Adición oxidativa de reactivos polares

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La química organometálica ha ampliado enormemente la noción del químico orgánico practicante de lo que hace que un buen nucleófilo o electrófilo sea bueno. El pre-acoplamiento cruzado, por ejemplo, usando haluros de arilo inactivados como electrófilos fue en gran parte una quimera (o posible solo bajo ciertas circunstancias específicas). Entra en la adición oxidativa de enlaces polarizados: de repente, compuestos como el bromobenceno comenzaron a verse mucho más atractivos como materiales de partida. Las reacciones de acoplamiento cruzado que involucran enlaces C-X hibridados sp ² y sp complementan maravillosamente las reacciones de sustitución “clásicas” en los carbonos electrófilos sp ³. La adición oxidativa del enlace C-X es el paso que inicia la magia de estos métodos. En este post, exploraremos los mecanismos y tendencias de favorabilidad de las adiciones oxidativas de reactivos polares. El panorama de posibilidades mecanicistas para los enlaces polarizados es mucho más rico que en el caso no polar: se han observado mecanismos concertados, iónicos y radicales.

Mecanismos concertados

Las adiciones oxidativas de los enlaces arilo y alquenil C _{sp ^2-X}, donde X es un halógeno o sulfonato, proceden a través de mecanismos concertados análogos a las adiciones oxidativas de dihidrógeno. Las reacciones de los enlaces N-H y O-H en aminas, alcoholes y agua también parecen estar concertadas. Un complejo π que implica la coordinación η ² es un intermedio en el mecanismo de inserción en haluros de arilo al menos, y probablemente también haluros de vinilo. Como dos sitios de coordinación abiertos son necesarios para la adición oxidativa concertada, la pérdida de un ligando de un complejo metálico saturado precede comúnmente al evento de adición oxidativa real.

Figura\(\PageIndex{1}\): Adición oxidativa concertada de haluros y sulfonatos de arilo. (Copyright; autor vía fuente)

Las tendencias en la reactividad de los (pseudo) haluros de alquilo y arilo hacia la adición oxidativa son algunas de las más famosas en la química organometálica. Los yoduros de arilo son los más reactivos, seguidos de bromuros, tosilatos y cloruros. Para contrarrestar la menor electrofilicidad de los cloruros de arilo, se pueden usar ligandos de alquilfosfina ricos en electrones para acelerar las reacciones de los cloruros de arilo. Estos ligandos “calientes” aumentan la densidad de electrones en el centro del metal, facilitando la adición oxidativa. Debido a que tienden a ser más voluminosos que las arilfosfinas, sin embargo, los complejos de alquilfosfinas a veces operan a través de mecanismos ligeramente diferentes a los complejos de arilfosfina. Aunque las especies exactas que experimentan adición oxidativa pueden diferir (ver más abajo), se cree que todos los eventos reales de adición oxidativa están concertados.

Figura\(\PageIndex{2}\): Mecanismos de adición oxidativa a complejos de paladio (0) fosfina. Mucho depende de la naturaleza de L. (Copyright; autor vía fuente)

Aquí, como hemos visto antes, los organohaluros ricos en electrones reaccionan más lentamente que los compuestos pobres en electrones. La adición oxidativa agota la densidad de electrones del centro metálico y aumenta la densidad de electrones en los ligandos orgánicos, ¡así que esta tendencia tiene sentido!

S _N 2 y Mecanismos Iónicos

Los haluros muy electrofílicos a menudo reaccionan a través de mecanismos iónicos en los que la adición oxidativa per se tiene lugar en múltiples etapas. Por extraño que pueda ser imaginar un centro metálico como nucleófilo, esta reactividad exacta es central para el S _N 2 y los mecanismos iónicos de adición oxidativa. En un paso lento, el centro metálico ataca al átomo electrófilo, desplazando el haluro. La rápida recombinación del complejo metálico cargado positivamente y el ion haluro negativo produce el producto de la adición oxidativa. En esencia, este mecanismo implica la ligadura oxidativa seguida de la asociación de iones con carga opuesta. La pérdida de un ligando dativo a veces es necesaria como etapa intermedia, si el complejo metálico se satura después de la etapa S _N 2.

Mecanismos de adición oxidativa SN2: ligación oxidativa seguida de sustitución de ligandos o coordinación simple. — Figura\(\PageIndex{3}\): Mecanismos de adición oxidativa SN2: ligación oxidativa seguida de sustitución de ligando o coordinación simple. (Copyright; autor vía fuente)

Se puede dibujar una analogía extremadamente sólida entre estas reacciones y las reacciones clásicas de S _N 2 de la química “orgánica de segundo año”. Los haluros primarios reaccionan más rápidamente, seguidos de los haluros secundarios y terciarios. La inversión al carbono es observable en estas reacciones, y la entropía de activación es negativa (sugiriendo un estado de transición asociado). Los complejos metálicos con carga negativa se dan a tope en estas reacciones, y a medida que se agregan ligandos aceptores de electrones al centro metálico, la reactividad disminuye. Los aniones haluro agregados pueden acelerar las adiciones oxidativas de S _N 2, el anión se coordina con el centro del metal, haciéndolo negativo y aumentando su poder donador de electrones.

También se puede dibujar una buena analogía entre las adiciones oxidativas de tipo S _N 2 y las adiciones oxidativas de ácidos fuertes, que ocurren básicamente a través del mismo mecanismo (con reemplazo de hidrógeno por carbono). Durante estos llamados “mecanismos iónicos”, la protonación del centro metálico suele ocurrir primero, seguida de la sustitución del ligando o la simple coordinación de la base conjugada. En circunstancias más raras y para complejos metálicos menos nucleofílicos, la coordinación de la base conjugada puede ocurrir primero, ¡seguida de la protonación!

Mecanismos radicales

A veces se piensa que los radicales son los broncos que se oponen en el mundo de la química, y como tales, los mecanismos radicales para las adiciones oxidativas son más difíciles de controlar y menos atractivos. Por ejemplo, hay que tener cuidado al usar solventes que no reaccionen con los radicales intermedios. Aún así, se ha dirigido una cantidad considerable de esfuerzos a “domar a la bestia salvaje”. De alguna manera, las reacciones radicales ofrecen selectividad complementaria a mecanismos iónicos y concertados.

Los mecanismos de radicales no encadenados implican la transferencia de electrones simples del complejo metálico al organohaluro, seguido de la recominación de los radicales resultantes. Los radicales metálicos y orgánicos, cuando son estables, pueden incluso aislarse de la reacción como productos.

Ptl ₂ + RX → Ptl ₂ X ^· + R ^· +

Ptl ₂ X ^· + R ^· → Ptl ₂ XR

Las tendencias de reactividad aquí dependen de la estabilidad de las especies de radicales intermedios. Los haluros terciarios reaccionan más rápidamente, seguidos de los haluros secundarios y primarios. Más centros metálicos ricos en electrones reaccionan más rápidamente (¿ya estás harto de esta tendencia?) , ya que pueden donar más fácilmente un electrón al organohaluro.

Los mecanismos de radicales en cadena implican reacciones entre intermedios radicales y materiales de partida de electrones pares, lo que resulta en la regeneración continua de radicales a medida que se forman los productos. Me gusta imaginar los intermedios radicales como Tom Hanks en Cast Away, flotando en un océano de material de partida de electrones pares. Un buen ejemplo de esta reactividad fue explorado por Hill y Puddephatt a mediados de la década de 1980.

Figura\(\PageIndex{4}\): ¡Los complejos organometálicos también pueden llevar a cabo mecanismos de cadena radical! Aquí, el radical isopropilo es el radical propagador. (Copyright; autor vía fuente)

La excitación del complejo Pt (II) produce un complejo de transferencia de carga que puede abstraer el yodo del yoduro de isopropilo. Un segundo evento de abstracción completa la fase de iniciación. Durante la propagación, el radical isopropilo se acopla con el complejo Pt (II) (no excitado), y el radical organometálico resultante extrae el yodo del organohaluro de partida. Los carroñeros de radicales libres matan la reacción, pero curiosamente, solo el radical isopropilo reacciona con trampas de radicales.

Por último, solo mencionaré brevemente que las adiciones oxidativas binucleares, que involucran dos centros metálicos “tirando” del organohaluro en concierto, a menudo involucran radicales y/o transferencias de un electrón. Aquí hay un ejemplo que involucra cromo, y aquí hay un ejemplo algo más famoso que involucra cobalto (¡por Budzelaar!).

En resumen, las adiciones oxidativas de reactivos polares son pasos críticos en muchas reacciones organometálicas. Apenas apenas hemos arañado la superficie de esta importante clase de reacciones, pero han surgido algunas tendencias poderosas. En general, más complejos OM ricos en electrones y más orgánicos polares pobres en electrones reaccionan más rápidamente en adiciones oxidativas. El impedimento estérico en el complejo metálico también puede jugar un papel interesante, ya sea cambiando las especies reales que sufren adición oxidativa o desalentando la adición oxidativa por completo. A continuación, echaremos un breve vistazo al reverso microscópico de la adición oxidativa, la eliminación reductiva. La mayoría de las tendencias y mecanismos asociados a la eliminación reductiva son simplemente lo opuesto a los de la adición oxidativa, por lo que nuestras discusiones sobre la eliminación reductiva serán bastante cortas.

Mecanismos concertados

S N 2 y Mecanismos Iónicos

Mecanismos radicales

S _N 2 y Mecanismos Iónicos