Reacciones de cicloadición

En las reacciones de cicloadición, como su nombre indica, se genera un sistema cíclico a partir de los distintos componentes.  Normalmente, se nombran con números que indican los electrones p de cada componente. Un ejemplo sería las dos moléculas de etileno para formar ciclobutano:

sería un caso de reacción 2+2, ya que uno de los componentes tiene dos electrones y el otro también.

Otro ejemplo es el etileno mas el butadieno para dar ciclohexeno, esta sería una reacción 2+4.

Históricamente, en las reacciones pericíclicas se suele representar el ET mediante una notación con flechas que indican el movimiento de los pares de electrones, de manera que para los ejemplos anteriores tendremos:

Estas flechas indican el movimiento de los pares de electrones de los reactivos para pasar al ET, y posteriormente al producto de la reacción.  Que si ese movimiento sea hacia a la derecha o izquierda resulta totalmente arbitrario y sólo nos da una idea de como se pueden redistribuir los pares de electrones, pero lo único verdadero es que en el ET los pares de electrones p que intervienen en la reacción forman un buble cerrado.

Las reacciones de cicloadición (también existen 4+4, etc) tienen unas características muy interesantes.  Lo primero es que experimentalmente se observa que las reacciones 2+2 ó 4+4 difícilmente transcurren en el estado fundamental, es decir térmicamente. Mientras que las reacciones de tipo Diels-Alder (que son 2+4) se dan muy fácilmente.  Pero si probamos estas reacciones con alguno de los reactivos en su estado excitado (reacciones fotoquímicas), ocurre todo lo contrario, es decir, ahora las reacciones 2+2 ó 4+4 se dan fácilmente mientras que la reacción de Diels-Alder en estado excitado se observa muy difícilmente.

Dentro de las reacciones de cicloadición merece la pena resaltar la existencia de unas reacciones que se utilizan mucho en síntesis de heterociclos ya que se dan con mucha facilidad, y son las reacciones de cicloadición 1,3-dipolar que es la reacción entre un sistema de 2 electrones p con un 1,3-dipolo que es un sistema con 4 electrones y tres centros (que normalmente se pueden representar por distintas formas resonantes).  Estas reacciones son 2+4, para dar lugar a sistemas cíclicos de 5 miembros.

Normalmente, se dan a baja temperatura y se observan muy fácilmente.  Entre los dipolos más conocidos, y utilizados en reacciones 1,3-dipolares se encuentra el O3, NO2, CON (oxido de nitrilo), COO (oxido de carbonilo).

Así en el caso de la ozonolísis, el O3 reacciona muy fácilmente con sistemas olefínicos, donde se postula que éste es el primer producto de la reacción.

Pero que es un compuesto muy inestable que se rompe en una reacción inversa de cicloadición pero que en lugar de generar los productos de partida, se rompe de tal manera que da, por una parte un grupo carbonilo y por otra el óxido de carbonilo.

También con los grupos NO2 o CN, se pueden acceder a distintos tipos de heterociclos.

Las reacciones de cicloadición en general tienen que reaccionar con una estereoquímica determinada que se puede observar por ejemplo en la reacción de Diels-Alder, donde vamos a tener el sistema p del ciclobutano de la forma más sencilla que imaginemos que pueda reaccionar el etileno, esta interacción de los sistemas p sería como se indica:

Donde el sistema p de 2 átomos de carbono interacciona con una estereoquímica de tal manera que si tenemos el butadieno plano, el sistema p de dos electrones interacciona por debajo de manera que interaccionan los lóbulos de los orbitales.  Esta interacción ser realiza por el mismo lado de un sistema p de 2 electrones y por el mismo en el otro de 4.  Cuando uno de los componentes de la reacción de cicloadición o uno de los sistemas p, interviene en la reacción con ambos extremos de su sistema p por la misma cara se dice que procede de manera suprafacial.  Mientras que si un sistema p lo hace con ambos extremos pero con caras diferentes, se dice que lo hace antarafacialmente.

Por tanto si tenemos nuestro sistema con distintos substituyentes:

La interacción de ese sistema p de 2 electrones es con ambos extremos por la misma cara y se representa indicando primero si los electrones que intervienen en la reacción son p o s, en este caso los dos son de tipo p, después indicamos el número de electrones, en este caso 2, y finalmente la estereoquímica, en el ejemplo suprafacial, así el sistema sería p2s. Como tenemos otro sistema p con 4 electrones la reacción de Diels-Alder será p2s+p4s, una reacción en la que intervienen ambos sistemas p de una manera suprafacialmente, y esto tiene importancia, ya que la estereoquímica de la interacción implica estereoquímica en los productos, puesto que en nuestro caso hará que los substituyentes b vayan hacia arriba y los a hacia abajo.  Este sistema que pasa de una hibridación sp2 a una sp3 producirá que los dos substituyentes bvayan arriba y los a se queden de forma ecuatorial.  Lo mismo en el caso del sistema de 2 electrones, los substituyentes cquedarán los dos del mismo lado y los d también.  Entonces si teníamos una cierta estereoquímica, se sigue conservando, si el sistema p de 2 electrones tenía una configuración cis, la configuración de los productos de la reacción sigue siendo cis.

Lógicamente, también podremos tener los productos en los que los dos substituyentes b estuvieran hacia abajo.  Pero lo interesante es que la estereoquímica del sistema p original de dos electrones se mantiene en el producto de reacción, es decir, la reacción es estereoespecífica totalmente.

Una reacción en la que uno de los componentes actúe de una forma antarafacialmente implicará una estereoquímica diferente.  Para que uno de los sistemas actúe de forma antarafacial, tiene que intervenir por ambos lados del sistema p. En un sistema de dos electrones será bastante difícil el que intervenga por arriba y por debajo, puesto que esto implicaría una deformación muy grande, por tanto tendremos que considerar que el sistema de 2 electrones se va a acercar con una orientación totalmente distinta si queremos que actúe uno de los componentes de forma antarafacial, y esa orientación diferente para que intervenga uno de ellos de una forma antarafacial debe de ser:

Es una orientación en la que el sistema de 2 electrones está en el plano del papel, y el sistema de 4 electrones está en un plano perpendicular, de tal manera que uno de los lóbulos puede interaccionar con la parte de arriba del sistema de 4 electrones, mientras que el otro puede interaccionar con la parte de abajo.

Esta orientación implica un cambio estereoquímico en los substituyentes de esos sistemas, de manera que eso daría lugar a un producto donde la parte original del sistema de dos electrones mantiene la estereoquímica, sin embargo la estereoquímica de los carbonos que formaban parte del sistema de 4 miembros tiene que cambiar.

Entonces si la reacción es suprasupra implica retención de la configuración de los distintos centros quirales que intervienen en la reacción.  Si la reacción en cambio es supraantara implica el cambio de configuración de uno de los carbonos quirales que se forman.

Además como característica también habíamos visto que el que una reacción se de o no, tiene que ver con el número de electrones que intervienen en la reacción. Así habíamos visto que reacciones con 4 electrones no se dan fácilmente mientras que las de 6 electrones si se dan.  Pero esta facilidad de la reacción está asociada con la estereoquímica.  Es decir, la reacción de Diels-Alder se da muy fácilmente cuando ambos componentes actúan suprafacialmente.  Todos los ejemplos de reacciónes Diels-Alder en el estado fundamental que se han estudiado implican estereoespecificidad y además se conserva la estereoquímica de los reactivos en los productos.

Es decir, que si una reacción pericíclica (no sólo de cicloadición) se da muy fácilmente y añadimos 2 electrones al sistema que intervenga en la reacción ahora se pasa a darse muy difícilmente.  Si tenemos una reacción pericíclica con un cierto número de electrones y una estereoquímica y se da fácilmente, si cambiamos a otra reacción con el mismo número de electrones pero de forma que cambiemos la esteroquímica de uno de los componentes, la reacción pasa a darse difícilmente.  Y esto es una cosa general para todas las reacciones pericíclicas que veremos.  Además, nos permitirá extraer reglas teóricas para predecir si se da o no y con que estereoquímica, en función del número de electrones de la reacción.

Lógicamente, todo lo que hemos dicho con respecto a la facilidad y la esteroquímica de las reacciones pericíclicas de cicloadición se invierten cuando pasamos de reacciones térmicas a fotoquímicas.  Es decir, que si una se da fácilmente con cierta estereoquímica en el estado fundamental, al pasar al estado excitado se dará muy dificilmente con esa estereoquímica (pero puede darse con la estereoquímica cambiada).

De estos ejemplos que hemos visto se puede resumir que lo más normal es que se den reacciones supra-supra, pero veremos que las demás posibilidades también se pueden dar dependiendo de las condiciones de reacción y del número de electrones.  Aunque si tenemos una reacción de cicloadición y es una reacción permitida supra-supra, entonces, la supra-antara estará prohibída, mientras que la antara-antara volvera a estar permitida.