Reacción de acoplamiento

Una reacción de acoplamiento, en química orgánica, es una reacción orgánica en el que dos fragmentos de hidrocarburos se unen formando un nuevo enlace químico para formar una sola molécula, con la ayuda de un catalizador.[1]​ Representan un tipo de reacciones muy importante en síntesis orgánica pues permiten crear enlaces carbono-carbono o carbono-heteroátomo.[2]​

En un ejemplo importante para este tipo de reacciones, es un grupo principal de un compuesto organometálico del tipo R-M (R = fragmento orgánico, M = centro del grupo principal) donde este reacciona con un haluro orgánico del tipo R'X para la formación de un nuevo enlace carbono-carbono para dar el producto R-R'.[3]​

Las contribuciones al estudio de las reacciones de acoplamiento de Ei-ichi Negishi y Akira Suzuki, fueron reconocidas con el Premio Nobel de Química 2010, que fue compartido con Richard F. Heck.[4]​

Clases de reacciones de acoplamiento

A grandes rasgos, se reconocen dos tipos de reacciones de acoplamiento:

  • Acoplamientos cruzados que agrupan reacciones entre dos compuestos diferentes, por ejemplo el bromobenceno (PhBr) y el cloruro de vinilo reaccionan para dar estireno (PhCH=CH2).
  • Homoacoplamientos en donde se acoplan o enlazan dos fragmentos iguales, por ejemplo, la conversión de yodobenceno (Ph-I) en bifenilo (Ph-Ph).

Mecanismo

El mecanismo de reacción general, comienza con una adición oxidante de un haluro orgánico con el catalizador. Posteriormente, el segundo fragmento sufre transmetalación, lo que sitúa a ambos candidatos del acoplamiento sobre el mismo centro metálico. El paso final es una eliminación reductora de los dos fragmentos de acoplamiento para regenerar el catalizador y dar el producto orgánico deseado. Los grupos orgánicos insaturados se acoplan con más facilidad, en parte, por su facilidad para dar reacciones de adición. Los productos intermedios son por lo tanto menos propensas a la beta-eliminación del hidruro.[5]​

En un estudio computacional, los grupos orgánicos no saturados mostraron mayor facilidad para sufrir una reacción de acoplamiento sobre el centro metálico.[6]​ Las tasas de la eliminación reductora siguen el siguiente orden: vinilo-vinilo > fenilo-fenilo > alquinilo-alquinilo > alquilo-alquilo.

Se ha comprobado que las barreras de activación y las energías de reacción para acoplamientos asimétricos R-R' donde se encuentran cerca de los promedios de los valores correspondientes de los acoplamientos simétricos R-R y R'-R', por ejemplo: vinilo-vinilo > vinilo-alquilo > alquilo-alquilo.

Catalizadores

El catalizador metálico más usado es el paladio, pero algunos procesos a menudo usan níquel y cobre. Un catalizador común es el tetraquis(trifenilfosfina)paladio (0). Las reacciones catalizadas por paladio tienen varias ventajas, incluyendo la tolerancia al grupo funcional, y la baja sensibilidad de los compuestos de organopaladio hacia el agua y el aire haciendo este catalizador muy idóneo.

Se han hecho revisiones, por ejemplo, sobre reacciones mediadas por cobalto,[7]​ paladio,[8]​[9]​[10]​[11]​[12]​ níquel,[13]​ y sobre las aplicaciones.[14]​[15]​

Grupos salientes

El grupo saliente X, en el compuesto orgánico suele ser bromuro yoduro o triflato pero los grupos salientes ideales son los cloruros, pues los cloruros orgánicos son más baratos que otros compuestos relacionados. Los metales del grupo principal en el compuesto organometálico suele ser estaño, zinc o boro.

Condiciones de reacción

Ya que muchas reacciones de acoplamiento incluyen reactivos que son muy susceptibles a la presencia de agua o de oxígeno, es razonable suponer que todas las reacciones de acoplamiento se deben realizar en sistemas anhidros, aunque posible realizar reacciones de acoplamiento basadas en compuestos de paladio en soluciones acuosas, usando fosfinas sulfonadas solubles en agua, obtenidas por reacción de trifenilfosfina con ácido sulfúrico. En general, el oxígeno del aire posee mayor capacidad para alterar las reacciones de acoplamiento, ya que muchas de estas reacciones se producen a través de complejos metálicos insaturados, que no tienen 18 electrones de valencia. Por ejemplo, en los acoplamientos cruzados basados en compuestos de níquel o paladio, un complejo de valencia cero con dos sitios vacíos (o ligandos lábiles), reacciona con el enlace carbono-halógeno para formar un enlace metal-halógeno y un enlace metal-carbono. Tales complejos de valencia cero con ligandos lábiles o sitios de coordinación vacíos, suelen ser muy reactivo frente al oxígeno.

Reacciones de homo-acoplamiento

Las reacciones de acoplamiento se ilustran con la famosa reacción de Ullmann.:

Ullmann overview
Ullmann overview
Reacción Año Reactivo A Reactivo B Catalizador Observación
Reacción de Wurtz 1855 R-X sp3 R-X sp3 Na como agente reductor
Reacción de acoplamiento de Pinacol 1859 R-HC=O or R2(C=O) R-HC=O or R2(C=O) varios metales requiere dador de protones
Acoplamiento de Glaser 1869 RC≡CH sp RC≡CH sp Cu O2 como aceptor-H
Reacción de Ullmann 1901 Ar-X sp2 Ar-X sp2 Cu altas temperaturas
Reacción de Gomberg-Bachmann 1924 Ar-H sp² Ar-N2X sp² Requiere base

Reacciones de acoplamiento cruzado

Artículo principal: Reacción de acoplamiento cruzado

Una reacción de acoplamiento cruzado ilustrativa es el acoplamiento de Heck de un alqueno y un haluro de arilo:

The Heck reaction
The Heck reaction

Algunas reacciones de acoplamiento se recogen a continuación (la lista no es exhaustiva; para las referencias consúltense los artículos de la Wikipedia):

Reacción Año Reactivo A Reactivo B Catalizador Observaciones
Acoplamiento de Cadiot-Chodkiewicz 1957 RC≡CH sp RC≡CX sp Cu Requiere base
Acoplamiento de Castro-Stephens 1963 RC≡CH sp Ar-X sp² Cu
Acoplamiento por reactivo de Gilman 1967 R2CuLi R-X
Reacción de Cassar 1970 Alkene sp² R-X sp³ Pd Requiere base
Acoplamiento de Kumada 1972 Ar-MgBr sp², sp³ Ar-X sp² Pd o Ni
Reacción de Heck 1972 alkene sp² R-X sp² Pd Requiere base
Acoplamiento de Sonogashira 1975 RC≡CH sp R-X sp³ sp² Pd yCu Requiere base
Acoplamiento de Negishi 1977 R-Zn-X sp³, sp², sp R-X sp³ sp² Pd o Ni
Acoplamiento cruzado de Stille 1978 R-SnR3 sp³, sp², sp R-X sp³, sp² Pd
Reacción de Suzuki 1979 R-B(OR)2 sp² R-X sp³, sp² Pd Requiere base
Acoplamiento de Hiyama 1988 R-SiR3 sp² R-X sp³, sp² Pd Requiere base
Reacción de Buchwald-Hartwig 1994 R2N-R SnR3 sp R-X sp² Pd Acoplamiento N-C, amina libre de segunda generación
Acoplamiento de Fukuyama 1998 RCO(SEt) sp2 R-Zn-I sp3 Pd

Otras reacciones

En un estudio, se ha descrito una reacción de acoplamiento inusual en la cual participa un compuesto de organomolibdeno, que permanece estable durante 30 años sin ningún signo de degradación, pero que es descompuesto por el agua para generar 2-butino, que es el aducto de acoplamiento de los dos ligandos etilidino. Esto, según los investigadores, abre otro camino para la química organometálica en medio acuoso.[16]​

Un método para las reacciones de acoplamiento cruzado, catalizadas por paladio, de haluros de arilo con arenos fluorados fue estudiado por Keith Fagnou y compañeros de trabajo. Es inusual, ya que se trata de una activación de enlaces carbono-hidrógeno con deficiencia de electrones.[17]​

Acoplamiento de fluoroareno
Acoplamiento de fluoroareno

Aplicaciones

Muchas reacciones de acoplamiento han encontrado aplicación en la industria farmacéutica[18]​ y en los materiales orgánicos conjugados.[19]​

Referencias

  1. ↑ Reacciones de acoplamiento C-C en Química Fina. En: Catálisis Homogénea en Química Fina y Polímeros. Mecanismos de reacción. Universidad de Valladolid.
  2. ↑ Reacciones de acoplamiento en medio acuoso catalizadas por complejos oxima-paladaciclo. Archivado el 27 de noviembre de 2015 en Wayback Machine. Tesis doctoral de Luis Botella Segura. Universidad de Alicante
  3. ↑ Organic Synthesis using Transition Metals Rod Bates ISBN 978-1-84127-107-1
  4. ↑ «The Nobel Prize in Chemistry 2010 - Richard F. Heck, Ei-ichi Negishi, Akira Suzuki». NobelPrize.org. 6 de octubre de 2010. Consultado el 6 de octubre de 2010. 
  5. ↑ Hartwig, J. F. Organotransition Metal Chemistry, from Bonding to Catalysis; University Science Books: New York, 2010. ISBN 1-891389-53-X
  6. ↑ V. P. Ananikov, D. G. Musaev, K. Morokuma, “Theoretical Insight into the C-C Coupling Reactions of the Vinyl, Phenyl, Ethynyl, and Methyl Complexes of Palladium and Platinum” Organometallics 2005, 24, 715. doi 10.1021/om0490841
  7. ↑ Cobalt-Catalyzed Cross-Coupling Reactions Grard Cahiez and Alban Moyeux Chem. Rev., 2010, 110 (3), pp 1435–1462 Publication Date (Web): February 11, 2010 (Review) doi 10.1021/cr9000786
  8. ↑ Carbon−Carbon Coupling Reactions Catalyzed by Heterogeneous Palladium Catalysts Lunxiang Yin and Jürgen Liebscher Chem. Rev., 2007, 107 (1), pp 133–173 Publication Date (Web): December 21, 2006 (Article) doi 10.1021/cr0505674
  9. ↑ Advances in Transition Metal (Pd,Ni,Fe)-Catalyzed Cross-Coupling Reactions Using Alkyl-organometallics as Reaction Partners Ranjan Jana, Tejas P. Pathak, and Matthew S. Sigman Chem. Rev., 2011, 111 (3), pp 1417–1492 doi 10.1021/cr100327p 10.1021/cr100327p
  10. ↑ Efficient, Selective, and Recyclable Palladium Catalysts in Carbon−Carbon Coupling Reactions rpd Molnr Chem. Rev., 2011, 111 (3), pp 2251–2320 doi 10.1021/cr100355b
  11. ↑ Palladium-Catalyzed Cross-Coupling Reactions of Organoboron Compounds Norio. Miyaura, Akira. Suzuki Chem. Rev., 1995, 95 (7), pp 2457–2483 doi 10.1021/cr00039a007
  12. ↑ Diazonium Salts as Substrates in Palladium-Catalyzed Cross-Coupling Reactions Anna Roglans, Anna Pla-Quintana, and Marcial Moreno-Mañas Chem. Rev., 2006, 106 (11), pp 4622–4643 doi 10.1021/cr0509861
  13. ↑ Nickel-Catalyzed Cross-Couplings Involving Carbon−Oxygen Bonds Brad M. Rosen, Kyle W. Quasdorf, Daniella A. Wilson, Na Zhang, Ana-Maria Resmerita, Neil K. Garg, and Virgil Percec Chem. Rev., 2011, 111 (3), pp 1346–1416 doi 10.1021/cr100259t
  14. ↑ Selected Patented Cross-Coupling Reaction Technologies Jean-Pierre Corbet and Gérard Mignani Chem. Rev., 2006, 106 (7), pp 2651–2710 2006 (Article) doi 10.1021/cr0505268
  15. ↑ Copper-Mediated Coupling Reactions and Their Applications in Natural Products and Designed Biomolecules Synthesis Gwilherm Evano, Nicolas Blanchard and Mathieu Toumi Chem. Rev., 2008, 108 (8), pp 3054–3131 doi 10.1021/cr8002505
  16. ↑ A. Bino, M. Ardon and E. Shirman (2005). «Formation of a Carbon-Carbon Triple Bond by Coupling Reactions In Aqueous Solution». Science 308 (5719): 234-235. PMID 15821086. doi:10.1126/science.1109965. 
  17. ↑ M. Lafrance, C. N. Rowley, T. K. Woo and K. Fagnou (2006). «Catalytic Intermolecular Direct Arylation of Perfluorobenzenes». J. Am. Chem. Soc. 128 (27): 8754-8756. PMID 16819868. doi:10.1021/ja062509l. 
  18. ↑ R.H. Crabtree, The Organometallic Chemistry of the Transition Metals 4th Ed.
  19. ↑ Organotransition Metal Chemistry: From Bonding to Catalysis John Hartwig