Oxidacin de Alcanos, Alquenos y AlquinosPor: Wilbert Rivera Muoz wlbrtrivera@gmail.com En general los conceptos precisos que se tienen de oxidacin y reduccin en la qumica inorgnica, son igualmente vlidos en qumica orgnica, no obstante, los mismos no pueden trasladarse mecnicamente al campo de la qumica orgnica, debido a la naturaleza covalente y/o polar de los enlaces predominantes en esta ltima. Sin embargo, se han desarrollado conceptos alternativos y/o complementarios adecuados a la qumica orgnica sobre la oxidacin y la reduccin, los cuales pueden resumirse en los siguientes trminos: Las reacciones que originan nuevos enlaces, generalmente con el hidrgeno o los metales, deben de entenderse y tomarse como reducciones. La abstraccin de hidrgeno de una molcula, para formar enlaces mltiples para producir nuevos enlaces entre el carbono y elementos ms electronegativos que ste, tales como halgenos, oxgeno, nitrgeno y azufre, se toman como oxidaciones

Por otro lado, todas las reacciones de oxidacin y reduccin, debe sobreentenderse que se hallan comprendidas dentro de los grupos de reaccin grandes, tales como: Adicin, Sustitucin, Eliminacin, etc. En consecuencia, se puede afirmar que todos los agentes oxidantes aplicados en la qumica inorgnica, son tambin tiles en qumica orgnica, bajo condiciones adecuadas de control, para evitar la destruccin de la molcula. Los sistemas de oxidacin ms comunes, comprenden las siguientes alternativas: Pirlisis cataltica Reactivos basado en un metal: Reactivos de cromo, manganeso, estao, Hierro, Rutenio y otros metales. Reactivos basados en no metales: Dimetil sulfxido (DMSO) activado, perxidos y percidos, oxgeno/ozono y otros. Epoxidaciones

1. Formacin de enlaces mltiples C-C.Las reacciones de deshidrogenacin se llevan a cabo haciendo pasar vapor del sustrato, que normalmente son alcanos, cicloalcanos, alquenos y ciclooalquenos, sobre el lecho caliente de un catalizador slido especficamente preparado.Cr 2O 3 - Al 2O 3 500 C

Cr 2O3 - Al 2O3 calor

Los alcanos que contienen cadenas de seis o ms tomos de carbono, sufren deshidrociclacin, que los convierte en aromticos. Un ejemplo es la produccin comercial del tolueno.Cr 2O3 - Al 2O3 450C

Los compuestos alicclicos que contienen ciclos de seis eslabones, se aromatizan, cuando se calientan en presencia de catalizadores de hidrogenacin, como el Pt, Pd o con

Pd, C vegetal 200 C Tetraln Naftaleno

+

2 H2

1

sustancias fcilmente reducibles, como Se, S, Cloranil (Tetracolorobenzoquinona) y DDQ (Dicloro- DicianoQuinona).1,3 dimetildecalin-

S 230 C

+

5 H2S

Con frecuencia, la denominada aromatizacin, es la ltima etapa en la obtencin de sistemas aromticos complejos, a partir de materias primas alifticas o alicclicas. Otra aplicacin interesante de la deshidrociclacin se encuentra en la sntesis de los hidrocarburos polinucleares.

catalizador xido 625 C

o - terfenil

Trifenileno

En algunas estructuras no es necesario el uso de catalizadores. As una diarilcetona que contenga un grupo metilo o metileno en posicin orto respecto al carbonilo, cuando es calentada a temperaturas altas se cicla, esta formacin de compuestos polinucleados se conoce como

reaccin de Elbs.O

Ocalor - H 2O

calor - H 2O

O calor - H 2O (2 metilfenil)(naftalen - 1 - il)metanona-

1,2 - benzantraceno

2. Formacin de enlaces C OLos compuestos orgnicos que contienen enlaces C O, forman una serie continua con respecto al nivel de oxidacin, como puede verse a continuacin:- CH 3 - CH 2OH -CHO - COOH O=C=O

2.1.

Oxidacin de Hidrocarburos

Una oxidacin completa de un compuesto orgnico, que slo contiene C e H, es sinnimo de la combustin de dicho compuesto, y esto produce en todos los casos CO2 y H2O. La oxidacin de los hidrocarburos en aire a bajas temperaturas, son difciles de controlar, debido a que las mismas son reacciones de radicales libres, estas oxidaciones son selectivas en las posiciones adyacentes a los dobles enlaces. Algunos ejemplos tiles son los siguientes:O2 cat.: CuCl 2 CHO

O2, catalizador OOH no aislable

+O OH

Por otro lado, la facilidad de oxidacin de los anillos aromticos vara considerablemente, en el caso de los arenos que contienen grupos alqulicos, los mismos son fciles de ser oxidados a cidos carboxlicos y si los grupos alquilo son ramificados, unidos al anillo bencnico, como el

2

caso del cumeno, la oxidacin con el oxgeno del aire forma fenoles y como subproducto acetona (Es muy frecuente el error de proponer como producto de oxidacin del cumeno al cido benzoico, lo cual es totalmente incorrecto). En el caso del t-butilbenceno, sencillamente no ocurre la oxidacin del alquilo.O-O-H O2 cido OH O

+COOH Cl CrO 3 o - clorotolueno c. o - clorobenzoico Cl

KMnO4 lcali

COOH

O KMnO4 lcali HOOC mesitileno

OHCOOH KMnO4

COOH

lcali COOH

cido trimsico

La facilidad de oxidacin de los anillos aromticos vara considerablemente, as, en condiciones drsticas el benceno se oxida a anhdrido maleico, mientras que uno de los anillos del naftaleno lo hace mucho ms rpidamente y el antraceno se oxida con mucha facilidad a 9,10 antraquinona.O O 2 , V2 O 5 O 450 C

O

+

2 CO 2

KMnO4 O base O Anh. Ftlico

O Anh. maleico

O CrO 3 CH 3COOH O 9,10 - Antraquinona

Las cadenas laterales alqulicas en el benceno, pueden ser oxidadas por algunos reactivos especficos sin causar gran degradacin del esqueleto carbonado.CHO H3 O+

+p - xileno

2 CrO 2Cl 2

.(CrO 2Cl 2)

+p - tolualdehido

Cr(III)

3

Un ejemplo de este tipo de reacciones lo constituye la reaccin de Etard, en la que un grupo metilo se oxida a aldehdo con cloruro de cromilo. El mtodo ms conveniente para la introduccin de un grupo hidroxilo alcohlico en posicin alfa en un ncleo aromtico es el que utiliza la bromacin de la cadena lateral seguido de hidrlisis bsica.O NBr , CCl 4 O perxido de benzoilo 1-metilnaftaleno 1-hidroximetilnaftaleno CH 2OH K2CO 3, H2O

CH 2Br

La Nbromosuccinimida (NBS), puede generar desplazamientos de los dobles enlaces, generando preferentemente estructuras allicasO NBr O , CCl 4

Br

Br

1,6 -dibromo-2,4-hexadieno

2.2.

Oxidacin del enlace olefnico. C=C

Las reacciones de oxidacin de dobles enlaces presentan importancia en sntesis y en reacciones de degradacin. Las siguientes son las reacciones de mayor significacin: 2.2.1. Hidroxilacin. La hidroxilacin olefnica, para formar un alcohol, presenta las siguientes alternativas: Adicin de H2SO4 e hidrlisis. Este mtodo es uno de ms clsicos, el cido sulfrico, no debe ser concentrado y tampoco muy diludo.H2SO4 45% fro OSO3H H2 O calor OH

+

H2SO4

OximercuracinDesmercuracin. Los alquenos reaccionan con acetato mercrico en una mezcla de tetrahidrofurano (THF) y agua, para producir compuestos hidroxialquilmercricos. Estos compuestos pueden reducirse a alcoholes tratndolos con borohidruro de sodio (NaBH4).Hg(OOCCH 3) 2 H2O/THF oximercuracin OH NaBH4/NaOH, desmercuracin HgOOCCH 3

+

CH 3COOH

+OH

Hg

+

CH 3COOH

La oximercuracin - desmercuracin es altamente regioespecfica. La orientacin neta de la adicin del OH del agua, se realiza de acuerdo con la regla de Markovnikov.

4

Hg(AcO) 2 H2O/THF HO HgAcO

NaBH4 NaOH OH

En esta reaccin rara vez se producen rearreglos del esqueleto carbonado. Ejem.

1) Hg(AcO) 2 /THF - H 2O 2) NaBH4/NaOH OH

Cuando la reaccin de mercuracindesmercuracin se lleva a cabo en disolvente nucleoflicos distintos al THF H2O, se produce una solvlisis. Si el solvente es alcohol, se formarn teres.EtO EtO

Hg(AcO) 2

EtOH

NaBH4 NaOH

HgAcO

HgAcO

Si los alcoholes que se utilizan como sustratos son terciarios, el acetato de mercurio se sustituye por el trifluoroacetato mercrico, Hg(OOCCF3)2. Hidroboracin Oxidacin. La adicin de las especies OH- e H+ provenientes del agua, a un doble enlace, tambin se lleva a cabo en el laboratorio, mediante el uso de hidruro de boro (BH3)2, llamado comnmente como DIBORANO.1/2 (BH3) 2 B 3 H2O2, NaOH 3 OH

+ H BO3

3

Las reacciones de Hidroboracin son regioespecficas y el resultado neto de la Hidroboracin-oxidacin es una aparente adicin anti-Markovnikov del agua al doble enlace, formando los alcoholes menos sustitutdos. Hidroboracin de Cicloolefinas. La hidroboracin de cicloolefinas con altos rendimientos, se consigue utilizando el boro hidruro de cinc, Zn(BH4)2, para formar diversos productos, dependiendo del reactivo que se haga uso, en la segunda etapa del proceso. Aldrichimica Acta Vol. 31, N 1 1998.O Zn(BH 4) 2 reflujo 1 h BH 2 1) MeOH 2) CHCl 3, MeONa (8O%)

Las aplicaciones sintticas de esta reaccin resultan ser muy tiles, como puede verse en los siguientes ejemplos:Zn(BH 4) 2 THF, ref, 5h BH Zn(BH 4) 2 THF, ref, 5h B

Zn(BH 4) 2 (90%) THF, ref, 5h BH

5

CH2 Zn(BH 4) 2 H BH 2 OH H2 O 2 NaOH

+H B

BH3

H

Reaccin de Prevost: Ag(PhCO2)2I2. Esta reaccin permite acetilar uno de loa tomos de arbono que forma el doble enlace e hidroxilar el otro tomo de carbono, con una esterepqumica cis. Se utiliza I2 como catalizadorAg(PhCOO) 2, I2 AcOH AcO OAc

Ag(PhCOO)2, I2 AcOH, H2O

AcO

OH

Hidroxilacin con AlH3/TiCl4/O2. El hidruro de aluminio se utiliza junto al tetracloruro de titanio y oxgeno molecular, para hidroxilar las olefinas, en una reaccin similar a la hidroboracin.1) AlH3, TiCl4 2) O 2 OH 90%

2.2.2. Dihidroxilacin. La dihidroxilacin de los enlaces olefnicos, puede generar ismeros cis y transdihidroxilados. Cis-dihidroxilacin. Los mtodos para obtener los ismeros cis, son los siguientes: o Permanganato de potasio neutro: KMnO4/H2OKMnO4 H2 O HO OH producto cis

o o

Tetrxido de Osmio: OsO4 El mecanismo de esta reaccin propuesto, muestra la formacin de un intermedio inestable que se transforma en el cis diol respectivo:O OsO 4 NMO O Os O Cis OH O OH

Uso de xido de amina terciaria como catalizador (NMO: N-Metilmorfolina-Nxido) TL 1976, 1973.

O O

OsO 4, NMO OH

O O HO

OH TL 1983, 24, 2943, 3947 OH

6

Estereoselectividad de la reaccin:

OsO 4 R2 R3 R4 H OsO 4, NMO HO R2 RO H OH R3 R4

RO

La cis-hidroxilacin con OsO4, es favorecida o se produce preferentemente en los enlaces C = C, ms ricos en electronesOsO 4 X HO X= OH OMe OAC NHSO 2R OH 80 : 20 98 : 2 99 : 1 60 : 40 X

+HO OH

X

Grupos que dirigen la dihidroxilacin. La presencia de ciertos grupos, como los OH, -CONHR, sulfxidos, nitros y sulfoximinas, en cierto modo direccionan la posicin espacial de los grupos OH, que se adicionan al enlace olefnico. En general estos grupos, hacen que los -OH que se adicionan, lo hagan en el mismo plano que ellos se encuentran, originando de este modo un estereoismero predecible. Chem. Rev. 1993, 93, 1307. o Efecto de los hidroxiloHO O HO HO OsO 4 piridina HO 3:1 O HO HO O HO

+HO OH HO OH

HO OsO 4, Et2O

OH OH

+

(86 : 14)

En cambio si el grupo OH, es sustitudo por TMSO, Los OH, que se adicionan al doble enlace lo hacen exclusivamente en otro plano.HO O TMSO OsO 4 piridina TMSO HO O

o

Efecto de las amidasO OAc AcO MeS NH OsO 4 AcO MeS NH HO OH O OAc

7

o

Efecto de los grupos sulfxido.O S OMe OsO 4 S OH (2 : 1) O OMe OH

o

Efecto de los grupos nitroN N N O 2N N N NHR 1) OsO 4 N+

NHR N N

2) acetona, H

O 2N O O

o

Efecto de las sulfoximinas. Las sulfoximinas, se sobreponen a un grupo OH existnte en la estructura y dirigen a los OH que se adicionan a un plano distinto al que se encuentran.O OH O Ph S MeN OH OsO4 , R3 NO Ph O S MeN OH OH OH Niquel Raney OH OH OH OH calor

Trans - Dihidroxilacino Peroxidacin e hidrlisis. La trans dihidroxilacin ocurre en dos etapas, primero la olefina se oxida con un percido, para formar un epxido que luego es abierto por una simple hidrlisis cida(Ar)RCOOH

+o

(Ar)RCOOOH

+O

H3 O

+

OH HO

Peroxidacin y acidificacin con HCOOH. Ls olefina puede sser epoxidada con perxido de hidrogno, que al ser tratada con cido frmico, genera un compuesto trans dihidroxilado.H2 O 2 HCOOH O H+

OH

H2 O

OH

2.2.3. Oxidacin de Wacker. El proceso industrial de obtencin al acetaldehdo a partir de la oxidacin de etileno, empleando cloruro de paladio y cobre como catalizadores y oxgeno molecular como oxidante, es conocido como la oxidacin de Wacker. La reaccin ha sido ampliamente desarrollada para la oxidacin de alquenos terminales para formar metil-cetonas. J. Smidt et al., Angew. Chem.. Int. Ed.. 1, 176 (1959).

8

PdCl2 CuCl 2, O 2

O H

PdCl2 R CuCl 2, O2 R

O

Esta reaccin se ha aplicado a los hidroxi alfa, beta- insaturado steres y otros sustratos como los alquinos. Cuando la reaccin se realiza a escala de laboratorio, la reaccin es conocida como la oxidacin de Wacker-Tsuji:PdCl2, CuCl, O2 n - C 6H17 DMF, H2O n - C 6H17 O

Una oxidacin del tipo Wacker, ocurre cuando se oxida un alquino interno, para producir 1,2 dicetonas, usando oxgeno molecular. W. REn, Y. Xia, S. J, Ji, Y. Zhang, X. Wan, J. Zhao. Org. Lett., 2009, 11, 1841 1844.1

R

R

5 mol% PdBr2 0.1 eq. CuBr2, O2, (1 atm) Dioxano/H2O (5:1) 60C, 24 h

O R R O1

Esta reaccin tambin permite una oxifuncionalizacin eficiente y conveniente de olefinas terminales como lo reportan. T. Mitsudome, T. Umetani, N. NOsaka, K. MOri, T. MIzugaki, K. Ebitani, K. Kaneda. Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 481 -485.1

R

R

+adicionar

Br

1) 3 mol% PdBr2 (PhCN) 2 DME, 0C ----- r.t. 6h 2) 1 eq. CuCl, H2O O 2 (1 atm), r.t., 24 h

R O

1

R Br

cada 30 min

2.2.4. Hidroformilacin (Reaccin oxo) Las olefinas terminales, pueden ser oxidadas, con una mezcla de gases de CO/H2, sales de de Co(II) como catalizador y la apliacin de presin a una temperatura un poco mayor a los 110C.R

+

CO

+

H2

HCo(CO) 4 2000 psi, 110 - 150C R

CHO

+

ismeros

2.2.5. Escisin de enlaces olefnicos Oxidacin destructivaKMnO4/OH-

O

+

O

OzonlisisO 3, CH 2Cl 2 - 78C O O O H2 O 2 RCOOH O O O Ph3P: NaBH4 OH O

+

O

Ruptura oxidativa de olefinas para producir cetonas y/o aldehdos

9

OH OH OsO 4 O O AcO NMO O AcO NaIO4 O OH O O AcO O O O H2 O O O JACS 1984, 105, 6755 O

Escisin de dioles (ruptura del glicol) Dos reactivos, cido metaperidico (o cido peridico) y el tetraacetato de plomo rompen los 1,2 dioles suavemente para formar compuestos de carbonilo.El mecanismo de estas reacciones, no estn del todo esclarecidos y continan en discusin. Mientras unos proponen la formacin de steres cclicos como compuestos intermedios; otros proponen mecanismos heterolticos no cclicos. Por otro lado estos reactivos se complementan, ya que el tetraacetato de plomo es soluble en disolventes orgnicos y el cido peridico (o metaperidico) lo es en agua. i. Escisin de 1,2-dioles con HIO4

HO HO

HIO 4 O

O I O O OH O

+

O

ii. Escisin de 1,2-dioles con Pb(CH3COO)4Pb(O 2CCH 3) 4 HO OH H3CCOO O Pb O OOCCH 3 O

+O

2.2.6. Epoxidacin. Los epxidos son reactivos intermedios importantes en la sntesis orgnica, puesto que los mismos pueden ser abiertos con diversos nuclefilos, tanto en medio cido por el lado del carbono con mayor impedimento estrico y en medio bsico, por el carbono que presenta menor impedimento estrico. Originndose de este modo una gama amplia de sustratos. Epoxidacin de alquenos. Una reaccin comn de formacin de epxidos, comprende la reaccin de un alqueno con cloro acuoso, seguido por el tratamiento con una base, otro procedimiento, consiste en poner en equilibrio un alqueno con el oxgeno del aire, catalizado por plata metlica.Cl 2 H2O alqueno Cl OH clorhidrina OH-

O epxido

Sin embargo en la mayora de las sntesis de laboratorio se utilizan peroxicidos, como el cido peroxibenzoico y el cido m-cloroperoxibenzoico (MCPBA o mCPBA).O R O O H O O H Cl O O H

peroxicido

O c. peroxibenzoico

O c. m - cloroperoxibenzoico

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La adicin del oxgeno del percido, tiene una geometra anti, por lo cual al hidrolizarse un epxido se forman dioles anti. Epoxidacin electroflica con Dimetildioxirano (DMDO). El DMDO es un oxidante fuertemente electrfilo. La oxidacin ocurre en condiciones suaves con sustratos olefnicos ricos en electrones (nuclefilos). Se utiliza normalmente la acetona.como disolvente.Ph

+

O

O

estereoespecf ica epoxidacin O

Ph

+cis> 95%

acetona

cis

DMDO

Preparacin del DMDO:

O

"oxone" H2O, NaHCO 3

O

O

DMDO

Epoxidacin nucleoflica. Este tipo de epoxidacin requiere de sustratos olefnicos conjugados con grupos atractores de electrones, que logran generar que el carbono beta () al grupo atractor tenga una carga parcialmente positiva (electrfilo), que orienta la formacin del epxido.O COOH 30% H2O 2 C5H11 R3SiO O MeOH, NaOH - 40 R3SiO C5H11 O COOH

Epoxidacin de alcoholes allicos. La epoxidacin de Sharpless, presenta alta regioselectividad en los alcoholes allicos y homoallicos y no epoxida los dobles enlaces aislados y la epoxidacin ocurre estreo selectivamente respecto a la cantidad de alcohol. El catalizador en la reaccin puede ser cualquiera de los siguientes compuestos: VO(acac)2; Mo(CO)6; Ti(OiPr)4 y el oxidante puede ser una de los peroxicidos siguientes: tBuOOH; PhC(CH3)2OOH. (Comprehensive Organic Synthesis 1991, vol 7, 389 - 438). Tambin se puede revisar estas epoxidaciones en: Chem. Rev. 1989, 89, 431. Aldrichimica Acta 1979, 12, 63.VO(acac) 2 OH tBuOOH O OH

Un estudio comparativo de la accin de los catalizadores (Synthesis 1986, 89 Org. React. 1996, 48, 1-299), puede verse en el siguiente cuadro:OH OH

(CH 2)n ring size 5 6 7 8 9 VO(acac)2 > 99 %> 99 % > 99 > 99 97 91

O (CH 2)n MoO 2(acac)2 ----98 95 42 3 mCPBA 84 95 61