Reacciones 1,3-dipolares

¿Qué son las reacciones 1,3-dipolares?

Se denomina 1,3-dipolo a un sistema de 3 átomos con 4 electrones π deslocalizados en esos 3 átomos. Las especies 1,3-dipolares no se pueden escribir como estructuras resonantes de Lewis sin utilizar cargas. Esto es, que la estructura de Lewis contenga sólo electrones apareados. Estos 1,3-dipolos contienen un heteroátomo central, que puede tener hibridación sp o sp2, dependiendo de que presente o no un doble enlace ortogonal al sistema π deslocalizado.

fig-57

Esto no implica que sean polares, debido a que las cargas no están localizadas.

Los grupos R pueden ser sustituyentes o pares de electrones sin compartir.

Los 1,3-dipolos más usados para las cicloadiciones se resumen en el siguiente esquema.

fig-58

Aunque presentan un heteroátomo central con hibridación sp, se doblan con facilidad para permitir reacciones de cicloadición en los extremos.

A los compuestos que pueden reaccionar con estos 1,3-dipolos en reacciones de cicloadición se les conoce como dipolarófilos. Estos contienen grupos funcionales insaturados como C≡C, C=C, C≡N, C=N, C=O, y C=S.

Las cicloadiciones 1,3-dipolares son procesos concertados, sin intermedios de reacción definidos, que pasan a través de estados de transición asimétricos. Esto es, uno de los nuevos enlaces σ se halla más avanzado que el otro.

La polaridad del disolvente tienen una influencia muy débil sobre la velocidad de reacción. Esto demuestra que hay poco cambio en la polaridad entre los reactivos y el estado de transición.

En la práctica se observa que la reactividad de los 1,3-dipolos frente a los distintos dipolarófilos varía ampliamente.

En cuanto a la selectividad de estas reacciones, una gran variedad de ellas pueden producir mezclas de isómeros. Sin embargo, otras pueden presentar, también, una gran selectividad predominando uno de los productos, cuando no se forma exclusivamente.

Por ejemplo, en este esquema se indican los posibles regioisómeros obtenidos.

fig-59

y en esta otra los posibles estereoisómeros que se pueden obtener con este tipo de reacción 1,3-dipolar.

fig-60

 

Por ejemplo, la cicloadición del diazometano con acrilato de metilo da los dos estereoisómeros posibles A y B.

fig-70

Sin embargo, se forma exclusivamente el producto A debido a que la interacción que conduce al producto A es mucho más fuerte que la del B.

Ejemplo de reacciones 1,3-dipolares (azidas, NNN-)

Muchas azidas (NNN) son compuestos aislables. Por tanto, es posible prepararlas con una gran variedad de sustituyentes. Las azidas de vilino, arilo y algunas azidas de alquilo se descomponen con facilidad cuando se calientan. Por tanto, no se pueden utilizar en este tipo de reacciones de cicloadición. A pesar de esto, las reacciones 1,3-dipolares de azidas se han podido utilizar en la síntesis de heterociclos.

La cicloadición con acetilenos (C≡C) o con alquenos (C=C) ricos en electrones, o que poseen un grupo  saliente (como las enaminas) , se utilizan para la síntesis de tiazoles.

fig-71

También, se han descrito cicloadiciones intramoleculares a un triple enlace (C≡C).

Ejemplo de reacciones 1,3-dipolares (diazocompuestos, NN—C<)

El diazometano (NNCH2) y los diazoalcanos sencillos (NNCRR’) son compuesto aislables, pero térmicamente inestables. No obstante, participan  en una gran variedad de cicloadiciones a distintos enlaces múltiples.

Una vez que se obtiene el producto ciclado, ocurre un desplazamiento de protón.

Ejemplo de reacciones 1,3-dipolares (óxidos de nitrilo, ON—C-)

Existen algunos óxidos de nitrilo (ONC), con sustituyentes arilo voluminosos, que son aislables. Sin embargo, la mayoría se generan y capturan in situ.

De han descrito dos rutas para generarlos:

  • A partirl de aldoximas que se cloran en posición α.

fig-72

  • A partir de nitroalcanos por deshidratación con isocianato de fenilo.

fig-73

Los óxidos de nitrilo con una gran variedad de sustituyentes (-H, -alquilo, -Br, -COOR, y -SO2Ph), también participan en las reacciones de cicloadición 1,3-dipolares.

fig-74

fig-75

También, se pueden llevar a cabo el proceso intramolecular.

fig-76

Ejemplo de reacciones 1,3-dipolares (nitrilimidas, –NNC-)

Las nitrilimidas (NNC) son intermedios transitorios y se pueden generar mediante dos métodos:

  • A partir de oximas. Este método es análogo al de los óxidos de nitrilo.

fig-77

  • A partir de un compuesto heterocíclico que se descompone térmicamente (por ejemplo, 2H-tetrazol) o por luz ultravioleta.

fig-78

Las nitrilimidas, también, se emplean en reacciones de cicloadición, como se indica en el siguiente esquema.

fig-79

Ejemplo de reacciones 1,3-dipolares (sulfuros de nitrilo, SN≡C-)

Los sulfuros de nitrilo, también, se generan in situ, por calentamiento de 1,3,4-oxatiazol-2-onas en disolución a 110-160 ºC.

fig-80

Sus reacciones de cicloadición, tienen lugar, preferentemente, con diversos tipos de dipolarófilos deficientes en electrones como: ésteres acetilénicos, nitrilos activados y compuestos carbonílicos, también, activados.

fig-81

Ejemplo de reacciones 1,3-dipolares (nitronas, (O)N=C<)

Muchas nitronas ((O)N=C<) son compuestos aislables y estables. En especial, los que tienen sustituyentes C-arilo. Los que carecen de sustituyentes estabilizantes tienden a dimerizarse o trimerizarse, por lo que es mejor generarlos in situ.

Las nitronas se pueden generar por dos métodos:

  • Por oxidación de una hidroxilamina N,N-disustituida.

fig-82

  • Por condensaión de N-alquil hidroxilaminas con aldehídos o cetonas.

fig-83

Existen muchos ejemplos de adición de nitronas a dobles (C=C) o triples (C≡C) enlaces carbono-carbono, en especial a los que poseen grupos electrón atrayentes.

fig-84

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