QUÍMICA ORGÁNICA AVANZADA

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1 QUÍMICA GÁNICA AVANZADA Tema 19 : EACCINES DE EDUCCIÓN 1

2 Este tema está estructurado para realizar el estudio de los tres grandes sistemas de reducción que se emplean en Química rgánica. Se van a describir: 1. IDGENACIÓN CATALÍTICA 2. IDUS METÁLICS 3. METALES EN DISLUCIÓN Con el siguiente programa 2

3 1. IDGENACIÓN CATALÍTICA Descripción Variables Catalizadores Venenos Disolventes idrogenadores Grupos funcionales sensibles Condiciones de reacción eacciones producidas Mecanismo y estereoquímica idrogenación catalítica omogénea 3

4 2. IDUS METÁLICS Características Tipos y reactividad relativa Disolventes Mecanismo Estereoquímica Grupos funcionales sensibles idruros selectivos 4

5 3. METALES EN DISLUCIÓN Fundamento Productos de reacción Mecanismos educción de Clemensen Metal / alcohol educción de Birch 5

6 1. IDGENACIÓN CATALÍTICA CATÁLISIS ETEGÉNEA: IDÓGEN GAS CATALIZAD SÓLID EACTIV EN DISLUCIÓN (DISLVENTE) VAIABLES DEL SISTEMA: TEMPEATUA PESIÓN METAL CATALIZAD ESTAD FÍSIC DEL CATALIZAD (ACTIVIDAD) DISLVENTE EQUIP INSTUMENTAL (IDGENAD) 6

7 CATALIZADES: metales nobles con preparación. PAA BAJAS PESINES: Pt (finamente dividido) Pt 2 (Adams) Pd y h (depositados sobre inerte: C activo, Al 2 3,CaC 3, BaS 4 PAA ALTAS PESINES: Ni-aney (poroso: aleación de Al-Ni atacada por Na) Lindlar: Pd sobre BaS 4 envenenado con quinoleina u (finamente dividido) 7

8 VENENS DE CATALIZAD: sustancias con adsorción irreversible que desactivan el metal para su función catalítica. Ejemplos: g, Pb, derivados de S, aminas... DISLVENTES: CAPACIDAD DE SLUBILIZACIÓN, ACIDEZ Y PLAIDAD aumento de la potencia de hidrogenación neutro / apolar ácido / polar 8

9 IDGENAD PA 9

10 Según los efectos causados por la hidrogenación catalítica las reacciones producidas pueden ser de: SATUACIÓN: proceso de adición a una insaturación IDGENLISIS: proceso de sustitución, previa fisión de un enlace (C-X, N-N, N-, -, C-S). C 3 C 3 Cl osemund N 2 N 2 10

11 MECANISM C C 2 C=C 2 Primero el 2 se adsorbe sobre la superficie del metal, luego se rompen los enlaces σ y se forman enlaces -metal. Se adsorbe el alqueno en la superficie del metal y su orbital π interactua con los orbitales vacíos del metal C C C C La molécula de alqueno se desplaza sobre la superficie hasta que colisiona con un átomo de hidrógeno unido al metal, se produce la reacción y se regenera el catalizador Alicia Baldessari 11

12 ESTEEQUIMICA DE LA IDGENACIN CATALITICA ADICIN SYN Los dos átomos de hidrógeno se adicionan a la misma cara del doble enlace C 3 2 Pt 2 C 3 C 3 C 3 cis-1,2-dimetilciclohexano 3 C C 3 3 C C 3 2 C 3 3 C Pd α- pineno reducción exclusivamente en la cara inferior por bloqueo del metilo Alicia Baldessari 12

13 La adsorción del reactivo para la formación del complejo π se produce por la posición menos impedida estéricamente. + + metal 83 % 17 % Lo que conduce a una mayor abundancia del estereoisómero producto de la transferencia de los dos hidrógenos desde la superficie del metal al complejo π más estable. complejo impedido ESTEESELECTIVIDAD 13

14 MAY FACILIDAD DE EDUCCIÓN GUPS FUNCINALES SENSIBLES A LA IDGENACIÓN CATALÍTICA nº reactivo producto 1 -C-Cl -C 2 -N 2 -N 2 3 -C=C- -C=C- (cis) 4 -X - 5 -C -C 2-6 -C=C- -C 2 -C 2-7 -C- -C- 8 -C=N -C 2 -N 2 9 -C -C C-N- -C 2 -N- Posibilidad de reducción selectiva de grupos funcionales 14

15 La hidrogenación catalítica también puede ser homogénea con los catalizadores WILKINSN estudiados en el tema de Catálisis: [(C 6 5 ) 3 P] 3 hcl [(C 6 5 ) 3 P] 3 ucl En estos procesos la hidrogenación: es más selectiva para el doble enlace cursa sin isomerización es altamente estereoespecífica es adición SYN los catalizadores no presentan problemas de envenenamiento 15

16 Catálisis homogénea: mecanismo de hidrogenación de los catalizadores de Wilkinson [Cloro tris(trifenilfosfina) odio (III)] SELECTIVIDAD DE DBLES ENLACES, ESPECIALMENTE TEMINALES P P P P 2 P h h Cl h Cl P P Cl P= PPh 3 No se afectan C, -C-, -C, -CN, -N 2, -C C C P P h Cl + C-C P C h C P Cl P h Cl Ph C C 16

17 2. IDUS METÁLICS Fundamento: especies conteniendo (δ-), con actuación reductora vía transferencia de hidruro ( - ). Al - δ+ δ- e = 1,5 e = 2,1 Fuerte nucleófilo 17

18 Característica esencial de su uso: selectividad Actúan sobre insaturaciones polares: C=, C=N, N=, CΞN No actúan sobre insaturaciones apolares: C=C, CΞC Estructura: se presentan como hidruros libres o como complejos de coordinación: Libres: B 2 6, Al 3, Na, Li Complejos: NaB 4, LiAl 4, LiB 4, LiBEt 3 B Na + Al Li + BIDU DE SDI IDU DE LITI Y ALUMINI btención: Al 3 + Li Li + [Al 4 ] - 18

19 IDUS DE US ESPECÍFIC FÓMULA GENEAL: (MA) x [MS m n ] MA = metal alcalino para neutralidad eléctrica M = metal ión central del complejo: B, Al S = sustituyente regulador: -, -CN, - = hidrogenos para transferir como hidruros 19

20 BJETIV del uso de hidruros específicos: conseguir alta selectividad mediante la modulación de: reactividad (capacidad de transferencia de hidruro) volumen (factores estéricos). DESCIPCIÓN DE TES EACTIVS idruro de tri-terc-butoxialuminato de litio Li Al[--C(C 3 ) 3 ] 3 Menos reactivo que LiAl 4 Gran volumen Selectividad: reduce C y C=; no reduce X, -CΞN, -N 2 20

21 idruro de diisobutilaluminio (DIBAL) Al [-C 2 -C(C 3 ) 2 ] 2 Selectividad (gran volumen, baja capacidad reductora): T Ésteres, lactonas, nitrilos, amidas aldehídos -CΞC- -C=C-C- -C=C- (Z) -C=C-C()- Cianoborohidruro sódico Na B(CN) 3 Menos reactivo que NaB 4 (efecto inductivo del CN) 21

22 Disolventes para la reducción: LiAl 4 : {secos: - Al } éter etílico tetrahidrofurano (TF) C 3 --C 2 -C 2 --C 3 (control temperatura) C 3 --C 2 -C 2 --C 2 -C 2 --C 3 (diglime) NaB 4 : (frío alcalino no reacciona con hidrógenos activos) 2 Me, Et 22

23 Mecanismo de reacción: caso de reducción de acetona con borohidruro sódico - B + 1 B 3 2 C B C 3 3 B / + - B 4 + B() 4 La vía 1 es válida para los hidruros menos reactivos que son compatibles con disolventes próticos y la vía 2 es la que siguen los reductores más reactivos que sólo son compatibles con disolventes apróticos. 23

24 MECANISM DE EACCIÓN DE EDUCCIÓN DE UN ESTE CN IDU DE LITI Y ALUMINI ATAQUE NUCLEÓFIL DE IDU A GUP CABNIL PÉDIDA DEL ALCÓXID FACILITADA P UN ÁCID DE LEWIS IÓN ALCÓXID NEUTALIZAD P EL CATIÓN LITI SEGUNDA EDUCCIÓN DEL GUP CABNIL PTNACIÓN DEL IÓN ALCÓXID P ÁCID AÑADID EN UN SEGUND PAS DS ALCLES PDUCT DE LA EDUCCIÓN 24

25 ESTEEQUÍMICA DE LA EDUCCIÓN CN IDUS METÁLICS La reducción por transferencia de hidruro provoca en ocasiones la formación de un nuevo centro quiral cuya configuración dependerá del tipo de grupo funcional atacado y del mecanismo de reacción seguido. Así, puede generar quiralidad la reducción de algunos ésteres, cetonas, haluros de alquilo y oxiranos. - Br - Adición C=: racemización - SN2: inversión de configuración 25

26 En algunos casos, como el de ciertas cetonas, se observa un comportamiento estereoselectivo. La incidencia es más marcada cuando se genera el nuevo centro quiral en estructuras rígidas y en moléculas impedidas, obteniéndose mayor abundancia de uno de los estereoisómeros en lugar del racémico. Los factores que determinan la ESTEESELECTIVIDAD son: 1. Impedimento estérico en la aproximación del reactivo reductor 2. Estabilidad del producto reducido En ocasiones, ambos efectos son contrapuestos y el resultado depende de la importancia de cada uno de ellos. A veces pueden observarse controles cinético y termodinámico. 26

27 1. Impedimento estérico en la aproximación del reactivo reductor 3 C 3 C C 3 El alcanfor es un buen ejemplo de molécula rígida presentando impedimento estérico para la aproximación del hidruro por uno de los lados de la cetona a reducir y despejado el otro. 27

28 3 C 3 C C 3 C 3 C 3 C 3 3 C 3 C 3 C LiAl % 10 % MÁS ABUNDANTE MÁS ESTABLE El estereoisómero menos estable es el más abundante en un claro control cinético del proceso ya que el estado de transición para su obtención es menos energético al no estar impedido. Con otro reductor más voluminoso, aún se aumentaría la diferencia. 28

29 SE PUEDE EFECTUA LA ISMEIZACIÓN VÍA CETNA APVECAND LA ALTA ESTEESELECTIVIDAD DEL PCES DE EDUCCIÓN CN IDUS METÁLICS: BNEL ALCANF ISBNEL p.f. 208ºC p.f. 180ºC p.f. 214ºC Aproximación impedida del hidruro Aproximación despejada del hidruro 29

30 2. Estabilidad del producto reducido LiAl % 10 % El estereoisómero más estable (ecuatorial-ecuatorial) es el que más abundantemente se obtiene. No existen problemas estéricos de aproximación del reactivo, salvo que éste fuera muy voluminoso no habría repulsión con el grupo terc-butilo. Aquí controla la estabilidad del estereoisómero producto que es paralela a la estabilidad del intermedio de reacción que conduce hasta él. 30

31 GUPS FUNCINALES SENSIBLES A LA EDUCCIÓN P LiAl 4 nº reactivo producto MAY FACILIDAD DE EDUCCIÓN 1 -C -C 2-2 -C-' -C()-' 3 -C' -C '- 4 -C -C 2-5 -C-N' -C 2 -N' 6 -CΞN -C 2 -N 2 7 'C=N- 'C-N 2 8 -N 2 (alifático) -N 2 9 -X - 10 'C--S 2 -'' -C 2 -' 11 -C-C-' -C 2 -C-' 31

32 3. METALES EN DISLUCIÓN Algunos metales en determinados disolventes tienden a liberar electrones que se estabilizan por solvatación mientras ellos se transforman por oxidación en los correspondientes cationes. Na (s) + N 3 (l) Na + Estos sistemas tienen un fuerte carácter reductor. + e - Un metal se disuelve en presencia de un donador de protones por formación de una sal y desprendimiento de hidrógeno: M(II) + 2 A MA Mientras se está produciendo esta reacción, en sí misma no deseable, el sistema tiene carácter reductor: N por el hidrógeno desprendido, sin presión suficiente y sin catalizador. SÍ por la capacidad de transferencia de electrones del metal en su oxidación: M(II) M e - 32

33 PAEJAS ÚTILES DE METAL-DNAD DE PTNES METAL: actividad metálica creciente Li Na K Mg Ca Zn Sn Fe DNAD DE PTNES: N 3-2 Ac Cl fuerza ácida 33

34 Se forman parejas útiles en la práctica, con actividad reductora suave y controlable, entre componentes de actividad metálica y acidez complementarias. Entre parejas con actividades similares, o no habría actividad: N 3 Fe o sería violenta o explosiva: Na Cl 34

35 Productos de la reducción y poder reductor empleado. El producto resultante de una reducción depende de la pareja metal-donador de protones empleada y de las condiciones: - C - + Zn/Cl -C C - + Na/Et -C()- - C - + Mg(g)/ 2 -C()-C()- dimerización 35

36 Mecanismo de la reducción por metales en disolución: Generalmente transcurre por transferencia de electrones con posterior protonación: educción de un enlace sencillo: Primer paso: X Y + electrón X + Y (fisión) Segundo paso: X + Y + electrón X + Y (aniones) X + Y X + Y o bien: X + Y + + X + Y Y Y (dímero) Depende de la disponibilidad de electrones y de protones (condiciones). 36

37 educción de un doble enlace: Primer paso: Segundo paso: X=Y + electrón X Y (anión-radical) o bien: X Y + electrón X Y (dianión) X Y X Y X Y + + X Y X Y Y X 37

38 Ejemplo de reducción de un carbonilo de cetona: ' M M + + electrón ' C + ' M M + + electrón + C ' ES CÍTICA LA PESENCIA DEL DNAD DE PTNES DESDE EL PINCIPI EN ADICIÓN PSTEI C ' ' ' 2 + ' ' Según condiciones se obtiene alcohol secundario o dimerización. 38

39 EDUCCIÓN CN METALES EN DISLUCIÓN EN AUSENCIA DE DNAD DE PTNES: CNDENSACIÓN ACILÍNICA MECANISM tautomería 39

40 Estudio de algunos casos particulares de reducción con metales en disolución de especial interés: 1) Metal y ácido fuerte [educción de Clemensen] 2) Metal y alcohol 3) Metal alcalino en amoniaco líquido [educción de Birch] 40

41 1) Metal y ácido fuerte [educción de Clemensen] La reducción de Clemensen se realiza hirviendo en disolución acuosa de ácido clorhídrico concentrado, el reactivo orgánico a reducir y amalgama de cinc. Generalmente produce buenos resultados: aldehído hasta grupo metilo y cetona hasta metileno. No aplicable a compuestos sensibles al medio ácido o con altos pesos moleculares. Produce hidrogenolisis en α-halocetonas, α-haloacilos y α- hidroxicetonas. 41

42 Selectividad de la eacción de Clemensen: no conjugado conjugado condiciones más duras ' ' ' conjugado No reduce sistemas aromáticos 42

43 educción con metales en disolución METAL Y ACID Posible mecanismo de reacción de la reducción educción de Clemensen Mecanismo de Clemensen [ Cl + Zn(g) ] Se conoce muy poco. Se han propuesto diferentes e incluso algunos en los que un Zn-carbeno es intermediario. como por ejemplo: Zn: Cl C Zn Cl + C Zn Cl _ C Zn Cl 2 Zn: C + C + (-) _ C + 2 Zn. + Zn Cl Zn Cl 43

44 2) Metal y alcohol educción de carbonilos y ésteres con un metal alcalino en medio metanol o etanol a reflujo C 3 C 3 MECANISM: 44

45 EACCIÓN DE BUVEAULT-BLANC MECANISM - 45

46 3) Metal alcalino en amoniaco líquido [educción de Birch] Se realizan con un metal alcalino (litio, sodio ó potasio ) en amoniaco líquido. Sólo en algunos casos se añade alcohol como fuente de protones y para tamponar la acumulación de un ión tan fuertemente básico como el amiduro. La reacción no deseable y a minimizar que ocurre entre el metal y el amoniaco para dar hidrógeno e ión amiduro es lenta en ausencia de las impurezas metálicas (Fe) del amoniaco que hacen de catalizadores. Las reacciones se suelen realizar a la temperatura de ebullición del amoniaco (-35 ºC) y como la solubilidad de muchos compuestos orgánicos en amoniaco líquido a esta temperatura es baja, se suelen añadir co-disolventes como éter, tetrahidrofurano o dimetoxietano para facilitar la solubilidad. 46

47 EACCINES Dienos conjugados a 1,4-dihidroderivados: Aromáticos a dienos no conjugados: 47

48 Mecanismo y reactividad en la reducción de Birch de aromáticos: electroatractores estabilizan y activan electrodonantes desestabilizan y desactivan 48

49 Mecanismo detallado de la reducción de Birch en aromáticos: Na. donador de protón. e - - N 3 l Na + e - Na medio: N 3 líquido T = -35 ºC donador de protón - Na + N 3 l 49

50 Cetonas α,β-insaturadas selectivamente a cetonas saturadas Na e - N 3 (liq). - protonación N 3 l. MECANISM N 3 (liq) e - Na protonación + tautomería N 3 l - 50

51 educción de alquinos: La reacción de Birch produce selectivamente alquenos E: ' ' E Se complementa con la hidrogenación catalítica ( 2 + Lindlar): ' ' Z que selectivamente produce alquenos Z. 51

52 FIN del Capítulo 19 52

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