Química Organometálica y Catálisis · Catalytic cycles
Activación y funcionalización de enlaces C–H
Una lección resuelta gratis y 40 problemas de práctica en los que dibujas tú mismo cada flecha curva.
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Lo que aprenderás
- Classify a metal-mediated C–H cleavage as oxidative addition, σ-bond metathesis or concerted metalation–deprotonation from the metal's d-electron count and the ligands present.
- Draw concerted metalation–deprotonation steps and the palladium cycles of direct arylation, directed acetoxylation and oxidative olefination with exact oxidation states.
- Use directing groups and palladacycle ring size to predict which C–H bond a palladium or ruthenium catalyst functionalizes.
- Predict the site of iridium-catalyzed C–H borylation from sterics and contrast it with electrophilic aromatic substitution and acidity-controlled CMD.
- Interpret isotope-effect and labelling data to locate the rate-determining step of a C–H functionalization cycle.
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Convertir un enlace C–H en un grupo funcional
Los enlaces C–H son fuertes (unos 439 kJ/mol en el metano y 473 kJ/mol en el benceno), apolares y muy poco ácidos, por lo que los reactivos clásicos los ignoran. Un metal de transición puede romper un enlace C–H para dar un enlace metal–carbono, M–R, y ese enlace M–R experimenta después los pasos habituales de la catálisis: eliminación reductora, inserción o transmetalación. El resultado global sustituye el H por un grupo nuevo; por ejemplo, el benceno y el 4-bromotolueno dan 4-metilbifenilo (mostrado) sin ningún reactivo organometálico. Desaparece el paso de prefuncionalización de un acoplamiento cruzado (preparar el ácido borónico o el reactivo de Grignard) y el único subproducto es HX, captado por la base, en lugar de los residuos de boro, estaño o magnesio de una pareja organometálica. Los dos problemas que todo método debe resolver son la reactividad (romper el enlace fuerte) y la selectividad (elegir un enlace C–H entre muchos).
Tres formas en que un metal rompe un enlace C–H
La adición oxidativa requiere un metal tardío, rico en electrones y de valencia baja, con dos electrones d disponibles. La fotólisis de Cp*Ir(PMe₃)H₂ libera H₂ y da el fragmento de 16 electrones Cp*Ir(PMe₃), Ir(I), que adiciona un enlace C–H del ciclohexano (mostrado) para dar Cp*Ir(PMe₃)(H)(C₆H₁₁): el iridio pasa de Ir(I), d⁸, a Ir(III), d⁶, y de 16 a 18 electrones. Estos fragmentos prefieren los enlaces C–H primarios sobre los secundarios, al contrario que los radicales, y el benceno sobre los alcanos, porque los enlaces M–arilo son mucho más fuertes que los enlaces M–alquilo: la selectividad sigue al enlace M–C que se forma, no al enlace C–H que se rompe. Los complejos catiónicos de metilo de Pt(II) se comportan igual: el benceno se adiciona para dar un metil fenil hidruro de Pt(IV), que elimina metano. La metátesis de enlace σ es la vía de los metales d⁰, que no tienen electrones d que ceder: Cp*₂Lu–CH₃ intercambia su metilo con el metano, y Cp*₂Sc–CH₃ convierte el benceno en Cp*₂Sc–C₆H₅ y metano, a través de un estado de transición de cuatro centros en el que el hidrógeno que se desplaza queda entre los dos carbonos; el estado de oxidación se mantiene en +3. La metalación–desprotonación concertada (CMD) es la vía de los carboxilatos de Pd(II), Rh(III), Ru(II) e Ir(III): el enlace M–C se forma mientras un carboxilato unido al mismo metal sustrae el protón, y el estado de oxidación no cambia.
Metalación–desprotonación concertada
En la arilación directa de Fagnou, el Pd(0) adiciona un bromuro de arilo, el pivalato sustituye al bromuro en Ar–Pd(II) y el pivalato unido sustrae un protón del benceno mientras el paladio se enlaza a ese mismo carbono. Después, la eliminación reductora forma el biarilo y regenera Pd(0). El ácido piválico (mostrado) se usa en cantidad catalítica: el pivalato transporta el protón desde el areno hasta el K₂CO₃ insoluble y se regenera. Como el areno no ataca al paladio como nucleófilo, la CMD no sigue las reglas de la sustitución electrofílica aromática. Su velocidad depende de la acidez del C–H y de la fuerza del nuevo enlace Pd–C: el pentafluorobenceno reacciona más rápido que el benceno, un C–H flanqueado por flúor reacciona primero, y los tiofenos reaccionan en el carbono α, junto al azufre. Un efecto isotópico cinético primario grande (kH/kD de aproximadamente 4–6) demuestra que el enlace C–H se rompe en el paso determinante de la velocidad.
Grupos directores y paladaciclos
Un grupo de Lewis básico (un nitrógeno de piridina o quinolina, un oxígeno de amida o cetona, un nitrógeno de éter de oxima) se une al metal y lo mantiene junto a un enlace C–H determinado. La ruptura es más rápida cuando cierra un metalaciclo de cinco miembros (de seis miembros con anilidas como la acetanilida, cuyo oxígeno amídico queda un átomo más lejos del anillo): la 2-fenilpiridina (mostrada) se palada en un carbono orto del anillo fenilo, y la 8-metilquinolina en su grupo metilo, un enlace C–H sp³. Cuando hay dos posiciones orto disponibles, reacciona la menos impedida. El paladaciclo puede oxidarse con PhI(OAc)₂ a Pd(IV), que forma el enlace C–O por eliminación reductora y vuelve a Pd(II): un ciclo Pd(II)/Pd(IV), sin Pd(0). Como alternativa, un alqueno se inserta en el enlace Pd–C y la eliminación de β-hidruro libera un cinamato (la reacción de Fujiwara–Moritani o Heck oxidativa); esto deja Pd(0), por lo que un oxidante como la benzoquinona, el Cu(OAc)₂ o el O₂ debe devolverlo a Pd(II). El rutenio hace lo mismo con las cetonas: en la reacción de Murai, el oxígeno de una cetona dirige la adición oxidativa del C–H orto al Ru(0), un alqueno se inserta en el Ru–H y la eliminación reductora de C–C es el paso determinante de la velocidad.
Borilación catalizada por iridio: control estérico
Con [Ir(OMe)(cod)]₂, 4,4′-di-tert-butil-2,2′-bipiridina (dtbpy) y B₂pin₂, los arenos se convierten en aril pinacolboronatos a temperatura ambiente. La especie activa es Ir(dtbpy)(Bpin)₃, Ir(III), d⁶. Adiciona un enlace C–H del areno para dar Ir(V), d⁴, elimina reductivamente Ar–Bpin, adiciona B₂pin₂ y elimina H–Bpin para volver a Ir(dtbpy)(Bpin)₃. El sitio lo elige el impedimento estérico, no la electrónica: se evitan los enlaces C–H contiguos a un sustituyente, de modo que el 1,3-diclorobenceno da únicamente el 3,5-diclorofenil boronato (mostrado), y el tolueno da una mezcla aproximadamente estadística 2 : 1 de productos meta y para, con casi nada de producto orto. La oxidación del boronato da después fenoles meta-sustituidos que la sustitución electrofílica no puede preparar.
Química del platino de Shilov y carbenos de rodio
En el sistema de Shilov, el PtCl₄²⁻ (Pt(II)) activa el metano para dar una especie Pt(II)–CH₃, el PtCl₆²⁻ lo oxida a Pt(IV)–CH₃, y el agua o el cloruro atacan el carbono metílico en un paso SN2, liberando CH₃OH o CH₃Cl y Pt(II). El oxidante estequiométrico de Pt(IV) es el problema práctico. Los carboxilatos de dirrodio(II) siguen otra vía: descomponen compuestos α-diazo carbonílicos, con pérdida de N₂, para dar carbenos de rodio electrofílicos, que se insertan en un enlace C–H no activado en un solo paso concertado. En cadenas, la inserción favorece el enlace C–H que está a cinco átomos de distancia (una inserción 1,5), lo que da ciclopentanonas, y prefiere un metileno sobre un enlace C–H metílico: el 2-diazo-3-oxoheptanoato de metilo da 2-metil-5-oxociclopentano-1-carboxilato de metilo (mostrado).
Lo que conviene recordar
Empareja el modo de ruptura del C–H con el metal: los metales ricos en electrones y de valencia baja adicionan oxidativamente los enlaces C–H, los metales d⁰ usan la metátesis de enlace σ, y los carboxilatos de Pd(II), Rh(III) y Ru(II) usan la metalación–desprotonación concertada sin cambiar el estado de oxidación. La selectividad proviene de la acidez y de la fuerza del enlace M–C en la CMD, de los metalaciclos de cinco miembros con grupos directores y del impedimento estérico en la borilación con iridio. Sigue los estados de oxidación en cada ciclo: Pd(0)/Pd(II) en la arilación directa, Pd(II)/Pd(IV) con PhI(OAc)₂, Pd(II)/Pd(0) más un oxidante en la olefinación oxidativa e Ir(III)/Ir(V) en la borilación.
Problemas de práctica (40)
Practicar es gratis con una cuenta.
Dibuja el mecanismo 8
Grupos directores y paladaciclos
- Olefinación orto dirigida por amida de la acetanilida (Fujiwara–Moritani)Dibuja la paladación orto del C–H de la acetanilida dirigida por amida, la inserción sin del acrilato de n-butilo, la eliminación sin de β-hidruro y la liberación de Pd(0), y explica por qué se necesita un oxidante.
- Ciclopaladación de la 8-metilquinolina en un enlace C–H sp³Dibuja la coordinación del nitrógeno y la metalación–desprotonación concertada asistida por acetato que ciclopalada el grupo metilo de la 8-metilquinolina.
- Orto-acetoxilación Pd(II)/Pd(IV) de la 2-fenilpiridinaDibuja la oxidación de una 2-fenilpiridina ciclopaladada por PhI(OAc)₂ a paladio(IV), la eliminación reductora C–O y la liberación del producto orto-acetoxilado con regeneración de Pd(OAc)₂.
Metalación–desprotonación concertada
- Arialación directa del benceno con 4-bromotolueno por metalación–desprotonación concertadaDibuja la arialación directa del benceno por Pd(0)/Pd(II): adición oxidante, intercambio de bromuro por pivalato, metalación–desprotonación concertada asistida por pivalato y eliminación reductora C–C.
Concerted metalation–deprotonation
- C5-selective direct arylation of 2-methylthiopheneDraw the Pd(0)/Pd(II) direct arylation of 2-methylthiophene with 4-bromoacetophenone and explain why acetate-assisted CMD selects the C5–H bond.
Borilación y otras reacciones catalíticas de C–H
- Orto-alquilación de Murai de acetofenona con trietoxivinilsilanoDibuja la adición oxidante orto C–H dirigida por la cetona al rutenio(0), la inserción de un vinilsilano en el enlace Ru–H y la eliminación reductora C–C de la reacción de Murai.
- Inserción 1,5-C–H de un carbeno de rodio en una ciclopentanonaDibuja la formación de un carbeno de rodio a partir de un α-diazo-β-cetoéster y su inserción concertada 1,5 en un enlace C–H metilénico para formar una ciclopentanona.
Ruptura de enlaces C–H en metales
- Activación del enlace C–H del benceno por un complejo catiónico de metilplatino(II)Dibuja la adición oxidante del enlace C–H del benceno a un complejo catiónico de metilplatino(II) y la eliminación reductora de metano, siguiendo Pt(II) → Pt(IV) → Pt(II).
Predice el producto 7
Borilación y otras reacciones catalíticas de C–H
- Borilación del 1,3-diclorobencenoPredice el producto único de la borilación catalizada por iridio de un areno 1,3-disustituido a partir del control estérico.
- Reacción de Murai de la 3-metilacetofenonaPredice el sitio de la orto-alquilación con rutenio dirigida por la cetona en una aril cetona meta-sustituida.
Metalación–desprotonación concertada
- ¿Dónde arila la CMD el 1,3-difluorobenceno?Predice el sitio de arilación directa por CMD en un fluoroareno a partir de la acidez del C–H, y no de los efectos estéricos ni de las reglas de la sustitución electrofílica.
Ruptura de enlaces C–H en metales
- ¿A qué enlace C–H del propano ataca el iridio?Predice la selectividad primario sobre secundario de la adición oxidante en un fragmento metálico rico en electrones.
- Cp*₂Sc–CH₃ en bencenoPredice los productos de la metátesis de enlaces σ entre un metilescandio y el benceno a partir de la geometría del estado de transición.
Grupos directores y paladaciclos
- Acetoxilación C–H sp³ dirigida por un éter de oximaPredice el sitio de la acetoxilación C–H sp³ dirigida por oxima a partir del tamaño del paladaciclo formado.
- Acetoxilación de la 2-(3-metilfenil)piridinaPredice qué enlace C–H en orto se acetoxila cuando un grupo director tiene dos posiciones orto no equivalentes.
Clasificar 3
Metalación–desprotonación concertada
- Reconoce la metalación–desprotonación concertadaDistingue la metalación–desprotonación concertada de la adición oxidativa, la sustitución electrofílica y la metátesis de enlace σ por sus cambios de enlaces.
Ruptura de enlaces C–H en metales
- ¿Cómo intercambia metano un metilo de lutecio?Clasifica el intercambio metilo–metano de un complejo de lantánido d⁰ como metátesis de enlace σ.
Grupos directores y paladaciclos
- ¿Qué compuesto se ciclopalada?Reconoce un sustrato cuyo átomo dador puede dirigir el paladio hacia un enlace C–H orto a través de un paladaciclo de cinco miembros.
Comparar 5
Borilación y otras reacciones catalíticas de C–H
- Ordena el ciclo de borilaciónOrdena las adiciones oxidativas y las eliminaciones reductivas del ciclo de borilación Ir(III)/Ir(V).
- Tolueno: borilación frente a nitraciónContrasta la selectividad estérica de la borilación con iridio y la selectividad electrónica de la sustitución electrofílica aromática sobre el tolueno.
Ruptura de enlaces C–H en metales
- Ordena las fuerzas de enlace C–HOrdena los enlaces C–H bencílico, terciario, del metano y aromático según su energía de disociación y relaciona el orden con la selectividad del metal.
Metalación–desprotonación concertada
- Ordena el ciclo de arilación directaOrdena los pasos elementales de un ciclo de arilación directa Pd(0)/Pd(II) partiendo de Pd(0).
Grupos directores y paladaciclos
- Comparación de dos ciclos de paladioContrasta el ciclo Pd(II)/Pd(IV) de la acetoxilación con PhI(OAc)₂ con el ciclo Pd(0)/Pd(II) de la arilación directa.
Calcular 6
Borilación y otras reacciones catalíticas de C–H
- Economía atómica de la borilación de arenosCalcula la economía atómica de la borilación de benceno catalizada por iridio cuando se aprovechan ambos átomos de boro del B₂pin₂.
- Recuento d del intermediario de iridio(V)Determina el recuento de electrones d del hidruro de arilo de iridio heptacoordinado en el ciclo de borilación.
Metalación–desprotonación concertada
- Efecto isotópico cinético en la arilación directaCalcula un efecto isotópico cinético a partir de constantes de velocidad medidas en paralelo y úsalo para situar la ruptura del C–H en el paso determinante de la velocidad.
Ruptura de enlaces C–H en metales
- Recuento d tras la adición oxidante de un alcanoDetermina el recuento de electrones d del hidruro de alquilo de iridio que se forma por adición oxidante del C–H de un alcano.
- Conteo de electrones de Cp*₂Sc–CH₃Cuenta los electrones de valencia de un complejo metil-escandio de metaloceno angular y relaciona el resultado con su reactividad.
Grupos directores y paladaciclos
- Tamaño del paladaciclo de la 8-metilquinolinaCuenta el tamaño del anillo del paladaciclo formado por la activación C–H sp³ de la 8-metilquinolina.
Encuentra el error 1
- Encuentra el error en un mecanismo de arilación directaIdentifica un hidruro de Pd(IV) injustificado en un paso propuesto de ruptura de C–H y sustitúyelo por una metalación–desprotonación concertada.
Interpreta la evidencia 2
Metalación–desprotonación concertada
- Los arenos pobres en electrones reaccionan más rápidoInterpreta la reactividad de los arenos pobres en electrones como evidencia de CMD y no de sustitución electrofílica aromática.
Borilación y otras reacciones catalíticas de C–H
- Qué revela el intercambio de deuterioUsa el intercambio H/D entre sustratos para localizar el paso determinante de la velocidad de la reacción de Murai.
Trabaja hacia atrás 1
- ¿Qué areno da este boronato?Trabaja hacia atrás desde un borilato de arilo sustituido en 1,3,5 hasta el areno que la borilación con iridio convierte selectivamente en él.
Planea una síntesis 1
- Sintetiza el 3,5-diclorofenolPlantea una ruta hacia un fenol meta-sustituido usando borilación C–H catalizada por iridio seguida de oxidación.
Explica por qué 6
Ruptura de enlaces C–H en metales
- ¿Por qué el benceno le gana a los alcanos?Explica por qué la adición oxidante de un enlace C–H de areno está favorecida frente a un enlace C–H de alcano, aunque el enlace C–H del areno sea más fuerte.
- ¿Por qué no hay adición oxidativa en el escandio(III)?Explica por qué un alquilo metálico d⁰ no puede activar enlaces C–H por adición oxidativa.
- El estado de transición de la metátesis de enlaces σDescribe la geometría y la contabilidad de electrones del estado de transición de cuatro centros de la metátesis de enlaces σ.
Directing groups and palladacycles
- Why does oxidative olefination need benzoquinone?Explain why a Pd(II)-catalyzed C–H olefination requires a stoichiometric oxidant.
Metalación–desprotonación concertada
- ¿Por qué se añade ácido piválico?Explica el papel del ácido piválico catalítico en la arilación directa catalizada por paladio.
Borilación y otras reacciones catalíticas de C–H
- La función del PtCl₆²⁻ en el sistema de ShilovExplica el papel del oxidante estequiométrico de Pt(IV) en la oxidación de metano de Shilov.
¿Atascado con activación y funcionalización de enlaces C–H? Escanea el problema.
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