -1 utilizando estimaciones para la cepa 1,3-diaxial (0,9 kcalmol -1 ), la cepa metil / hidrógeno alílico (1,3 kcalmol -1 ) y la cepa metil / metil alílico kcalmol −1 ) valores.
Se calculó que la energía de deformación en 1,8-dimetilnaftaleno era de 7,6 kcalmol -1 y alrededor de 12-15 kcalmol -1 para el 4,5-dimetilfenantreno. La deformación alílica tiende a ser mayor para las moléculas cíclicas en comparación con las olefinas, ya que la energía de deformación aumenta al aumentar la rigidez del sistema. Johnson, F.
Factores de influencia
Varios factores influyen en la penalización energética asociada con la cepa alílica. Para aliviar la tensión causada por la interacción entre los dos grupos metilo, los ciclohexanos exhibirán a menudo una conformación de bote o bote de torsión . La conformación de bote tiende a ser la conformación principal de la cepa. El efecto de la tensión alílica en cis alquenos crea una preferencia por estructuras más lineales.
Tamaño del sustituyente
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 deformación. Como regla general, los sustituyentes más grandes crearán una mayor magnitud de tensión. La proximidad de grupos voluminosos provoca un aumento de las fuerzas repulsivas 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. Se calculó que la energía de deformación en este sistema era de 7,6 kcal / mol debido a las interacciones entre los dos grupos metilo.
Polaridad sustituyente
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 pueden tener aproximadamente los mismos valores de 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 interactúa en una cepa alílica 1,3.
Enlaces de hidrógeno
Con ciertos sustituyentes polares, pueden producirse enlaces de hidrógeno en el sistema alílico entre los sustituyentes. En lugar de la deformación que se produciría normalmente en la proximidad del grupo, el enlace de hidrógeno estabiliza la conformación y la hace energéticamente mucho más favorable. Este escenario ocurre cuando el sustituyente alílico en la posición 1 es un donante de enlaces de hidrógeno (generalmente un hidroxilo ) y el sustituyente en la posición 3 es un aceptor de enlaces de hidrógeno (generalmente un éter ). Incluso en los casos en que el sistema alílico podría adaptarse para poner un hidrógeno mucho más pequeño en la posición del aceptor del enlace de hidrógeno, es mucho más favorable permitir que se forme el enlace de hidrógeno.
Disolventes
Los disolventes también tienen un efecto sobre la cepa alílica. Cuando se usan junto con el conocimiento de los efectos de la polaridad en la cepa alílica, los solventes pueden ser muy útiles para dirigir la conformación de un producto que contiene una estructura alílica en su estado de transición. Cuando un solvente voluminoso y polar puede interactuar con uno de los sustituyentes en el grupo alílico, el complejo del solvente puede forzar energéticamente al complejo voluminoso a salir de la cepa alílica en favor de un grupo más pequeño.
Conjugación
La conjugación aumenta la tensión alílica porque obliga 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 . Esta situación ocurre más notablemente cuando el ácido carboxílico o la cetona están involucrados como sustituyentes del grupo alílico. El efecto de resonancia sobre el grupo carboxílico desplaza el doble enlace CO a un grupo hidroxi. El grupo carboxílico funcionará así como un grupo hidroxilo que hará que se forme una gran cepa alílica y cancele los efectos de estabilización de la conjugación extendida. Esto es muy común en las reacciones de enolización 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 encontrado a través de la ciclación en la figura siguiente. Bajo el tratamiento de 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 cepa alílica) en la molécula C, lo que hará que la molécula C sea la especie principal. Por tanto, la magnitud de la desestabilización a través de la cepa alílica supera la estabilización causada por el sistema conjugado.
Condiciones ácidas
En los casos en que ocurre una enolización alrededor de un grupo alílico (generalmente como parte de un sistema cíclico), una cepa 1,3 puede hacer que la reacción sea casi imposible. En estas situaciones, el tratamiento con ácido normalmente haría que el alqueno se protonara , moviendo el doble enlace al grupo carboxílico , transformándolo en 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. Esta misma enolización se produce 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 cause cepa alílica.
Aplicación de cepa alílica en reacciones orgánicas y síntesis total.
Origen de la estereoselectividad de las reacciones orgánicas de la cepa alílica
Cuando uno está considerando la cepa alílica, debe 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 se congela en el confórmero favorecido, sino que gira en el ángulo diedro alrededor de 30 ° a un costo de <1 kcal / mol. En las reacciones estereoselectivas, hay 2 efectos de la tensión alílica en la reacción que es 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 anti o fuera de los orbitales dependiendo de la reacción.
Reacción de hidroboración
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. Primero, el tamaño voluminoso de TMS ayudó a la molécula a adoptar preferiblemente una conformación en la que TMS no está cerca del grupo metilo en el alqueno. En segundo lugar, el grupo TMS confirió un efecto estereoelectrónico sobre 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.
Reacción aldol
En la Reacción Aldol de Evans, altamente versátil y ampliamente utilizada, la cepa alílica jugó 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 una estereoquímica relativa a lo largo de la reacción, lo que hace que la reacción aldólica sea una metodología muy útil y predictiva para sintetizar moléculas quirales. La estereoquímica absoluta se determina luego por la quiralidad de la oxazolidinona.
Hay otro aspecto de la reacción aldólica que está influenciado por la cepa alílica. En la segunda reacción aldólica, se forma el producto que es un 1,3 dicarbonilo con alta diastereoselectividad. Esto se debe a que la acidez del protón se reduce significativamente porque para que ocurra la desprotonación, tendrá que pasar por una cepa alílica en desarrollo en la conformación desfavorecida. En la conformación favorecida, el protón no está alineado correctamente para que se produzca la desprotonación.
Reacción de Diels-Alder
En una reacción intramolecular de Diels-Alder, la inducción asimétrica se puede inducir a través de la cepa alílico 1,3 sobre el dieno o el dienófilo. En el siguiente ejemplo, el grupo metilo del dienófilo obligó a la molécula a adoptar esa conformación de anillo de 6 miembros específica en la molécula.
En los estudios modelo para sintetizar clorotricolida, una reacción intramolecular de Diels Alder dio una mezcla de diastereómeros. Pero al instalar el sustituyente TMS voluminoso, la reacción dio el producto deseado con alta diastereoselectividad y regioselectividad con buen rendimiento. El voluminoso sustituyente de TMS ayuda a mejorar la cepa alílica 1,3 en la conformación de la molécula.
Síntesis total de productos naturales
En el documento del seminario sobre la síntesis total de (+) - monensina, 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 al que es donde se encuentra el grupo metilo.
Referencias
enlaces externos
- Notas de clase de química orgánica avanzada (Evans, DA; Myers, AG Harvard University, 2006-2007)