13.6.2: Carbenos

En un post anterior, se nos presentó a los carbenos N-heterocíclicos, una clase especial de carbeno mejor concebida como un ligando tipo L. En este post, investigaremos otras clases de carbenos, todos caracterizados por un doble enlace metal-carbono. Los carbenos Fischer, los carbenos Shrock y los vinilidenos suelen ser ligandos actores, pero pueden ser nucleófilos o electrófilos, dependiendo de la naturaleza de los grupos R y del metal. Además, estos ligandos presentan algunos problemas sintéticos interesantes: debido a que los carbenos libres son bastante inestables, la sustitución de ligandos no corta la mostaza para la síntesis de carbeno metálico.

Propiedades Generales

Todos los carbenos metálicos poseen un doble enlace metal-carbono. Eso es una especie de hecho. Lo que nos interesa de este doble enlace es que existen múltiples formas de deconstruirlo para determinar el estado de oxidación del metal y el número de electrones d. Podríamos dar un par de electrones al centro metálico y uno al ligando, como hicimos para los NHCs. Este procedimiento ilustra muy bien por qué los compuestos que contienen enlaces M=C se denominan “carbenoides metálicos”, el ligando deconstruido es un carbenoide tipo L. Alternativamente, podríamos darle ambos pares de electrones al ligando y pensarlo como un ligando de tipo X2. El procedimiento apropiado depende de los sustituyentes del ligando y de la naturaleza electrónica del metal. La siguiente figura resume los dos procedimientos de deconstrucción.

El método adecuado de deconstrucción depende de la naturaleza electrónica del ligando y del metal.

Cuando el metal posee ligandos π-ácidos y los grupos R son π-básicos, el complejo se describe mejor como un carbeno Fischer tipo L y el estado de oxidación del metal no se ve afectado por el ligando de carbeno. Cuando los ligandos son “neutros” (R = H, alquilo) y el metal es un buen enlace principal, es decir, en ausencia de ligandos π-ácidos y metales tardíos electronegativos, el complejo se describe mejor como un carbeno Schrock tipo X2. ¡Observe que el estado de oxidación del metal depende de nuestro método de deconstrucción! Así, vemos que ni siquiera el formalismo del estado de oxidación es perfecto.

La deconstrucción revela el comportamiento típico del carbono de metileno en cada clase de complejo. El carbono de metileno de los carbenos Schrock, en el que la densidad electrónica se apila a través de backbonding, es nucleofílico (¡la carga 2— grita nucleofílica!). Por otro lado, el carbono metileno de los carbonos Fischer es electrófilo, debido a que el backbonding es débil y no compensa la donación de σdel ligando al metal. Para detectar un carbeno Fischer, esté atento a estructuras de resonancia zwitteriónica razonables como la de abajo.

Gracias a los ligandos de CO que aceptan pi, el metal maneja bien la carga negativa. Se trata de un carbeno Fischer.

El lector inteligente puede notar que no hemos mencionado grupos R ácidos π, como los carbonilos. Los complejos de este tipo también se describen mejor como carbenos Fischer, ya que el ligando sigue siendo electrófilo. Sin embargo, los complejos de este tipo son difíciles de manejar y locos reactivos (ver más abajo) sin un sustituyente π-básico para mantenerlos bajo control.

Los vinilidenos son los análogos organometálicos de los alenos, y se describen mejor como intermedios en el comportamiento entre los carbenos Fischer y Schrock. Son electrofílicos en el carbono α y nucleofílicos en el carbono β; de hecho, se puede hacer una buena analogía entre los vinilidenos y el monóxido de carbono. La tautomerización para formar complejos de alquino p es común, ya que los complejos de vinilideno y alquino a menudo son comparables en estabilidad.

Tautomerización de vinilideno y analogía entre vinilidenos y CO.

Tener cuidado a la hora de diagnosticar el comportamiento de los carbenos metálicos. En estos complejos, a menudo hay una interacción sutil entre los grupos R en el carbeno y otros ligandos en el metal. En la práctica, muchos carbenos son intermedios entre los ideales Fischer y Schrock.

Síntesis

Los carbenos metálicos presentan un problema sintético fascinante. Una mirada superficial a los procedimientos de deconstrucción anteriores revela que estos complejos no se pueden hacer usando reacciones de sustitución de ligandos, debido a que los ligandos libres son demasiado inestables. Si bien los métodos sintéticos introducidos aquí serán nuevos para nosotros, el químico orgánico sintonizado los encontrará familiares. Los fundamentos conceptuales de la síntesis de carbenos metálicos son similares a los métodos para la síntesis de alquenos en química orgánica.

En el post sobre NHCs, vimos que el carbeno libre es tanto nucleofílico (vía el par solitario en su sistema σ) como electrófilo (vía su orbital 2pz vacío). Los precursores orgánicos de los carbenos y alquenos metálicos también poseen esta propiedad; pueden actuar tanto como nucleófilos como electrófilos. Fundamentalmente, este comportamiento “ambi-electrónico” es útil para la creación de dobles enlaces. Un enlace proviene del “flujo directo” y el otro del “flujo inverso”. Naturalmente, el otro socio reactivo también necesita ser ambi-electrónico para que este método funcione.

Un paradigma fundamental para la síntesis de doble enlace: los compuestos ambi-electrónicos haciendo lo que hacen.

¿Qué diferencia a los precursores de carbeno de los carbenos libres? ¿Qué otro tipo de moléculas pueden actuar tanto como nucleófilos como electrófilos en un mismo átomo? Observa lo que sucede cuando clavamos un tercer grupo al carbeno libre... la siguiente figura muestra el resultado en general y algunos ejemplos específicos en gris.

Un “ligando dativo” R' es la diferencia entre un carbeno y un iluro. Ambos son ambi-electrónicos.

Un iluro, que contiene cargas positivas y negativas adyacentes, resulta de este proceso puramente hipotético. Los iluros (compuestos diazo, específicamente) son los precursores más comunes de los complejos metálicos de carbeno. Al igual que los carbenos libres, los iluros son ambi-electrónicos. El orbital fronterizo electrófilo de un iluro es solo el orbital σ* del enlace que conecta los átomos cargados, lo que tiene sentido si consideramos al fragmento cargado positivamente como un buen grupo saliente (siempre lo es). El par solitario sigue siendo nucleofílico. La figura anterior representa algunos de los iluros más famosos de la química orgánica, incluidos los utilizados para la síntesis de alquenos (Corey-Chaykovsky y Wittig) y las reacciones de cicloadición (el iluro de carbonilo).

Aunque los compuestos diazoicos se extraen más comúnmente con cargas en los dos átomos de nitrógeno, el carbono diazo es un buen nucleófilo y puede atacar centros metálicos electrófilos para iniciar la formación de carbenos metálicos. Un estudio de efecto de isótopos cinéticos de 15N resbaladiza mostró que la escisión del enlace C-N es la etapa limitante de la velocidad de la reacción a continuación. ¡Visualiza la estructura de resonancia carbaniónica para arrancar el mecanismo! No pienses demasiado en la estructura del acetato de rodio (II) aquí. El rodio, el cobre, el rutenio y el iridio forman complejos de carbeno con compuestos diazoicos de manera similar.

Después de la asociación del carbono nucleofílico a Rh, la eliminación con pérdida de gas nitrógeno es el paso lento de esta reacción.

Los compuestos diazo funcionan bien para la formación de carbenos metálicos cuando poseen un grupo aceptor de electrones, lo que estabiliza el iluro a través de la conjugación. ¿Y qué pasa con los carbenos Fischer, que poseen grupos donadores de electrones en el carbono carbeno? Un método interesante que todavía implica un “push-and-pull” de flujo de electrones (pero no iluros) emplea complejos de metal-CO. Tras la adición de un nucleófilo fuerte (“flujo directo”) al carbono carbonilo, se produce una especie de metaloenolato. El tratamiento con un RX electrófilo que prefiere oxígeno sobre el metal (“flujo inverso”) da como resultado un carbeno Fischer O-sustituido. Las reacciones que recuerdan a la transesterificación intercambian el grupo OR por un grupo -SR (usando un tiol) o un grupo -NR2 (usando una amina secundaria).

Ruta clásica de Fischer a carbenos tipo L.

Por contradictorio que pueda parecer, es posible utilizar dianiones metálicos para la síntesis de carbenos Fischer a través de un método pionero por Hegedus y Semmelhack. El potasio intercalado en grafito—el misterioso “KC8 “—reduce los complejos carbonílicos del grupo 6 a los dianiones correspondientes, que posteriormente desatan un diluvio de electrones sobre una amida pobre y desprevenida para dar carbenos Fischer sustituidos con NR2 después del tratamiento con cloruro de trimetilsililo.

Flujo de electrones unidireccional para la síntesis de carbeno Fischer: el enfoque Hegedus-Semmelhack.

Para conocer otros métodos para la síntesis de carbenos Fischer, echa un vistazo a esta agradable reseña del grupo Baran.

Reacciones

En muchos sentidos, la reactividad de los carbenos metálicos es paralela a la de los iluros. La metátesis de olefinas catapultó los carbenos metálicos al estrellato internacional, pero en muchos sentidos, la metátesis es conceptualmente similar a la reacción de Wittig, que emplea iluros de fósforo. Durante ambos mecanismos, un illido/carbeno se engancha con otra molécula doblemente unida para formar un anillo de cuatro miembros. A este paso le sigue lo que podríamos llamar “desglose ortogonal” para producir dos nuevos dobles enlaces.

Wittig, Grubbs y Schrock: Señores de la Danza Química. ¡Las moléculas AMBI-electrónicas son los bailarines!

En mi opinión, las reacciones de inserción de enlaces son los procesos más interesantes en los que se involucran regularmente los carbenos. Las inserciones de enlace pueden subdividirse en ciclopropanación (inserción de enlace π) e inserción de enlace σ. La evidencia sugiere que la mayoría de las ciclopropanaciones tienen lugar por un mecanismo que se solapa con la metátesis, en lugar de la ruptura ortogonal, la eliminación reductiva ocurre para liberar los tres átomos de carbono como ciclopropano.

El mecanismo de metalaciclobutano de la ciclopropanación.

La inserción de enlaces σ involucra enlaces C-H ricos en electrones de manera más prominente, lo que sugiere que los carbenos electrofílicos de Fischer deberían ser los mejores para esta química. A los carbenos Fischer que incorporan grupos aceptores de electrones les encanta dimerizar para formar olefinas y/o olefinas de ciclopropanato, ¿cómo podríamos frenar este comportamiento? Si simplemente colocamos un sustituyente p básico en el carbono de carbeno, la reactividad de estos complejos es “justa” para la inserción C-H. Notablemente, no hay intermediarios organometálicos covalentes involucrados; el carbono de carbeno electrófilo se acurruca entre C y H en un solo paso. El estado de transición de esta etapa se asemeja a la transferencia de un hidruro del sustrato orgánico al carbeno, con “rebote” de densidad electrónica hacia la carga positiva parcial.

Los carbenoides donador-aceptores son los “complejos Ricitos de Oro” de inserción C-H.

Terminemos con un guiño a la similitud entre los carbenos Fischer y los derivados de ácidos carboxílicos (ésteres y amidas). Las reacciones de tipo transesterificación permiten al químico intercambiar sustituyentes heteroatómicos en el carbono de carbeno a voluntad (ver arriba). Los sustitutos alquílicos pueden incluso desprotonarse en el carbono α, ¡al igual que los ésteres! Cuando vemos las similitudes electrónicas entre el enlace M=C de un carbeno Fischer y el enlace O=C de derivados de ácido carboxílico, el comportamiento similar es solo natural.