Activación del enlace carbono-hidrógeno - Carbon–hydrogen bond activation

Este artículo trata sobre las vías organometálicas que involucran enlaces metal-carbono. Para otros usos, consulte Hidrocarburos .

La funcionalización del enlace carbono-hidrógeno ( funcionalización C-H ) es un tipo de reacción en la que un enlace carbono-hidrógeno se escinde y se reemplaza por un enlace carbono-X (donde X suele ser carbono, oxígeno o nitrógeno). El término generalmente implica que un metal de transición está involucrado en el proceso de escisión de CH. Las reacciones clasificadas por el término suelen implicar que el hidrocarburo reaccione primero con un catalizador metálico para crear un complejo organometálico en el que el hidrocarburo se coordina con la esfera interna de un metal, ya sea a través de un " complejo de alcano o areno " intermedio o como una transición. estado que conduce a un intermedio "M − C". El intermedio de este primer paso (conocido como activación de CH y a veces se usa indistintamente con la funcionalización de CH) puede sufrir reacciones posteriores para producir el producto funcionalizado. Es importante para esta definición el requisito de que durante el evento de escisión de C – H, la especie de hidrocarbilo permanezca asociada en la esfera interna y bajo la influencia de "M".

Como una definición alternativa, otros autores usan el término funcionalización C-H para referirse a cualquier transformación orgánica en la que el resultado neto es la transformación de un enlace C-H relativamente inerte en un enlace C-X (es decir, un grupo funcional ), independientemente del mecanismo (o con una actitud agnóstica hacia él). En particular, esta definición no requiere una coordinación de metal de transición con el hidrocarburo en el mecanismo de reacción. Esta definición más amplia incluye la definición más restringida dada anteriormente como un subconjunto. Sin embargo, esta definición también incluiría la reacción de funcionalización de alcanos catalizada por hierro que procede a través del mecanismo de rebote de oxígeno (por ejemplo, enzimas del citocromo P450 y sus análogos sintéticos), en la que no se cree que esté involucrado un enlace metal-carbono. Asimismo, la reactividad basada en ligandos de muchas especies de carbeno metálico con hidrocarburos también entraría en esta categoría, aunque algunos casos son mecánicamente ambiguos. Algunos autores definen de manera similar la activación de C-H de manera amplia como el paso de escisión de C-H de cualquier mecanismo que dé como resultado la funcionalización de un grupo hidrocarbonado (o cualquier consecuencia observable de la escisión del enlace C-H, como el intercambio H / D). Aún otros mantienen la definición estrecha original del término activación de C – H, mientras utilizan la funcionalización de C – H en su sentido más amplio.

Clasificación

Los mecanismos para las activaciones de CH se pueden clasificar en tres categorías generales:

  • (i) adición oxidativa , en la que un centro de metal de baja valencia se inserta en un enlace carbono-hidrógeno, que rompe el enlace y oxida el metal.
L n M + RH → L n MR (H)
  • (ii) Activación electrofílica en la que un metal electrofílico ataca al hidrocarburo, desplazando un protón:
L n M + + RH → L n MR + H +

el sustrato se somete a un mecanismo de tipo S E Ar .

  • (iii) Metátesis de enlaces sigma , que avanza a través de un estado de transición de "cuatro centros" en el que los enlaces se rompen y se forman en un solo paso:
L n MR + R'H → L n MR '+ RH

Resumen histórico

La primera reacción de activación de C – H a menudo se atribuye a Otto Dimroth , quien en 1902 informó que el benceno reaccionaba con acetato de mercurio (II) (Ver: organomercurio ). Muchos centros metálicos electrofílicos experimentan esta reacción similar a la de Friedel-Crafts. Joseph Chatt observó la adición de enlaces CH de naftaleno por complejos Ru (0).

Son frecuentes las activaciones de CH asistidas por quelación. Shunsuke Murahashi informó de una funcionalización CH asistida por quelación catalizada por cobalto de 2-fenilisoindolin-1-ona a partir de ( E ) -N, 1-difenilmetanimina.

Activación de CH catalizada por cobalto

En 1969, AE Shilov informó que el tetracloroplatinato de potasio inducía una mezcla de isótopos entre el metano y el agua pesada . Se propuso que la vía implicara la unión de metano a Pt (II). En 1972, el grupo Shilov pudo producir metanol y cloruro de metilo en una reacción similar que involucraba una cantidad estequiométrica de tetracloroplatinato de potasio , hexacloroplatinato de potasio catalítico , metano y agua. Debido al hecho de que Shilov trabajó y publicó en la Unión Soviética durante la era de la Guerra Fría , su trabajo fue ignorado en gran medida por los científicos occidentales. Este llamado sistema de Shilov es hoy en día uno de los pocos verdaderos sistemas catalíticos para funcionalizaciones de alcanos .

En algunos casos, los descubrimientos en la activación de CH se estaban realizando junto con los del acoplamiento cruzado . En 1969, Yuzo Fujiwara informó de la síntesis de ( E ) -1,2-difenileteno a partir de benceno y estireno con Pd (OAc) 2 y Cu (OAc) 2 , un procedimiento muy similar al del acoplamiento cruzado. En la categoría de adición oxidativa, MLH Green en 1970 informó sobre la inserción fotoquímica de tungsteno (como un complejo Cp 2 WH 2 ) en un enlace benceno C-H y George M. Whitesides en 1979 fue el primero en llevar a cabo un alifático intramolecular Activación C – H

Funcionalización de CH catalizada por paladio y cobre de Fujiwara

El siguiente avance fue informado de forma independiente por dos grupos de investigación en 1982. RG Bergman informó sobre la primera activación intermolecular C-H mediada por metales de transición de hidrocarburos inactivados y completamente saturados por adición oxidativa. Utilizando un enfoque fotoquímico , la fotólisis de Cp * Ir (PMe 3 ) H 2 , donde Cp * es un ligando pentametilciclopentadienilo , condujo a la especie Cp * Ir (PMe 3 ) coordinadamente insaturada que reaccionó mediante adición oxidativa con ciclohexano y neopentano para formar el correspondientes complejos de hidridoalquilo, Cp * Ir (PMe 3 ) HR, donde R = ciclohexilo y neopentilo, respectivamente. WAG Graham descubrió que los mismos hidrocarburos reaccionan con Cp * Ir (CO) 2 tras la irradiación para producir los complejos de alquilhidrido relacionados Cp * Ir (CO) HR, donde R = ciclohexilo y neopentilo, respectivamente. En el último ejemplo, se supone que la reacción procede mediante la adición oxidativa de alcano a un intermedio de iridio (I) de 16 electrones, Cp * Ir (CO), formado por irradiación de Cp * Ir (CO) 2 .

Activación de C – H por Bergman et al. (izquierda) y Graham et al.

La activación selectiva y funcionalización de enlaces alcano C-H se informó utilizando un complejo de tungsteno equipado con ligandos pentametilciclopentadienilo , nitrosilo , alilo y neopentilo, Cp * W (NO) (η3 - alilo) (CH 2 CMe 3 ).

Activación C – H del pentano, como se ve en Ledgzdins et al., J. Am. Chem. Soc. 2007; 129, 5372-3.

En un ejemplo que involucra este sistema, el alcano pentano se convierte selectivamente en el halocarbono 1-yodopentano . Esta transformación se logró mediante la termólisis de Cp * W (NO) (η 3- alil) (CH 2 CMe 3 ) en pentano a temperatura ambiente , lo que resultó en la eliminación del neopentano por un proceso de pseudo-primer orden, generando un indetectable electrónicamente y estéricamente insaturado de 16 electrones intermedio que está coordinado por un η 2 - butadieno ligando. La activación intermolecular posterior de una molécula de disolvente de pentano produce un complejo de 18 electrones que posee un ligando n -pentilo. En un paso separado, la reacción con yodo a -60 ° C libera 1-yodopentano del complejo.

Activación de CH dirigida

La activación de CH dirigida, asistida por quelación o "guiada" implica dirigir grupos que influyen en la regioquímica y la estereoquímica. Este es el estilo más útil de activación de CH en síntesis orgánica. La N, N-dimetilbencilamina se somete a ciclometalación fácilmente por muchos metales de transición. Las implementaciones semi-prácticas implican una coordinación débil de los grupos directores, como lo ilustra la reacción de Murai .

Reacción de Murai; X = grupo director .

El mecanismo de las reacciones de activación de CH catalizadas por Pd de la 2-fenilpiridina implica un intermedio de metalaciclo. El intermedio se oxida para formar una especie de Pd IV , seguido de eliminación reductora para formar el enlace CO y liberar el producto.

Mecanismo para la activación de CH catalizada por Pd

Borilación

La transformación de enlaces CH en enlaces CB a través de la borilación se ha investigado a fondo debido a su utilidad en la síntesis (es decir, para reacciones de acoplamiento cruzado). John F. Hartwig informó de una borilación de alcanos y areno altamente regioselectiva catalizada por un complejo de rodio. En el caso de los alcanos, se observó una funcionalización terminal exclusiva.

Borilación de Hartwig

Más tarde, se descubrió que los catalizadores de rutenio tenían mayor actividad y compatibilidad de grupos funcionales.

Boryilación basada en catalizador de Ru

También se han desarrollado otros catalizadores de borilación, incluidos los catalizadores a base de iridio, que activan con éxito enlaces CH con alta compatibilidad.

Para más información, consulte borylation .

Gas natural

Artículo principal: funcionalización del metano

El metano natural no se utiliza como materia prima química, a pesar de su abundancia y bajo costo. La tecnología actual hace un uso prodigioso del metano mediante reformado con vapor para producir gas de síntesis , una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno. Este gas de síntesis se utiliza luego en reacciones de Fischer-Tropsch para hacer productos de cadena de carbono más larga o metanol, una de las materias primas químicas industriales más importantes. Un método intrigante para convertir estos hidrocarburos implica la activación de CH. Roy A. Periana , por ejemplo, informó que los complejos que contienen metales de transición tardíos, como Pt , Pd , Au y Hg , reaccionan con metano (CH 4 ) en H 2 SO 4 para producir bisulfato de metilo . Sin embargo, el proceso no se ha implementado comercialmente.

Activación del enlace C – H Periana 1998

Activaciones asimétricas de CH

El fenildiazoacetato de metilo es el precursor de la activación asimétrica de CH a través del carbeno donante-aceptor usando un catalizador de dirodio quiral.

La síntesis total de ácido litospérmico emplea la funcionalización de CH guiada en una etapa tardía a un sistema altamente funcionalizado. El grupo director, una imina no racémica quiral , es capaz de realizar una alquilación intramolecular, lo que permite la conversión de imina catalizada por rodio en dihidrobenzofurano.

Paso clave en la síntesis de ácido litospérmico

La síntesis total de calotrixina A y B presenta una reacción de acoplamiento cruzado intramolecular catalizada por Pd a través de la activación de CH, un ejemplo de una activación guiada de CH. El acoplamiento cruzado se produce entre los enlaces aril CI y CH para formar un enlace CC. La síntesis de un análogo de mescalina emplea la anulación enantioselectiva catalizada por rodio de una arilimina a través de una activación de CH.

Mescalinaprep.jpg

Ver también

Reseñas anteriores

Antes de 2004
  • Arndtsen, BA; Bergman, RG; Mobley, TA; Peterson, TH (1995). "Activación selectiva del enlace carbono-hidrógeno intermolecular por complejos metálicos sintéticos en solución homogénea". Cuentas de Investigación Química . 28 (3): 154-162. doi : 10.1021 / ar00051a009 .
  • Crabtree, RH (2001). "Activación y funcionalización de alcano C – H con catalizadores de metales de transición homogéneos: un siglo de progreso - un nuevo milenio en perspectiva". J. Chem. Soc., Dalton Trans . 17 (17): 2437–2450. doi : 10.1039 / B103147N .
2004-7
  • Crabtree, RH (2004). "Activación de CH alcano organometálico". J. Organomet. Chem . 689 (24): 4083–4091. doi : 10.1016 / j.jorganchem.2004.07.034 .
  • Activación organometálica de enlaces C – H: Introducción Alan S. Goldman y Karen I. Goldberg Simposio ACS Serie 885, Activación y funcionalización de enlaces C – H, 2004 , 1–43
  • Periana, RA; Bhalla, G .; Tenn, WJ; III; Young, KJH; Liu, XY; Mironov, O .; Jones, C .; Ziatdinov, VR (2004). "Perspectivas sobre algunos desafíos y enfoques para el desarrollo de la próxima generación de catalizadores de oxidación selectivos a baja temperatura para la hidroxilación de alcanos basados ​​en la reacción de activación de C – H". Revista de catálisis molecular A: química . 220 (1): 7–25. doi : 10.1016 / j.molcata.2004.05.036 .
  • Lersch, M. Tilset (2005). "Aspectos mecanicistas de la activación de C-H por complejos de Pt". Chem. Rev . 105 (6): 2471-2526. doi : 10.1021 / cr030710y . PMID   15941220 . , Vedernikov, AN (2007). "Avances recientes en la funcionalización de bonos CH mediada por platino". Curr. Org. Chem . 11 (16): 1401–1416. doi : 10.2174 / 138527207782418708 .
2008-2011
2012-2015

Fuentes adicionales

Referencias