Reacciones de β-eliminación
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En la clase de química orgánica, se aprende que las reacciones de eliminación implican la escisión de un enlace σ y la formación de un enlace π. Un par nucleofílico de electrones (ya sea de otro enlace o de un par solitario) se dirige a un nuevo enlace π a medida que sale un grupo saliente. Este proceso se llama β-eliminación porque el enlace β al par nucleofílico de electrones se rompe. Los complejos de metales de transición pueden participar en su propia versión de β-eliminación, y los complejos de metal alquilo lo hacen famoso. Casi por definición, los alquilos metálicos contienen un enlace nucleofílico, ¡el enlace M—C! Este vínculo puede estar tan polarizado hacia el carbono, de hecho, que puede promover la eliminación de algunos de los grupos de peor salida del mundo, como —H y —CH3. Sin embargo, a diferencia del caso orgánico, el grupo saliente no se pierde completamente en las β-eliminaciones organometálicas. A medida que el metal dona electrones, recibe electrones del grupo saliente que sale. Cuando se completa la reacción, el metal ha recogido un nuevo ligando unido a p e intercambiado un ligando de tipo X por otro.
Comparando β-eliminaciones orgánicas y organometálicas. Un enlace nucleofílico o par solitario promueve la pérdida o migración de un grupo saliente.
En este post, desarrollaremos el mecanismo de las reacciones de β-eliminación observando las condiciones requeridas para su ocurrencia y sus tendencias de reactividad. Muchas de las tendencias asociadas con las β-eliminaciones son lo opuesto a las tendencias análogas en las reacciones de inserción 1,2-. Un post futuro abordará otros tipos de reacciones de eliminación.
Eliminación de β-hidruro
El tipo más famoso y ubicuo de β-eliminación es la eliminación de β-hidruro, que implica la formación de un enlace π y un enlace M—H. Los alquilos metálicos que contienen β-hidrógenos experimentan una rápida eliminación de estos hidrógenos, siempre que se cumplan algunas otras condiciones.
El complejo debe tener un sitio de coordinación abierto y un orbital accesible y vacío en el centro metálico. El grupo saliente (—H) necesita un lugar para aterrizar. Observe que después de la β-eliminación, el metal ha recogido un ligando más, necesita un punto vacío para que ese ligando ocurra para que se produzca la eliminación. Podemos imaginar que el hidruro “ataca” el orbital vacío en el centro metálico como una interacción orbital importante en este proceso.
Los enlaces M—C α y C β —H deben tener la capacidad de alinearse en una disposición coplanar syn. Por “syn coplanar” queremos decir que los cuatro átomos están en un plano y que los enlaces M—C α y C β —H están en el mismo lado del enlace C α —C β (un ángulo diedro de 0°). Se puede ver esa conformación en la figura anterior. En la disposición coplanaria syn, el enlace C-H que sale del ligando se alinea óptimamente con el orbital vacío en el centro metálico. Los complejos obstaculizados o cíclicos que no pueden lograr esta conformación no sufren eliminación de β-hidruro. La necesidad de una conformación coplanar syn tiene implicaciones importantes para eliminaciones que puedan establecer olefinas diastereoméricas: la β-eliminación es estereoespecífica. Un diastereómero conduce a la (E) -olefina, y el otro conduce a la (Z) -olefina.
La β-eliminación es estereoespecífica. Un diastereómero de reactivo conduce a la (Z) -olefina y el otro a la (E) -olefina.
El complejo debe poseer 16 electrones totales o menos. Examine la primera cifra una vez más; observe que el recuento total de electrones del complejo aumenta en 2 durante la eliminación de β-hidruro. Los complejos con 18 electrones totales no sufren β-eliminación porque el producto terminaría con 20 electrones totales. Por supuesto, la disociación de un ligando suelto puede producir un complejo de 16 electrones con bastante facilidad, así que tenga cuidado con la disociación del ligando al considerar la posibilidad de β-eliminación en un complejo. La disociación del ligando puede ser reversible, pero la eliminación de β-hidruro es casi siempre irreversible.
El metal debe portar al menos 2 d electrones. Ahora esto parece un poco extraño, ya que el metal ha servido como nada más que un contenedor vacío para los electrones en nuestra discusión hasta el momento. ¿Por qué el centro metálico necesitaría electrones para que ocurriera la eliminación de β-hidruro? La respuesta está en un viejo amigo: backbonding. La interacción orbital σ C—H → M mencionada anteriormente no es suficiente para promover la eliminación por sí sola; ¡también se requiere una interacción M → σ* C—H! Ya lo he dicho antes, y lo volveré a decir: el backbonding está en todas partes en la química organometálica. Si puedes entenderlo y articularlo, volarás la mente a tu instructor.
Otras reacciones de β-eliminación
El grupo saliente no necesita ser hidrógeno, por supuesto, y una serie de grupos más electronegativos vienen a la mente como mejores candidatos para grupos salientes. Las eliminaciones β-alcoxi y β-amino suelen ser favorecidas termodinámicamente gracias a la formación de fuertes enlaces M—O y M—N, respectivamente. Estas reacciones son tan favorecidas en los “complejos” de β-alcoxialquilo de metales alcalinos y alcalinotérreos (R—Li, R—MgBr, etc.) que el uso de estos como σ-nucleófilos en el carbono es insostenible. Dichos compuestos eliminan inmediatamente después de su formación. Tenía un profesor de síntesis orgánica en la licenciatura que estaba obsesionado con esto, usar un reactivo de Grignard β-alcoxialquil litio o β-alcoxialquilo en una síntesis era una receta para la tinta roja. Los β-haloalquilos también estaban naturalmente fuera de los límites.
Cuidado... ¡estos no son compuestos estables!
El átomo unido al metal no tiene que ser carbono. La β-eliminación de ligandos alcoxi proporciona cetonas o aldehídos unidos al oxígeno o a través del enlace C=O π (este paso es importante en muchas hidrogenaciones de transferencia, y un proceso análogo ocurre en la oxidación de Oppenauer). Los ligandos amido pueden sufrir β-eliminación para proporcionar complejos de iminas; sin embargo, este proceso tiende a ser más lento que la eliminación de β-alcoxi.
La β-eliminación ayuda a transferir los elementos de dihidrógeno de un compuesto orgánico a otro.
Por cierto, no he visto ningún ejemplo en el que el átomo β no sea carbono, ¡pero estaría interesado si alguien sabe de un ejemplo!
Aplicaciones de β-eliminaciones
Al igual que con muchos conceptos en química organometálica, existen dos formas de pensar sobre las aplicaciones de β-eliminación. Se puede tomar la perspectiva “inorgánica”, que se centra en el centro metálico, o la perspectiva “orgánica”, que se centra en los ligandos.
Con el centro metálico enfocado, podemos reconocer que la eliminación de β-hidruro tiene el maravilloso efecto secundario de establecer un enlace M—H, una hazaña generalmente difícil de lograr de manera selectiva a través de la adición oxidativa de X—H; si el ligando del que proviene el hidrógeno desplazó algo más electronegativo, el todo el proceso representa la reducción en el centro del metal. Por ejemplo, imagina que el cloruro de rodio (III) se mezcla con isopropóxido de sodio, NaOCh (CH 3) 2. El isopropóxido desplaza fácilmente el cloruro, y la posterior eliminación de β-hidruro proporciona un hidruro de rodio, formalmente reducido con respecto al material de partida de cloruro. Ver la p. 236 de esta opinión para más.
Con el ligando en foco, vemos que el ligando orgánico se oxida en el curso de la eliminación de β-hidruro. ¡Observe que el metal se reduce y el ligando se oxida! Un enlace π reemplaza un enlace σ en el ligando, y si las condiciones son correctas, esto representa una oxidación de buena fe (a diferencia de una mera eliminación). Por ejemplo, la adición oxidativa en un enlace C-H seguida de la eliminación de β-hidruro en un enlace C-H de al lado establece un alqueno donde antes existían dos enlaces C-H adyacentes, un proceso de oxidación. Estas reacciones de deshidrogenación son increíblemente atractivas en un sentido teórico, pero aún en una etapa temprana cuando se trata de alcance y practicidad.
Resumen
Ya encontramos la eliminación de β-hidruro en una serie anterior de postes sobre complejos de alquilo de metal, donde notamos que es una vía de descomposición muy común para los alquilos metálicos. Sin embargo, la eliminación de β-hidruro no es del todo mala, ya que puede ser un paso importante en las reacciones catalíticas que resultan en el oxidación de sustratos orgánicos (deshidrogenaciones e hidrogenaciones de transferencia) y en reacciones que reducen haluros metálicos a hidruros metálicos. La idea general de β-eliminación implica la transferencia de un grupo saliente de un ligando al centro metálico con la formación simultánea de un enlace π en el ligando. La β-eliminación requiere un sitio de coordinación abierto y al menos dos electrones d en el centro metálico, y las eliminaciones de complejos quirales son estereoespecífico. El grupo saliente es comúnmente hidrógeno, pero no necesita serlo: cuanto más electronegativo es el grupo saliente, más favorable es la eliminación. Los enlaces π más fuertes en el producto también fomentan la β-eliminación, por lo que las eliminaciones que forman compuestos carbonílicos o iminas son comunes.
En el siguiente post, exploraremos otros tipos de reacciones de eliminación organometálica, que establecen enlaces π en diferentes posiciones en el alquilo metálico u otros complejos. Las eliminaciones α-por ejemplo, establecen enlaces múltiples metal-carbono, -oxígeno o -nitrógeno, que generalmente son difíciles de forjar a través de otros significa