14.6: Reordenamientos de Carbocationes
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Anteriormente en este capítulo presentamos la llamada 'regla Markovniko', la cual puede ser utilizada para predecir el resultado regioquímico favorecido de las adiciones electrofílicas a alquenos asimétricos. Según lo que hemos aprendido, la adición de\(HBr\) 3-metil-1-buteno debería dar como resultado un bromoalcano secundario. Sin embargo, ¡el producto predominante que realmente se observa en esta reacción es un bromuro de alquilo terciario! Se forma poco o nada de bromuro de alquilo secundario.
Para explicar este resultado, echemos un vistazo al mecanismo de la reacción:
Adición electrófila con un desplazamiento de hidruro:
La protonación del doble enlace da como resultado un carbocatión secundario (paso 1). Lo que sucede a continuación (paso 2 anterior) es un proceso llamado reordenamiento de carbocationes, y más específicamente, un desplazamiento de hidruro. Los electrones en el enlace entre el carbono #3 y un hidrógeno son atraídos por la carga positiva sobre el carbono #2, y simplemente se desplazan para llenar el\(p\) orbital vacío, tirando del protón con ellos. Observe que el hidruro, en desplazamiento, no está actuando como un grupo lábil real - un ion hidruro es una base muy fuerte y un grupo lábil muy pobre.
Un ion hidruro (\(H^-\)) es un protón más dos electrones. Asegúrese de no confundir un ion hidruro con\(H^+\), que es solo un protón sin electrones.
A medida que avanza el cambio, se forma un nuevo\(C-H\)\(\sigma \) enlace en el carbono #2, y el carbono #3 se deja con un\(p\) orbital vacío y una carga positiva.
¿Cuál es la fuerza impulsora termodinámica para este proceso? Observe que el desplazamiento del hidruro resulta en la conversión de un carbocatión secundario en un carbocatión terciario (más estable), un escalón termodinámicamente cuesta abajo. Resulta que el cambio ocurre tan rápido que se logra antes de que el nucleófilo bromuro tenga tiempo de atacar al carbono #2. Más bien, el bromuro atacará (paso 3) al carbono #3 para completar la adición.
Considera otro ejemplo. Cuando\(HBr\) is added to 3,3-dimethyl-1-butene, the product is a tertiary - rather than a secondary - alkyl bromide.
Observe que en el producto observado, la estructura de carbono ha sido reorganizada: el carbono metílico indicado por un punto rojo se ha desplazado del carbono #3 al carbono #2. Este es un ejemplo de otro tipo de reordenamiento de carbocationes, llamado desplazamiento de metilo.
A continuación se muestra el mecanismo para la reacción. Una vez más se forma un intermedio de carbocatión secundario en la etapa 1. En este caso, no hay hidrógeno sobre el carbono #3 disponible para cambiar sobre crear un carbocatión terciario más estable. En cambio, es un grupo metilo el que hace el desplazamiento, ya que los electrones en el\(\sigma \) enlace carbono-carbono se mueven para llenar el orbital vacío sobre el carbono #2 (paso 2 a continuación).
Adición electrófila con desplazamiento de metilo:
El desplazamiento de metilo da como resultado la conversión de un carbocatión secundario en un carbocatión terciario más estable. El resultado final es un reordenamiento del marco de carbono de la molécula.
¿Cuál de los siguientes carbocationes es probable que sufra un cambio? Si es probable un cambio, dibuje el nuevo carbocatión que resultaría.
En las reacciones (no bioquímicas) siguientes, el producto principal se forma como resultado de un desplazamiento de hidruro o metilo de un intermedio de carbocatión. Predecir la estructura del producto principal para cada reacción, sin tener en cuenta la estereoquímica.
Dibuja el producto más abundante de este laboratorio de reacción de Friedel-Crafts:
Los reordenamientos de carbocationes están involucrados en muchas reacciones bioquímicas conocidas. Los reordenamientos son particularmente importantes en las reacciones intermedias de carbocationes en las que las moléculas de isoprenoides se ciclan para formar estructuras complejas de múltiples anillos. Por ejemplo, uno de los pasos clave en la biosíntesis del colesterol es la ciclación electrófila de oxidoescualeno para formar un esteroide llamado lanosterol (E.C. 5.4.99.7).
Esta compleja pero fascinante reacción tiene dos fases. La primera fase es donde se lleva a cabo la ciclación real, con la formación de cuatro nuevos enlaces carbono-carbono y un intermedio de carbocatión. Esta fase es una 'cascada' de etapas de adición de alquenos electrofílicos, comenzando con la adición de un grupo funcional electrófilo llamado 'epóxido'.
El grupo funcional epóxido -compuesto por un anillo de tres miembros con dos carbonos y un oxígeno- es relativamente raro en biomoléculas y reacciones bioquímicas, y por esta razón no se discute en detalle en este libro. Sin embargo, los epóxidos son un intermedio importante y versátil en la síntesis orgánica de laboratorio, por lo que aprenderás mucho más sobre cómo se hacen y cómo reaccionan si tomas un curso de síntesis química. Por ahora, es suficiente reconocer que los átomos de carbono de un epóxido son potentes electrófilos, debido tanto a los dipolos de enlace carbono-oxígeno como a la tensión inherente del anillo de tres miembros.
La segunda fase implica una serie de cambios de hidruro y metilo que culminan en una desprotonación. En el siguiente ejercicio, tendrás la oportunidad de trabajar a través de todo el mecanismo de reacción de ciclasa. En la sección 15.7, veremos cómo se forma el grupo epóxido del oxidoescualeno. Tendencias Pharm. Sci. 2005, 26, 335; J. Phys Chem B., 2012, 116, 13857.
- La siguiente figura describe la primera fase de ciclación de la reacción que convierte oxidoescualeno en lanosterol. Sin embargo, al diagrama le faltan flechas de movimiento de electrones, y a los intermedios 1-4 les faltan cargos formales, llénelos.
Primera fase (formación de anillo):
- Luego viene la fase 'cambiante' de la reacción. Una vez más, abastecer las flechas mecanicistas faltantes.
Segunda fase: reordenamiento y desprotonación
- Mira los primeros y últimos pasos de todo el proceso: en general, ¿describirías esto como una adición o sustitución electrófila?
La reacción de ciclación de oxidoescualeno y otras similares son ejemplos verdaderamente notables del exquisito control ejercido por las enzimas en el transcurso de una reacción química. Considerar: una molécula de partida de cadena abierta se convierte, por una sola enzima, en una estructura compleja de múltiples anillos fusionados con siete centros quirales. El oxidoescualeno podría potencialmente ciclarse de muchas maneras diferentes, resultando en una gran variedad de productos diferentes. Para que la enzima catalice la formación de un solo producto con la conectividad y estereoquímica correctas, la enzima debe ser capaz de mantener un control preciso de la conformación del compuesto de partida y todos los intermedios reactivos en el sitio activo, al tiempo que excluye las moléculas de agua que podría atacar a cualquiera de los carbonos cargados positivamente.