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TEMA 6. Reacciones pericíclicas.

CONTENIDOS: Introducción ¿Qué es una reacción pericíclica? ................................................. 1 Tipos de reacciones pericíclicas. ........................................................................ 2 Cinética de las reacciones pericíclicas. .............................................................. 4 Construcción de diagramas de orbitales moleculares en sistemas π deslocalizados. ................................................................................................... 5 Cicloadiciones. ................................................................................................. 10 Reacciones de Diels-Alder............................................................................ 10 Cicloadiciones [3+2] de seis electrones (cicloadiciones 1,3-dipolares)......... 19 Cicloadiciones [2+2] de cuatro electrones. ................................................... 23 Reacciones quelotrópicas. ............................................................................ 25 Reacciones electrocíclicas. .............................................................................. 26 Reagrupamientos sigmatrópicos. ..................................................................... 35 Reacciones “eno”. ............................................................................................ 38

Introducción ¿Qué es una reacción pericíclica? Hasta ahora, en lo que llevamos de curso, hemos estudiado reacciones que están dirigidas por ataque de centros ricos en electrones, los nucleófilos, sobre centros deficientes en electrones, los electrófilos. Los primeros emplean un par de electrones (compartido entre dos átomos o no) para formar un nuevo enlace con el electrófilo. La formación de ese nuevo enlace puede venir seguida de distintos procesos que pueden dar lugar finalmente a transformaciones muy diversas, pero siempre, el proceso elemental de ataque de un nucleófilo a un electrófilo da lugar a la formación de un solo enlace. Las reacciones que vamos a estudiar en este capítulo, las reacciones pericíclicas, son bastante diferentes. Las reacciones pericíclicas presentan tres rasgos característicos (ver Figura 1):

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1. En ellas se transforman enlaces de una o más estructuras en enlaces, o viceversa. El número total de enlaces σ y enlaces π de los productos puede igual al de los reactivos, pero en todos los casos hay transformación de enlaces de un tipo en otro. 2. Son reacciones concertadas que se producen en una sola etapa, de modo que en ellas no hay intermedios polares (cargados) o radicalarios. 3. Las reacciones pericíclicas comportan un movimiento de electrones que, en el estado de transición, constituye un bucle cerrado en el que participa un número par de electrones. Esta característica es la que da nombre a las reacciones.

Figura 1. Ejemplos de reacciones pericíclicas indicando el movimiento de electrones en el estado de transición.

Al tratarse de reacciones de una sola etapa, la aplicación del principio de reversibilidad nos lleva a concluir que el estado de transición será el mismo para la reacción en un sentido y en sentido contrario, de lo que deducimos que se trata de reacciones reversibles que estarán desplazadas en un sentido u otro en función de las condiciones termodinámicas y las características de reactivos y productos.

Tipos de reacciones pericíclicas. Existen cuatro tipos generales de reacciones pericíclicas. En la Tabla 1 se indica su nombre, el balance de enlaces σ y π que resulta de la transformación y un ejemplo típico de cada una de ellos. Cuando indicamos el balance de enlaces σ y π transformados estamos haciendo referencia a la variación de cada tipo de enlaces que se produce en la reacción, no al número de enlaces que participan en la reacción (esto lo veremos más adelante cuando hagamos referencia al número de electrones que participan en la reacción). El significado de este balance resulta muy evidente en el caso de las reacciones sigmatrópicas, en las que no hay transformación neta de enlaces de un tipo en otro aunque, evidentemente, deben haber electrones que participan en la reacción (en el ejemplo representado son tres pares de electrones, uno σ y dos pi, los que intervienen en la reacción). 2

Tabla 1. Tipos de reacciones pericíclicas y balance de transformación de enlaces.

Tipo reacción

de

Balance enlaces transformados

Cicloadiciones

-2 π +2 σ +2 π  -2 σ

Electrocíclicas

-1 π +1 σ +1 π  -1 σ

Sigmatrópicas

0σ 0π 0σ0π

Reacciones “eno”

-1 π +1 σ +1 π  -1 σ

Ejemplo

Cada uno de los tipos de reacciones pericíclicas pueden definirse así: 1. Cicloadiciones son reacciones en las que se enlazan los dos extremos de un sistema π con los dos extremos de otro sistema π, dando lugar a un ciclo. En ese proceso se pierden dos enlaces π para formar dos enlaces σ nuevos. Pueden ser inter- o intra-moleculares. Las reacciones inversas se denominan retro-cicloadiciones y en ellas se rompe un ciclo por dos puntos para originar dos fragmentos con sistemas π continuos en ambos de ellos. 2. Reacciones electrocíclicas son transformaciones intramoleculares en las que tiene lugar la formación de un anillo por unión entre los extremos de un sistema π conjugado. El producto tiene un enlace π menos y un enlace más. En la reacción inversa, se produce la apertura de un anillo por ruptura de un enlace para dar lugar a un sistema π conjugado que tiene como extremos los átomos entre los que se ha roto el enlace; de ahí que el producto de apertura tenga un enlace π más y un enlace menos. 3. Reagrupamientos sigmatrópicos son reacciones pericíclicas intramoleculares en las que se obtiene un nuevo enlace a partir de otro enlace σ siguiendo un estado de transición cíclico que incluye los electrones de uno o más enlaces π. El número total de enlaces σ y enlaces π del sistema no varía en estos reagrupamientos.

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4. Reacciones “eno” son transformaciones que combinan aspectos de cicloadiciones y de reacciones sigmatrópicas. Pueden ser intra- o intermoleculares.

Cinética de las reacciones pericíclicas. Como ya se ha comentado, las reacciones pericíclicas tienen lugar en una sola etapa, es decir, solo hay un estado de transición entre reactivos y productos y, en general, son reacciones reversibles. Como en toda reacción reversible, el desplazamiento del equilibrio hacia reactivos o productos depende de la estabilidad relativa de reactivos y productos y de las condiciones de reacción. Sin embargo, podemos encontrar transformaciones que teóricamente serían termodinámicamente favorables a través de un proceso pericíclico pero que en la práctica no tienen lugar. Es decir, termodinámicamente serían favorables, pero no cinéticamente (o, al menos, no bajo las condiciones de reacción que intentamos emplear para producir la transformación). Esto es debido a que los procesos pericíclicos tienen unos requerimientos particulares que hacen que sean permitidos (altamente probables) o prohibidos (poco probables) dependiendo de tres factores: 1. El número de electrones involucrados en el estado de transición cíclico. Ya hemos comentado que el número debe ser siempre par pero, además, como veremos más adelante, el número concreto de electrones que participan en el estado de transición pericíclico es determinante de la viabilidad del proceso. 2. Las condiciones (térmicas o fotoquímicas) de activación del proceso. En general, los procesos pericíclicos que están permitidos bajo condiciones térmicas están prohibidos bajo condiciones fotoquímicas, y viceversa (a igualdad del resto de condiciones que se deben cumplir). 3. Unas condiciones estereoquímicas concretas que deben cumplirse en cuanto a la aproximación de los extremos de sistemas π que se enlazan o la disposición de los sustituyentes de los sistemas π que se forman. Los valores de estos tres factores bajo los cuales un determinado proceso pericíclico está permitido es lo que se denominan reglas de selección, conocidas también como reglas de Woodward y Hoffmann. Para conocer la viabilidad de un proceso pericíclico (es decir, si está permitido o prohibido), debemos analizar obligatoriamente estos tres factores. Las reacciones que son permitidas bajo unas determinadas condiciones de número de electrones, método de activación y estereoquímica del proceso, se transforman en prohibidas con el cambio de uno solo de estos factores.

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Cuando un proceso cumple las reglas de selección para ser permitido, el proceso inverso también lo será porque, de acuerdo con el principio de reversibilidad microscópica, ambos comparten el mismo estado de transición. En este tema nosotros vamos a utilizar el procedimiento de Interacción de Orbitales Moleculares Frontera (FMO) para predecir la viabilidad de los procesos pericíclicos1. Este procedimiento incluye tres pasos sucesivos: 1. Construcción de los diagramas de orbitales moleculares cualitativos correspondientes a los sistemas π que participan en el proceso pericíclico. 2. Una vez construido el diagrama de orbitales moleculares hay que identificar los orbitales frontera (HOMO y/o LUMO) que van a participar en el proceso. Para ello debemos tener en cuenta si el proceso es térmico o fotoquímico, porque bajo las condiciones térmicas consideraremos que los electrones se encuentran todos formando pares con sus spines apareados, de modo que todos los orbitales ocupados lo están por uno de estos pares; mientras que, bajo condiciones fotoquímicas, hay dos electrones que no se encuentran apareados y cada uno de ellos ocupa uno de los dos orbitales moleculares ocupados de mayor energía. 3. El análisis de las distintas estereoquímicas posibles para el proceso nos dará las condiciones globales para las cuales el proceso es permitido o prohibido. Pasaremos a continuación a ver cómo se construyen los diagramas de orbitales moleculares de sistemas π deslocalizados.

Construcción de diagramas de orbitales moleculares en sistemas π deslocalizados. Para un sistema π deslocalizado entre varios centros, el diagrama de orbitales moleculares lo podemos representar de forma cualitativa (fase y nodos de cada uno de los orbitales atómicos que componen el orbital molecular) por analogía con las ondas estacionarias (ver Figura 2).

1

Además de este procedimiento existen otros dos métodos alternativos para predecir la viabilidad de las reacciones pericíclicas, que se conocen como: • Teoría de conservación de la simetría orbital, que analiza la simetría de los orbitales moleculares de reactivos y productos. • Teoría de Möbius-Huckel sobre aromaticidad del estado de transición de los procesos.

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Figura 2. Representación de fases y nodos de una onda estacionaria y sus armónicos.

Como podemos ver, en las ondas estacionarias, a partir de la onda fundamental, que no tiene ningún nodo, tienen sucesivamente un número de nodos que aumenta en una unidad (un nodo para el segundo armónico, dos nodos para el tercer armónico, tres nodos para el cuarto, …), de modo que en el nodo se produce un cambio de fase de la onda. De esta manera, la onda fundamental tiene la misma fase en toda ella, el segundo armónico tiene un cambio de fase en el centro, el tercer armónico tiene dos cambios de fase (a un tercio de los extremos), y así sucesivamente. Si tenemos un enlace π sencillo, como el que existe en el etileno, los orbitales moleculares para este sistema π (Figura 3) los construimos a partir de dos orbitales atómicos p situados en cada uno de los puntos ocupados por los dos núcleos de los átomos participantes en el enlace. Para asignar la fase y los nodos de cada uno de los lóbulos de los orbitales p que participan en los orbitales π seguimos el siguiente procedimiento: 1. Dibujamos un segmento horizontal dividido en varias partes iguales: el doble que de centros tiene el sistema. En nuestro caso, para el etileno (dos centros correspondientes a otros tantos átomos de carbono), dividimos el segmento en cuatro partes iguales, que representarían la mitad de la distancia de enlace C-C. 2. Sobre el segmento colocamos los centros de modo que estén separados por la distancia de enlace C-C (dos subdivisiones del segmento), dejando una media distancia de enlace C-C entre los centros de los extremos y los finales del segmento. 3. Dibujamos las ondas estacionarias fundamental y segundo armónico. 4. El punto en que la onda corta al segmento horizontal marca la posición de un nodo y el cambio de fase para los lóbulos de los orbitales atómicos p. 5. En un diagrama de energías, los orbitales con número creciente de nodos se sitúan a mayor energía cada vez. 6

6. Haremos un llenado de los orbitales, con los electrones correspondientes siguiendo el sistema de aufbau, que nos indica que hemos de colocar dos electrones con sus spines apareados en el orbital de menor energía disponible.

Figura 3. Diagrama de orbitales moleculares para el sistema π del etileno.

Para un sistema π deslocalizado entre tres centros, como ocurriría en los sistemas alílicos, encontraremos que, siguiendo la misma mecánica expuesta para el sistema de etileno, tendremos tres orbitales moleculares. De ellos, el de menor energía no tiene ningún nodo, el que le sigue en energía tiene un nodo que coincide con la posición del núcleo central y el tercero tiene dos nodos. En el caso del anión alilo, para el que tenemos cuatro electrones en el sistema deslocalizado de tres centros, el orbital de menor energía y el siguiente se encuentran llenos, y queda vacío el de mayor energía de todos (Figura 4).

Figura 4. Diagrama cualitativo de orbitales moleculares π del anión alilo (tricéntrico).

Para el sistema π del butadieno (Figura 5), que se encuentra deslocalizado entre cuatro centros, la construcción del sistema de orbitales moleculares nos lleva a un conjunto de cuatro orbitales que, comenzando en el de menor energía y siguiendo la dirección de energía creciente, tienen cero, uno, dos y tres nodos sucesivamente, con los correspondientes cambios de fase en los lóbulos de los orbitales atómicos p con que los hemos construido.

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Figura 5. Diagrama cualitativo de orbitales moleculares π del butadieno.

Siguiendo esta mecánica que toma como modelo a las ondas estacionarias para determinar los nodos y cambios de fase, podemos construir de forma sencilla los diagramas de orbitales moleculares cualitativos de sistemas π deslocalizados con el número de centros que queramos, por combinación de orbitales atómicos p.

Figura 6. Diagramas cualitativos de orbitales moleculares π para distintos sistemas conjugados.

Los orbitales moleculares idealizados que hemos generado tienen una simetría muy concreta, como se describe en la diapositiva: se van alternando los orbitales con un plano de simetría y los orbitales con un eje de simetría a medida que subimos en energía, comenzando siempre por un orbital con un plano de simetría 8

(orbital sin nodos de más baja energía). Este modelo tiene relevancia a la hora de predecir las interacciones entre orbitales moleculares de las especies que participan en las reacciones pericíclicas.

Figura 7. Simetría alternante de los orbitales moleculares idealizados de sistemas π conjugados.

En cuanto a los orbitales moleculares σ, en la figura se han representado de forma cualitativa los orbitales moleculares correspondientes a la interacción entre dos orbitales p (diagrama A, situación que se produce en la formación de un enlace σ entre dos átomos de carbono o entre un átomo de carbono y un heteroátomo de su misma serie) y los correspondientes a la interacción entre un orbital p y un orbital s (diagrama B, situación típica de un enlace C-H). En ambos casos vemos que el orbital enlazante no presenta ningún nodo entre los núcleos atómicos, mientras que el antienlazante tiene un nodo entre los núcleos atómicos.

Figura 8. Diagramas cualitativos de orbitales moleculares σ típicos.

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A partir de ahora comenzamos la descripción de los distintos tipos de reacciones pericíclicas, para las que veremos la aplicación de las reglas de selección y las características más interesantes de las mismas, con ejemplos de las reacciones más relevantes que encontramos en cada uno de los tipos de reacciones.

Cicloadiciones. En primer lugar analizaremos las cicloadiciones, reacciones en las que partimos de dos componentes con electrones p/π que reaccionan para formar un ciclo por unión de sus extremos. De este modo se forman dos nuevos enlaces σ y se pierden dos enlaces π (o se pierde un enlace π y un par de electrones p, como en el caso de las reacciones quelotrópicas). Los cuatro tipos de cicloadiciones pericíclicas que vamos a presentar a continuación son: 1. 2. 3. 4.

Reacciones de Diels-Alder. Cicloadiciones 1,3-dipolares. Cicloadiciones [2+2] de 4 electrones π. Reacciones quelotrópicas [4+1].

En estas reacciones estamos utilizando una notación en la que colocamos entre corchetes el número de átomos que constituyen cada uno de los fragmentos que participan en la cicloadición. Así, por ejemplo, para las reacciones de Diels-Alder, que tienen lugar entre fragmentos de tipo butadieno (con cuatro electrones π deslocalizados entre cuatro átomos) y fragmentos de tipo etileno (con dos electrones π entre dos átomos), describimos el proceso como [4+2] de seis electrones. En cambio, las cicloadiciones 1,3-dipolares, que se dan entre un dipolo de tres átomos con cuatro electrones π y un fragmento de tipo etileno con dos electrones π, las describimos como procesos [3+2] de seis electrones.

Reacciones de Diels-Alder. Las reacciones de Diels-Alder son el ejemplo arquetipo de cicloadiciones pericíclicas. Los componentes que participan en la reacción (Figura 9) reciben los nombres de: • • •

Dieno: fragmento de cuatro átomos con cuatro π deslocalizados en ese fragmento. Dienófilo: fragmento de dos átomos con dos electrones pi. Aducto: resultado de la cicloadición pericíclica.

electrones

Figura 9. Esquema básico de reacción de Diels-Alder y nomenclatura de sus componentes.

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Puesto que tenemos dos componentes que interaccionan a través de orbitales frontera caben dos posibilidades: 1. Que la interacción se produzca a través del HOMO del dieno y el LUMO del dienófilo: tiene lugar cuando los alquenos no llevan sustituyentes, pero se favorecen cuando el dieno lleva sustituyentes electrón-donantes y el dienófilo sustituyentes electrón-atrayentes. Estas reacciones se denominan “reacciones de Diels-Alder de demanda electrónica normal”. 2. Que la interacción tenga lugar a través del LUMO del dieno y el HOMO del dienófilo: para que estas reacciones tengan lugar hace falta que el dieno tenga sustituyentes electrón-atrayentes y el dienófilo sustituyentes electrón-donantes. Estas se denominan “reacciones de Diels-Alder de demanda electrónica inversa”.

Energía

Comparando el diagrama de energía (Figura 10) de la interacción de butadieno y etileno con el diagrama obtenido por introducción de un grupo electrón-donante sobre el dieno y un grupo electrón-atrayente sobre el dienófilo podemos apreciar una mejora en la interacción HOMOdieno-LUMOdienófilo debido al acercamiento de los niveles de energía de dichos orbitales frontera. De ahí deducimos que la velocidad de las reacciones de Diels-Alder de demanda electrónica normal estará favorecida por la introducción de grupos electrón-donantes en el dieno y de grupos electrón atrayentes en el dienófilo.

Figura 10. Diagramas de energía de interacción de orbitales moleculares frontera para reacciones de Diels-Alder. Influencia de la naturaleza de los sustituyentes.

En cambio, si hacemos ahora la comparación de la interacción de butadieno y etileno con la de un dieno con grupo electrón-atrayente y un dienófilo con un grupo electrón-donante, vemos que la interacción HOMOdieno-LUMOdienófilo se debilita por el distanciamiento energético de los orbitales frontera involucrados. Sin embargo, empieza a tener más probabilidad la interacción HOMOdienófiloLUMOdieno de donde se justifica la necesidad de este patrón de sustitución para que se produzcan reacciones de Diels-Alder de demanda electrónica inversa. 11

La reacción de Diels-Alder es una reacción estereospecífica. Atendiendo a la simetría de los orbitales moleculares de cada fragmento involucrados en la reacción, en las reacciones de demanda electrónica normal, bajo condiciones térmicas (con todos los electrones apareados) la interacción HOMOdienoLUMOdienófilo será enlazante si es suprafacial en ambos fragmentos, dieno y dienófilo (en esta diapositiva). Igual ocurre en las reacciones de demanda electrónica inversa, en las que la interacción LUMOdieno-HOMOdienófilo también será enlazante si se produce una interacción suprafacial en los dos fragmentos que reaccionan (ver dos diapositivas más adelante). Estas que acabamos de describir son las reglas de selección que se aplican a las reacciones de Diels-Alder: bajo condiciones térmicas, la interacción de los dos componentes que participan en la reacción debe ser suprafacial.

Figura 11. Deducción de la regla de selección para las reacciones de Diels-Alder de demanda electrónica normal y cómo ésta define la estereoquímica relativa de los sustituyentes del aducto.

La estereospecificidad de la reacción (necesidad de establecer interacciones suprafacial-suprafacial entre los dos fragmentos reaccionantes) marca la estereoquímica relativa de los sustituyentes del aducto de Diels-Alder, de modo que: •

•

Los grupos que se encuentran en disposición relativa cis en el dienófilo quedarán en disposición relativa cis en el aducto cíclico y los que están en disposición trans en el dienófilo quedarán trans en el aducto. Los grupos que estaban como sustituyentes “internos” en el dieno quedarán cis entre ellos, y los que estaban como sustituyentes “externos” también quedarán cis entre ellos. 12

Es importante darse cuenta de que la estereospecificidad supra-supra para la reacción de Diels-Alder determina únicamente la estereoquímica relativa de los sustituyentes que provienen de un mismo fragmento. Aparte de esto, el resto de a estereoquímica de los productos de estas reacciones (nótese que se pueden formar hasta cuatro nuevos centros estereogénicos) vendrá determinado por cuáles son las caras de cada uno de los reactantes que interaccionan. En principio tendremos cuatro posibilidades, de las cuales surgirán dos parejas de enantiómeros (A y C en la figura son enantiómeros, como también lo son B y D). Cada uno de los elementos de una de las parejas de enantiómeros será diastereómero de cualquier de los dos elementos de la otra pareja (por ejemplo A es diastereómero de B y D).

Figura 12. Posibilidades estereoquímicas de la reacción de Diels-Alder.

Por su parte, en reacciones con demanda electrónica inversa es el dieno el LUMOdieno el que interacciona con el HOMOdienófilo. La reacción es viable a través de interacciones en las que los orbitales frontera de los dos reactantes participan de manera suprafacial (exactamente igual que en el caso de las reacciones de demanda electrónica normal).

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Figura 13. Deducción de la regla de selección y estereoquímica para las reacciones de Diels-Alder de demanda electrónica inversa.

Bajo condiciones fotoquímicas (un electrón ha sido promocionado a un orbital molecular de mayor energía y nos quedan dos electrones desapareados) las cicloadiciones [4+2] de 6 electrones deberían transcurrir a través de estados de transición en los que uno de los componentes participara de forma suprafacial y el otro antarafacial, tal y como se observa en la , porque es la única forma de que se produzcan interacciones enlazantes entre los dos componentes que participan en la reacción.

Figura 14. Deducción de la regla de selección para las reacciones de Diels-Alder bajo condiciones fotoquímicas.

Esta es, por tanto, la regla de selección para las reacciones de Diels-Alder bajo condiciones fotoquímicas: la interacción entre los componentes debe ser suprafacial-antarafacial (o abreviadamente supra-antara). 14

Sin embargo, puesto que es prácticamente imposible conseguir una geometría que permita este tipo de interacción, estas reacciones no son viables en la práctica. Una condición estereoquímica adicional que hemos dado por sobreentendida hasta el momento es la necesidad de que los dobles enlaces de los dienos tengan una conformación relativa s-cis para poder participar en las reacciones de Diels-Alder. De otro modo sería geométricamente imposible que los extremos del dieno pudieran interaccionar con los extremos del dienófilo para alcanzar el estado de transición que lleva a la formación del aducto de Diels-Alder.

Figura 15. Influencia de la disposición relativa de los dobles enlaces de los sistemas de butadieno en su reactividad en procesos de Diels-Alder.

Por este motivo, los dienos con geometría relativa s-cis invariable reaccionan más rápidamente que los dienos en los que existe intercambio conformacional entre las formas s-cis y s-trans porque la conformación reactiva (s-cis) es precisamente la menos estable de las dos. Por último, aquellos dienos que mantienen fija una disposición geométrica s-trans no dan reacciones de DielsAlder (Figura 15). He aquí algunos de los dienos y dienófilos típicos para las reacciones de DielsAlder intermoleculares de demanda electrónica normal.

Figura 16. Dienos y dienófilos típicos para reacciones de Diels-Alder de demanda electrónica normal.

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En el caso de dienos y dienófilos que no son simétricos existen, en principio, dos posibilidades para la orientación relativa de dieno y dienófilo. Es decir, las reacciones de Diels-Alder pueden transcurrir con dos regioquímicas distintas. En la mayoría de los casos existe una orientación favorecida y esa viene determinada por la interacción preferente de los extremos de los orbitales frontera que participan en la reacción. Esto es, el extremo del HOMO con el lóbulo de mayor de mayor tamaño tiende a unirse con el extremo del LUMO que tiene el lóbulo de mayor tamaño. En la diapositiva se presenta un ejemplo para una reacción de Diels-Alder típica de demanda electrónica normal entre acrilato de etilo (dienófilo) y 1-metoxibutadieno (dieno).

Figura 17. Regioquímica de la reacción de Diels-Alder entre 1-metoxibutadieno y acrilato de etilo.

Por tanto, para predecir la regioquímica de las reacciones de Diels-Alder necesitamos conocer el tamaño relativo de los lóbulos de los orbitales moleculares que participan en el estado de transición de la reacción (al menos los de los extremos). Aunque no es sencillo saber cuáles son los coeficientes mayores de un orbital frontera, sí que podemos hacer una aproximación a través de las formas resonantes de los sistemas π, de modo que: •

•

El coeficiente más grande de un orbital HOMO (ocupado) se corresponde normalmente con el átomo que tiene mayor densidad electrónica, que a su vez podemos visualizar en forma de carga negativa en alguna de las formas resonantes del sistema π. El coeficiente más grande de un orbital LUMO (desocupado) se corresponde normalmente con el átomo que tiene mayor deficiencia electrónica, que a su vez se visualiza como carga positiva en alguna de las formas resonantes de ese sistema π.

En la (Figura 18) se proporciona un ejemplo de predicción del tamaño relativo de los lóbulos de los sistemas π que participan en el proceso de Diels-Alder que tiene lugar entre el 1-metoxibutadieno y el acrilato de etilo. 16

Figura 18. Ejemplo de predicción de la regioquímica en la reacción de Diels-Alder entre 1-metoxibutadieno y acrilato de metilo.

En cuanto a la estereoquímica de las reacciones de Diels-Alder, ya hemos visto que la estereoquímica relativa de los sustituyentes de cada uno de los componentes viene determinada por la estereospecificidad de la reacción, que exige una interacción supra-supra entre el dieno y el dienófilo. Pero además, las reacciones de Diels-Alder de demanda electrónica normal en las que intervienen dienófilos con grupos electrón atrayentes con efecto mesomérico (-M), transcurren con estereoselectividad debido a la estabilización adicional que sufren los estados de transición endo a través interacciones secundarias (no conducentes a reacción) entre el orbital LUMO del grupo electrón-atrayente y el HOMO del dieno en sus átomos centrales. Así, en el ejemplo que estamos manejando (reacción entre el 1-metoxibutadieno y acrilato de etilo) resulta que se obtiene mayoritariamente (Figura 19) el aducto con estereoquímica relativa cis entre el sustituyente del dieno (metoxilo) y el del dienófilo (carboxilato de etilo).

Figura 19. Resultado estereoquímico de la reacción de Diels-Alder entre 1metoxibutadieno y acrilato de etilo.

El resultado se debe a las interacciones secundarias entre el orbital LUMO del carbonilo del dienófilo y el los lóbulos centrales del HOMO del 1-metoxibutadieno son los responsables de la interacción secundaria (marcada en rojo en la Figura 20) que estabiliza el estado de transición endo frente al exo. Esta situación es 17

general para las reacciones de Diels-Alder de demanda electrónica normal en las que hay grupos electrón-atrayentes unidos al dienófilo.

Figura 20. Interacciones secundarias que estabilizan el estado de transición “endo” en una reacción de Diels-Alder de demanda electrónica normal.

También son de interés las reacciones de Diels-Alder reversas (más conocidas como reacciones retro-Diels-Alder), en las que una molécula que posee un ciclo de seis miembros con una insaturación, se fragmenta en un dieno y un dienófilo a través de un estado de transición pericíclico de seis electrones igual al de una reacción de Diels-Alder2. En las reacciones retro-Diels-Alder se produce la transformación neta de dos enlaces σ en dos enlaces π, lo que no las favorece desde el punto de vista de la entalpía de reacción. Sin embargo, el factor entrópico es favorable porque se gana en desorden (bien porque se producen dos moléculas a partir de una, o bien, en el caso de que los fragmentos sigan conectados por una cadena de enlaces, porque se gana en libertad conformacional). En conjunto, encontramos que serán espontáneas3 a temperaturas bajas las reacciones de retro-DielsAlder en las que se produzca la liberación de fuertes tensiones de anillo y/o la expulsión de fragmentos particularmente estables (como pueden ser aromáticos, CO2 o N2) porque en esos casos sí que se tendrá una variación entálpica favorable (negativa). Por otro lado, a medida que aumente la temperatura se verá

2

Recordemos que las reacciones pericíclicas son reacciones reversibles y, desde ese punto de vista, el estado de transición de una reacción retro-Diels-Alder es el mismo que el de la correspondiente reacción de Diels-Alder directa. 3 Recordemos aquí que la espontaneidad de una reacción depende de la variación de energía libre (∆G), que contempla la variación de entalpía (∆H) más un factor entrópico en el que participan la variación de entropía y la temperatura absoluta (∆G = ∆H - T ∆S).

18

favorecida la espontaneidad de todas las reacciones retro-Diels-Alder porque el factor entrópico las favorece siempre. En la Figura 21 se dan algunos ejemplos. CO2Me (1)

CO2Me

500 ºC

+

CO2Me

CO2Me 350 ºC O

+

(2) O

O

O O O

(3)

O 150 ºC

Ph (4)

N N

R

O

50 ºC D-A CO2Me

Ph

CO2Me

CO2Me

N N Ph

N R

+

N O

O

MeO2C N N Ph

Ph N N

retro D-A

CO2Me

N N

+

N2

CO2Me Ph

Figura 21. Algunos ejemplos de reacciones retro-Diels-Alder.

Cicloadiciones [3+2] de seis electrones (cicloadiciones 1,3-dipolares). Las reacciones conocidas como “cicloadiciones 1,3-dipolares” son reacciones pericíclicas en las que participan seis electrones π aportados por dos fragmentos, uno que aporta cuatro electrones y otro que aporta dos. En este sentido son iguales que las reacciones de Diels-Alder. La diferencia con estas últimas es que en las cicloadiciones 1,3-dipolares el fragmento que aporta los cuatro electrones es un dipolo con tres centros entre los que se encuentran deslocalizados esos 4 electrones. Los dipolos más comunes ozono, azidas, diazocompuestos, iluros de azometina, nitronas y óxidos de nitrilo son los representados en la Figura 22.

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Figura 22. 1,3-Dipolos comúnmente empleados en reacciones 1,3-dipolares.

Estos dipolos, aunque son especies neutras, presentan separación formal de carga. En todos ellos participa al menos un heteroátomo, en la posición central del dipolo, llevando la carga positiva. La carga negativa del dipolo resuena entre los dos extremos del sistema de tres centros. Esos extremos pueden ser átomos de carbono (como en los iluros de azometina) o heteroátomos (nitrógeno u oxígeno). El movimiento pericíclico de electrones que da lugar a la cicloadición se formula como aparece descrito en la Figura 23 para el caso de un iluro de azometina que reacciona con el fumarodinitrilo. En cuanto a la nomenclatura específica para este tipo de reacciones, el componente dipolar que aporta los cuatro electrones π distribuidos en tres centros se denomina dipolo, mientras que el sistema π de dos electrones que reacciona con él se denomina dipolarófilo.

Figura 23. Movimiento pericíclico de electrones en una reacción 1,3-dipolar.

Siguiendo la metodología que hemos aplicado anteriormente para las reacciones de Diels-Alder, podemos deducir también las reglas de selección para estas reacciones.

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Así, tal y como comprobamos en la Figura 24, bajo condiciones térmicas, estas reacciones son permitidas para interacciones suprafacial-suprafacial de los dos componentes (dipolo y dipolarófilo).

Figura 24. Predicción de la regla de selección para cicloadiciones 1,3-dipolares bajo condiciones térmicas.

Los dipolos son intrínsecamente ricos en electrones porque tienen cuatro electrones en tres centros, de ahí que reaccionen bien con los alquenos que tienen grupos electrón-atrayentes. La ozonolisis de alquenos (Figura 25) es un proceso muy interesante en el tema que nos ocupa puesto que incluye tres reacciones pericíclicas consecutivas de tipo cicloadición 1,3-dipolar, tal y como se observa en la diapositiva.

Figura 25. Ozonolisis de alquenos, un ejemplo de cicloadiciones 1,3-dipolares.

Las cicloadiciones 1,3-dipolares tienen control orbitálico. Por tanto, en reacciones de demanda normal la regioselectividad viene dada por la interacción 21

del extremo del dipolo cuyo HOMO tiene el mayor coeficiente orbitálico, con el extremo del dipolarófilo cuyo LUMO tiene el mayor coeficiente orbitálico. Sin embargo, en los dipolos no es fácil de predecir cuál es el extremo con mayor coeficiente orbitálico a través de formas resonantes. Sí podemos decir que, en el caso de las nitronas, el extremo con mayor coeficiente en el HOMO es el oxígeno (ver Figura 26); o en los diazoderivados sencillos, como el diazometano, el mayor coeficiente del HOMO corresponde al carbono (ver Figura 27). En los otros dipolos que se mencionaron más arriba dependerá de los sustituyentes (para el ozono no tiene sentido porque es simétrico).

Figura 26. Ejemplo de regioselectividad en la cicloadición 1,3-dipolar de una nitrona con acrilonitrilo.

Figura 27. Ejemplo de regioselectividad en la Cicloadición 1,3-dipolar de diazometano con metacrilato de etilo.

En lo referente a la estereoquímica de las cicloadiciones 1,3-dipolares, al igual que en las reacciones de Diels-Alder, el producto que se forma preferentemente es el producto endo (Figura 28).

22

Figura 28. La estereoquímica preferida en las cicloadiciones 1,3-dipolares es “endo”.

Cicloadiciones [2+2] de cuatro electrones. Las Cicloadiciones [2+2] son procesos en los que intervienen dos fragmentos, cada uno de los cuales aporta dos electrones pi, de modo que el estado de transición cíclico involucra un total de 4 electrones. Las reglas de selección indican que bajo condiciones térmicas las reacciones de ciclación [2+2] son permitidas si uno de los componentes interactúa de modo suprafacial y el otro antarafacial (Figura 29). Esta estereoquímica, difícil de conseguir, impone bastantes restricciones a las cicloadiciones térmicas [2+2].

H2C CH2

H2C CH2

antarafacial

LUMO

A A HOMO

B suprafacial

B

Figura 29. Predicción de la regla de selección para cicloadiciones [2+2] de cuatro electrones bajo condiciones térmicas.

23

En cambio, bajo condiciones fotoquímicas, son permitidas las cicloadiciones [2+2] que se producen a través de interacciones suprafaciales de los dos componentes. Esta estereoquímica es fácilmente alcanzable, por lo que las cicloadiciones [2+2] fotoquímicas son perfectamente viables.

H2C CH2

H2C CH2 suprafacial

LUMO HOMO

A A

B suprafacial

B Figura 30. Predicción de la regla de selección para cicloadiciones [2+2] de cuatro electrones bajo condiciones fotoquímicas.

Por tanto, a efectos prácticos, las Cicloadiciones [2+2] solo se producen en dos situaciones: • •

En reacciones fotoquímicas entre sistemas de dobles enlaces sencillos (ver ejemplos en Figura 31). En reacciones térmicas en las que uno de los componentes es un cumuleno (por ejemplo cetenas, R2C=C=O, isocianatos, RN=C=O, …). Los cumulenos sí permiten establecer una interacción supraalquenoantaracumuleno debido a su estructura lineal. Su geometría (que provoca menor impedimento estérico) permite que se alcancen estados de transición en los que el LUMO del cumuleno interaccione de manera antarafacial con el HOMO del alqueno, bajo condiciones térmicas (ver Figura 32).

Figura 31. Ejemplos de cicloadiciones fotoquímicas [2+2] de cuatro electrones.

24

Figura 32. Ejemplos de cicloadiciones térmicas [2+2] de cuatro electrones con participación de cumulenos (cetena e isocianato).

Reacciones quelotrópicas. Las reacciones quelotrópicas son cicloadiciones en las que uno de los componentes tiene un solo átomo que aporta dos electrones al estado de transición pericíclico. Algunas son de gran interés desde el punto de vista sintético. Nos limitaremos a describir los ejemplos más típicos de estas reacciones son: •

La cicloadición de carbenos singletes a dobles enlaces, que sería un proceso de cuatro electrones, de tipo [2+1], cuyo resultado es la formación de un ciclopropano (Figura 33).

Figura 33. Cicloadición [2+1] de cuatro electrones entre un carbeno singlete y un alqueno.

•

La extrusión de dióxido de azufre de sulfonas cíclicas insaturadas de 5 miembros, que conduce a la formación de butadienos. Sería una reacción retro-quelotrópica de tipo [4+1] de 6 electrones (Figura 34).

Figura 34. Reacción retro-quelotrópica de tipo [4+1] de seis electrones con extrusión de dióxido de azufre.

25

•

La extrusión de monóxido de carbono (CO) de sistemas bicíclicos insaturados con un puente de carbonilo, que sería también una reacción retro-quelotrópica [4+1] de 6 electrones (Figura 35).

Figura 35. Secuencia Diels-Alder/retro-quelotrópica que acaba con expulsión de monóxido de carbono.

Reacciones electrocíclicas. Continuamos la descripción de los distintos tipos de reacciones pericíclicas con el análisis de las reacciones electrocíclicas, que hemos definido como: transformaciones intramoleculares en las que tiene lugar la formación de un anillo por unión entre los extremos de un sistema π conjugado. El producto tiene un enlace π menos y un enlace σ más. En la reacción inversa, se produce la apertura de un anillo por rotura de un enlace σ para dar lugar a un sistema π conjugado que tiene como extremos los átomos entre los que se ha roto el enlace sigma; de ahí que el producto de apertura tenga un enlace π más y un enlace σ menos. Al tratarse de reagrupamientos (reacciones intramoleculares) en los que el estado de transición es común tanto para la reacción de apertura como para la de cierre del anillo, serán reacciones de equilibrio en las que el desplazamiento del mismo vendrá determinado por la estabilidad relativa de los compuestos involucrados en la transformación. En el primero de los ejemplos que se presentan en la Figura 36, las condiciones térmicas favorecen la apertura del ciclobuteno porque, a pesar de que un enlace σ supone una estabilización mayor que un enlace pi, la liberación de la tensión del ciclo de cuatro miembros. Por otra parte, las condiciones fotoquímica de electrociclación pueden hacerse selectivas para la formación del ciclobuteno debido a que el sistema de butadieno absorbe luz UV de longitudes de onda superiores a 210 nm, mientras que el ciclobuteno absorbe por debajo de 200 nm. De esta forma, iluminando con luz UV de longitud de onda superior a 210 nm conseguimos que reaccione únicamente el butadieno para dar el ciclobuteno. En el segundo de los ejemplos de la Figura 36, las condiciones térmicas favorecen la formación del ciclo de cuatro miembros porque la estabilización adicional que supone la aromatización del anillo de seis miembros hace que se pueda vencer la desestabilización debida a la tensión del ciclo de cuatro miembros. 26

Figura 36. Ejemplos de reacciones electrocíclicas.

Además de los factores de estabilidad, la viabilidad de las reacciones viene determinada por las demandas estereoquímicas de las reacciones. Supongamos un reagrupamiento electrocíclico en el que un derivado de butadieno cicla para dar un derivado de ciclobuteno (Figura 37). En estos casos nos quedará la incertidumbre de la estereoquímica de los sustituyentes del ciclobuteno porque, en principio, hay varias posibilidades dependiendo de cómo “giren” los sustituyentes de los extremos del butadieno a la hora de enlazarse. Vamos a analizar más detenidamente la estereoquímica del proceso.

Figura 37. Electrociclación de butadieno a ciclobuteno.

El diagrama de orbitales moleculares corresponde al de un sistema con cuatro electrones π deslocalizados en cuatro centros. Construimos los orbitales moleculares de forma cualitativa empleando orbitales atómicos p, de acuerdo con la metodología descrita más arriba (Figura 38). El orbital que participe en el proceso pericíclico será un orbital ocupado por electrones, puesto que se necesitan electrones para la formación del nuevo enlace sigma. Por tanto, identificamos el HOMO como el orbital que participa en el proceso electrocíclico.

27

Figura 38. Orbitales moleculares del sistema π del butadieno y su ocupación bajo condiciones térmica y bajo condiciones fotoquímicas.

Ahora bien, bajo condiciones térmicas el HOMO es el orbital molecular Ψ2, un orbital con un solo nodo en el centro y con un eje de simetría de orden dos. Sin embargo, bajo condiciones fotoquímicas, el HOMO será el orbital molecular Ψ3, que tiene dos nodos y presenta un plano de simetría que pasa por su centro (Figura 38). Así pues, dependiendo de que las condiciones sean térmicas o fotoquímicas la simetría del orbital que participa en la transformación será diferente. Tomando el HOMO del butadieno en condiciones térmicas encontramos que, en principio, podríamos girar los extremos del sistema π del butadieno de dos formas diferentes para generar el nuevo enlace σ que cierra el ciclo y da lugar al ciclobuteno (Figura 39): De forma conrotatoria, esto es, girando los dos extremos en sentido de las agujas del reloj (o los dos en sentido contrario a las agujas del reloj). En ese caso, las interacciones entre los lóbulos de los orbitales p de los carbonos de los extremos del sistema de butadieno son enlazantes porque ambos lóbulos tienen el mismo signo. De forma disrotatoria, es decir, girando uno de los extremos del butadieno en sentido de las agujas del reloj y el otro en sentido contrario. Pero en este caso, los lóbulos de los orbitales p de los carbonos de los extremos del sistema de butadieno no pueden establecer una interacción enlazante porque tienen signos contrarios.

28

Figura 39. Viabilidad del proceso de electrociclación de butadieno a ciclobuteno bajo condiciones térmicas.

De esta forma hemos encontrado las reglas de selección para este proceso y decimos que para el butadieno, bajo condiciones térmicas, la electrociclación conrotatoria de butadieno a ciclobuteno es permitida, mientras que la electrociclación disrotatoria es prohibida. Por otra parte, tomando el HOMO del butadieno en condiciones fotoquímica encontramos que: El giro conrotatorio de los extremos del butadieno genera ahora una interacción antienlazante.

Energía

El giro conrotatorio da lugar a la interacción enlazante que permite la formación del ciclobuteno.

Figura 40. Viabilidad del proceso de electrociclación de butadieno a ciclobuteno bajo condiciones fotoquímicas.

29

Por tanto, decimos que para el butadieno, bajo condiciones fotoquímicas, la electrociclación conrotatoria de butadieno a ciclobuteno es prohibida, mientras que la electrociclación disrotatoria es permitida. Las conclusiones que hemos extraído sobre viabilidad de la electrociclación del butadieno se derivan del hecho de que los orbitales moleculares de su sistema π alternan su simetría, de modo que, en la dirección de energía creciente, se van sucediendo los orbitales con un plano de simetría y con un eje de simetría. De este modo, si el orbital molecular HOMO ocupa un número par en la escala de energía, tendrá la simetría apropiada (poseerá un eje de simetría) para que la electrociclación conrotatoria sea permitida (y la disrotatoria prohibida). En cambio, si el orbital molecular HOMO ocupa una posición impar en la escala de energía, su simetría (un plano de simetría) hará que la electrociclación permitida sea la disrotatoria (y la conrotatoria prohibida). Considerando que los sistemas de enlaces π conjugados son planos, la electrociclación del butadieno bajo condiciones térmicas debe producirse por interacción de lóbulos de orbitales p que están en caras opuestas del plano. A este tipo de interacción se le denomina antarafacial (ver Figura 41). En cambio, bajo condiciones fotoquímicas, la formación del ciclobuteno a partir del butadieno debe producirse por interacción suprafacial, es decir, de lóbulos de los orbitales p terminales que están en la misma cara del plano definido por los dobles enlaces del sistema pi. Lo que nos lleva a que una estereoquímica disrotatoria (Figura 41) Suprafacial out

Antarafacial out

in in out

in in out

CONDICIONES TÉRMICAS

CONDICIONES FOTOQUÍMICAS

Figura 41. Descripción de interacciones suprafaciales y antarafaciales enlazantes en electrociclaciones.

En general, hemos de tomar en cuenta que una estereoquímica conrotatoria es equivalente a una interacción antarafacial, mientras que una estereoquímica disrotatoria produce una interacción suprafacial. Para la reacción inversa, esto es, la apertura del ciclobuteno para dar butadieno, atendiendo al principio de reversibilidad microscópica, según el cual el estado de transición de una reacción de una sola etapa es común para la reacción directa 30

y para la reacción inversa, las conclusiones acerca de la estereoquímica que hemos extraído para el proceso de formación del ciclo serán válidas para el proceso de apertura del ciclo, de modo que bajo condiciones térmicas el proceso permitido será el de estereoquímica conrotatoria. En cambio, la apertura disrotatoria será prohibida en condiciones térmicas, pero permitida en condiciones fotoquímicas. De las conclusiones que acabamos de obtener para el proceso de electrociclación del butadieno acerca de la relación entre la simetría del orbital HOMO y el carácter permitido o prohibido de las estereoquímicas conrotatoria y disrotatoria, podemos establecer las siguientes GENERALIZACIONES aplicables a las reacciones electrocíclicas, tanto de apertura como de cierre de ciclos: 1. Para los sistemas con número par de enlaces π conjugados (sistemas con 4n electrones, como el del butadieno que acabamos de comentar) bajo condiciones térmicas el HOMO ocupará siempre una posición par en la escala de energía y será un orbital con un eje de simetría, de ahí que la electrociclación permitida sea la conrotatoria; mientras que la electrociclación disrotatoria será prohibida. En estos mismos sistemas, bajo condiciones fotoquímicas el HOMO será un orbital que ocupe una posición impar en la escala de energía, por lo que tendrá un plano de simetría y esto hará que la electrociclación permitida sea la disrotatoria, mientras que la conrotatoria estará prohibida. 2. Por otra parte, para los sistemas con número impar de enlaces π conjugados tendremos la situación contraria. Esto es, bajo condiciones térmicas el HOMO será un orbital con número impar en la escala de energía, lo que hará que la electrociclación disrotatoria sea permitida y la conrotatoria prohibida. En cambio, bajo condiciones fotoquímicas el HOMO será un orbital con número par en la escala de energía y esto hará que la electrociclación permitida sea la conrotatoria, mientras que la disrotatoria será prohibida. Estas conclusiones generales aparecen recogidas esquemáticamente en la tabla siguiente:

31

Tabla 2. Generalización de las reglas de selección para procesos electrocíclicos.

Nº de dobles enlaces conjugados

par

impar

Nº e- π

Condiciones

Estereoquímica permitida

Térmicas

Conrotatoria (antarafacial)

Fotoquímicas

Disrotatoria (suprafacial)

Térmicas

Disrotatoria (suprafacial)

Fotoquímicas

Conrotatoria (antarafacial)

4n

4n +2

La generalización de las reglas de selección para las reacciones electrocíclicas que acabamos de hacer se pueden comprobar en el caso de la electrociclación de hexatrieno a ciclohexadieno. En la Figura 42 se representan las reglas de selección para la electrociclación de hexatrieno en condiciones térmicas y su consecuencia en la estereoquímica relativa de los sustituyentes de los extremos del sistema de trieno.

Figura 42. Reglas de selección para el proceso de electrociclación de ciclohexatrieno bajo condiciones térmicas.

Para la electrociclación del hexadieno en condiciones fotoquímicas (Figura 43) tenemos que la reacción es viable a través de un proceso conrotatorio (al contrario que en condiciones térmicas), por lo que la estereoquímica relativa de 32

los sustituyentes del extremo del sistema de hexatrieno es contraria a la que se obtiene en el caso de las condiciones térmicas. Disrotatorio (suprafacial) PROHIBIDO

R1

R

HOMO R

R1 Conrotatorio (antarafacial) PERMITIDO

R1 R

Figura 43. Reglas de selección para el proceso de electrociclación de ciclohexatrieno bajo condiciones fotoquímicas.

A continuación expondremos algunos ejemplos típicos de reacciones electrocíclicas. En la Figura 44 se presentan dos casos de electrociclaciones de hexatrieno a ciclohexadieno. Estas reacciones están permitidas bajo condiciones térmicas con estereoquímica disrotatoria (suprafacial), y bajo condiciones fotoquímicas con estereoquímica conrotatoria (antarafacial). Igualmente ocurre para las reacciones inversas (esto es, apertura electrocíclica de ciclohexadieno para dar hexatrieno).

Figura 44. Dos ejemplos de electrociclaciones de hexatrieno a ciclohexadieno.

En el primer caso, dado que el ciclohexadieno no presenta una tensión de anillo apreciable, bajo condiciones térmicas la reacción está desplazada hacia la formación del sistema cíclico por la estabilización que supone la formación de un enlace σ a partir de un π. Bajo condiciones fotoquímicas, aparte de la mayor estabilidad del isómero cíclico, podemos desplazar la reacción en la dirección de cierre del anillo eligiendo una longitud de onda de irradiación a la que adsorba el trieno y no el dieno. 33

En el caso de la ciclación de cicloheptatrieno a norcaradieno, la tensión que introduce el anillo de tres miembros hace que se pierda la ventaja energética que teníamos en el caso anterior por transformación de un enlace π en un enlace π, de modo que ahora la interconversión térmica de las dos especies a temperatura ambiente se produce rápidamente y con una constante de equilibrio próxima a la unidad. También sufren reacciones electrocíclicas sistemas cargados, como es el caso de los cationes alilo y pentadienilo (Figura 45), aunque tienen menor aplicación sintética.

Figura 45. Electrociclación de cationes alilo y pentadienilo.

En el catión alilo, tenemos dos electrones en un sistema π de tres centros. Bajo condiciones térmicas el orbital HOMO será el de más baja energía, con un plano de simetría, por lo que la electrociclación permitida será la disrotatoria (suprafacial). Para el catión pentadienilo, con cuatro electrones π deslocalizado en cinco centros, en condiciones térmicas el HOMO será el segundo orbital y tendrá un eje de simetría, por lo que la electrociclación permitida será la conrotatoria (antarafacial). La conocida como “ciclación de Nazarov” (obtención de ciclopentenonas a partir de divinilcetonas) es una de las aplicaciones sintéticas de la ciclación de cationes pentadienilo. Una de las formas resonantes del complejo de la cetona con cloruro de estaño tiene claramente la estructura de catión pentadienilo (ver Figura 46), cuya electrociclación permite la formación de un catión cíclico de cinco miembros. El resto de la transformación se completa con la salida del catión trimetilsililo para neutralizar la carga positiva del ciclo, formando un nuevo doble enlace; y finalmente la hidrólisis del enlace O-Sn permite la restauración del grupo carbonilo.

34

Figura 46. Ejemplo de ciclación de Nazarov, aplicación sintética de la electrociclación de cationes pentadienilo.

Reagrupamientos sigmatrópicos. Las reacciones sigmatrópicas son reacciones intramoleculares, de ahí que habitualmente se les denomine “reagrupamientos sigmatrópicos”. En ellas, el número total de enlaces σ y enlaces π no varía, pero sí que se reordenan y cambian de posición. En la Figura 47 se presenta un ejemplo típico de reagrupamiento sigmatrópico (reagrupamiento de Claisen) y se marca la guía para nombrar este tipo de procesos.

Figura 47. Ejemplo de reagrupamiento sigmatrópico y guía para la nomenclatura de estos procesos pericíclicos.

Para designar a los reagrupamientos sigmatrópicos se procede en dos pasos: 1. Se toma el enlace σ que se rompe y a partir de él se numeran los átomos de las dos cadenas cuyos extremos se unirán para dar lugar al nuevo enlace σ que se va a formar. 2. Se toma el número resultante para los átomos de las dos cadenas que se unirán para formar el nuevo enlace σ. Esos números son los que se colocan entre corchetes, separándolos con una coma.

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Los reagrupamientos sigmatrópicos más comunes son probablemente los reagrupamientos [3,3] y las migraciones [1,5] de hidrógeno. A continuación comentaremos las reglas de selección y la estereoquímica de estos procesos. Los reagrupamientos sigmatrópicos [3,3] son reacciones pericíclicas en las que un fragmento de seis átomos con dos enlaces π separados por tres enlaces σ se transforma, rompiendo el enlace σ central, formando un nuevo enlace σ entre los extremos del sistema de seis átomos, y desplazando los enlaces π una posición hacia el centro. En la Figura 48 se representan algunos de los ejemplos más típicos de reagrupamientos sigmatrópicos [3,3], que incluyen los reagrupamientos de Cope y de Claisen.

Figura 48. Ejemplos de los tipos más frecuentes de reagrupamientos sigmatrópicos [3,3].

Para analizar la viabilidad de los reagrupamientos sigmatrópicos [3,3] utilizamos el artificio de dividir el sistema de seis átomos que participan en el reagrupamiento rompiendo homolíticamente el enlace σ central de dicho sistema, de modo que nos quedan dos subsistemas de radicales de tipo alílico, cuya interacción es la que analizaremos (Figura 49). Estos dos subsistemas, en el estado de transición, están rompiendo un enlace σ por los extremos que tienen originalmente unidos, a la vez que están formando un nuevo enlace σ por los otros extremos. Ahora tenemos una interacción entre dos fragmentos radicalarios y, por tanto, a la hora de estudiar la viabilidad de estas reacciones hemos de tener en cuenta que los orbitales que interaccionan son los que están ocupados por el electrón desapareado (ahora no son interacciones HOMOLUMO las que dirigen la reacción). Así, para que la reacción sea viable, tomando en cuenta la simetría de los orbitales de los subsistemas alílicos, la interacción entre los dos fragmentos tiene que ser suprafacial para ambos subsistemas. Como resultado, la geometría del estado de transición es una conformación de tipo “silla”, para que la interacción de los dos subsistemas pueda ser suprafacial.

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Figura 49. Deducción de las reglas de selección para los procesos de reagrupamiento sigmatrópico [3,3] bajo condiciones térmicas.

En el caso de los reagrupamientos [1,5] de hidrógeno (Figura 50), los dos fragmentos que interaccionan en el estado de transición son los dos radicales resultantes de la rotura homolítica del enlace σ que une el hidrógeno que migra al esqueleto de cinco átomos en el que se produce la migración. Esto es, un radical hidrógeno y un radical pentadienilo. Habida cuenta de que el orbital ocupado por el electrón desapareado en el fragmento de pentadienilo tiene un plano de simetría, la interacción que permite la transferencia del radical hidrógeno de un extremo al otro del sistema de pentadienilo tiene que ser suprafacial respecto de éste, lo cual es una geometría relativamente fácil de alcanzar y por tanto son reacciones permitidas. De ahí que estos procesos sean relativamente frecuentes.

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1 H

OBn

OBn H

1 2

5 4

H

H

H

H

H

3

H OBn

OBn

H H

OBn

OBn

H H

H

suprafacial OBn

Figura 50. Deducción de las reglas de selección para los procesos de reagrupamiento sigmatrópico [1,5] de hidrógeno bajo condiciones térmicas.

Reacciones “eno”. Las conocidas como “reacciones eno” son transformaciones pericíclicas que tienen parecido con las reacciones de Diels-Alder y con los reagrupamientos sigmatrópicos simultáneamente (Figura 51). El parecido con las cicloadiciones de Diels-Alder procede del hecho de que las reacciones eno se producen entre dos fragmentos, uno con cuatro electrones repartidos entre cuatro centros, y el otro con dos electrones π en dos centros (se trataría de una reacción [4+2], si bien, en este caso, el fragmento de cuatro electrones lo que aporta son dos electrones π y dos electrones sigma). El parecido con los reagrupamientos sigmatrópicos proviene del hecho de que en el fragmento de cuatro átomos se rompe un enlace σ del extremo de ese fragmento.

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Figura 51. Esquema básico de una reacción de tipo “eno”.

En estas reacciones el fragmento de cuatro átomos y cuatro electrones se denomina eno; mientras que el fragmento con dos electrones π se denomina enófilo. En el estado de transición se produce una interacción del HOMOeno con el LUMOenófilo. El HOMOeno es el segundo orbital en la escala de energía y tiene un solo nodo. La reacción tiene lugar por interacción suprafacial de los dos orbitales frontera, por lo que la geometría es fácil de alcanzar y la reacción es permitida térmicamente. No obstante, estas reacciones requieren unas temperaturas relativamente elevadas, por lo que es frecuente encontrarlas catalizadas por ácidos de Lewis cuando el enófilo es un doble enlace C=O, lo que permite llevarlas a cabo a temperatura ambiente.

Figura 52. Reglas de selección para reacciones “eno” bajo condiciones térmicas.

He aquí un ejemplo típico de reacción eno, en la que se ha dibujado su estado de transición y la estereoquímica de los productos resultantes.

39

Figura 53. Ejemplo típico de reacción de tipo “eno”

Entre las reacciones “eno” más típicas se encuentran las eliminaciones concertadas que se producen a través de un mecanismo pericíclico de tipo retroeno, como las que aparecen en la Figura 54.

Figura 54. Reacciones retro-eno con aplicación sintética.

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