Química Organometálica y Catálisis · Catalytic cycles
Acoplamiento cruzado con paladio y reacción de Heck
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
- Draw the oxidative addition, transmetalation and reductive elimination steps of Suzuki, Stille, Negishi, Kumada and Sonogashira couplings with exact oxidation states and electron counts.
- Explain the role of the base in Suzuki couplings, of copper(I) in the Sonogashira reaction and of bulky phosphines in couplings of aryl chlorides.
- Predict Heck products from syn migratory insertion and syn β-hydride elimination, including regiochemistry and alkene geometry.
- Draw the Buchwald–Hartwig C–N coupling cycle and choose the coupling reaction and partners that make a given bond.
Lección gratis
El texto de la lección resuelta. En Arrow Lab, cada paso incluye sus estructuras y sus flechas dibujadas.
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Un ciclo, tres pasos
Casi todos los acoplamientos cruzados con paladio siguen el mismo ciclo. El catalizador activo es un complejo de Pd(0), normalmente PdL₂ (L = una fosfina): el paladio es d¹⁰ y el complejo tiene 10 + 2 × 2 = 14 electrones de valencia. La adición oxidante de un haluro de arilo Ar–X da ArPd(X)L₂: el paladio gana dos ligandos aniónicos, así que su estado de oxidación sube de 0 a +2 (d⁸) y la cuenta sube a 16 electrones. Después, la transmetalación intercambia X por el grupo carbonado R de un reactivo organometálico R–M, y queda Pd(II) con 16 electrones. Por último, la eliminación reductora une Ar y R en un nuevo enlace C–C y devuelve el paladio a Pd(0), listo para el siguiente haluro de arilo. En los dibujos de aquí el paladio se muestra desnudo, sin sus fosfinas, como átomo de contabilidad; se muestra el bromuro de fenilpaladio(II).
La adición oxidante decide qué haluro reacciona
La adición oxidante es más fácil cuanto más débil es el enlace carbono–halógeno. Las energías de enlace C–X en arilos son de unos 280 kJ/mol para C–I, 340 kJ/mol para C–Br, 400 kJ/mol para C–Cl y 530 kJ/mol para C–F, así que los yoduros de arilo reaccionan más rápido, luego los bromuros y, por último, los cloruros; los fluoruros de arilo son prácticamente inertes. En una molécula con dos halógenos distintos, como el 1-bromo-4-clorobenceno (mostrado), el paladio se inserta de forma selectiva en el enlace C–Br. Para los cloruros de arilo la adición oxidante suele ser el paso lento, y se emplean fosfinas voluminosas y ricas en electrones como P(t-Bu)₃ o SPhos: su donación electrónica hace al paladio más nucleófilo frente al enlace C–Cl, y su volumen favorece la especie monoligada PdL, muy reactiva.
El compañero de transmetalación da nombre a la reacción
El reactivo organometálico da nombre al acoplamiento: un compuesto organoborado en la reacción de Suzuki–Miyaura, un organoestannano en la reacción de Stille, un organozinc en la reacción de Negishi y un reactivo de Grignard en la reacción de Kumada (con níquel o paladio). Los ácidos borónicos son neutros y trigonales; una base (hidróxido, carbonato, fosfato) se adiciona al boro y da un boranato aniónico tetracoordinado (mostrado) cuyo grupo arilo se transfiere al paladio. Los estannanos se transfieren sin base, pero dejan subproductos tóxicos de estaño. Los reactivos de Grignard y los organozinc son los compañeros más reactivos, pero los reactivos de Grignard atacan ésteres, cetonas y nitrilos, así que los acoplamientos de Kumada toleran el menor número de grupos funcionales. En la reacción de Sonogashira, un alquino terminal, una base amina y yoduro de cobre(I) catalítico forman un acetiluro de cobre, que transfiere el grupo alquinilo al paladio.
La eliminación reductora necesita grupos cis
Los dos grupos carbonados deben estar en cis sobre el paladio para poder unirse entre sí. La transmetalación a menudo da un complejo trans, que se isomeriza a cis antes de la eliminación. La eliminación reductora baja el estado de oxidación en dos unidades (Pd(II) → Pd(0)), el número de coordinación en dos y la cuenta de electrones en dos. Los ligandos voluminosos apiñan los grupos cis y aceleran este paso. Una sal de Pd(II) como Pd(OAc)₂ es solo un precatalizador: primero debe reducirse a Pd(0) antes de que pueda ocurrir cualquier adición oxidante.
La reacción de Heck: inserción y eliminación de β-hidruro
En la reacción de Heck, el haluro de arilpaladio(II) se encuentra con un alqueno en lugar de un reactivo organometálico. El alqueno se coordina y se inserta en el enlace Pd–Ar de forma sin: el grupo arilo va al carbono del alqueno menos impedido, que es el CH₂ terminal de acrilatos y estirenos, y el paladio al otro carbono. Tras la rotación alrededor del nuevo enlace simple C–C, se elimina un β-hidrógeno que está en sin respecto al paladio mediante una eliminación sin de β-hidruro, con lo que se libera el alqueno sustituido, mayoritariamente como isómero E, y H–Pd(II)–X. Gana el isómero E porque los enlaces Pd–C y C–H deben quedar eclipsados para esta eliminación, y el confórmero que daría el isómero Z eclipsaría los dos grupos grandes entre sí. Una base como Et₃N elimina HX y devuelve el paladio a Pd(0). El acrilato de metilo y el yodobenceno dan (E)-cinamato de metilo (mostrado). En los anillos, donde el enlace C–C no puede rotar, el hidrógeno que se elimina debe estar en sin respecto al paladio, así que el nuevo doble enlace se forma alejado del carbono que lleva el arilo. Con alquenos ricos en electrones como los éteres de enol, la regioquímica puede invertirse: en condiciones catiónicas (triflatos de arilo con una difosfina quelante) el grupo arilo va al carbono que lleva el oxígeno.
Aminación de Buchwald–Hartwig
El mismo ciclo forma enlaces C–N. Tras la adición oxidante, la amina se coordina al paladio en lugar del haluro, una base fuerte como NaOt-Bu elimina su protón N–H y da un complejo amido de paladio, y la eliminación reductora de C–N libera la arilamina y Pd(0). La morfolina y el bromobenceno dan 4-fenilmorfolina (mostrada). Un grupo amido con un hidrógeno en el carbono contiguo al nitrógeno puede, en cambio, sufrir eliminación de β-hidruro y dar una imina y, tras la eliminación reductora de Ar–H, el areno reducido; las fosfinas biarílicas voluminosas aceleran la eliminación reductora de C–N para que esta gane.
Lo que conviene recordar
Sigue el paladio en cada paso: Pd(0) y 14 electrones para PdL₂, Pd(II) y 16 electrones tras la adición oxidante y la transmetalación, y Pd(0) otra vez tras la eliminación reductora. El enlace C–X más débil se adiciona primero, el compañero organometálico da nombre a la reacción y, en la reacción de Heck, la inserción sin seguida de la eliminación sin de β-hidruro fija la regioquímica y la geometría E.
Problemas de práctica (40)
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Dibuja el mecanismo 15
Buchwald–Hartwig y planificación
- Aminación de Buchwald–Hartwig del 4-clorotolueno con anilinaDibuja el acoplamiento de Buchwald–Hartwig de un cloruro de arilo con anilina y explica por qué se necesita una fosfina biarílica voluminosa y rica en electrones.
- Aminación de Buchwald–Hartwig del bromobenceno con morfolinaDibuja el acoplamiento de Buchwald–Hartwig del bromobenceno y la morfolina: adición oxidante, coordinación de la amina, desprotonación por el terc-butóxido y eliminación reductora C–N.
La reacción de Heck
- Reacción de Heck del yodobenceno con alcohol alílicoDibuja la reacción de Heck del yodobenceno con alcohol alílico en la que la eliminación de β-hidruro hacia el carbono CH₂OH da un enol que tautomeriza a 3-fenilpropanal.
- Reacción de Heck del 4-bromobenzonitrilo con estirenoDibuja la reacción de Heck del 4-bromobenzonitrilo con estireno y explica por qué se forma el E-estilbeno.
- Reacción de Heck del yodobenceno con acrilato de metiloDibuja la reacción de Heck del yodobenceno con acrilato de metilo: adición oxidativa, inserción migratoria sin con entrega del arilo al carbono terminal, eliminación sin de β-hidruro hacia el alqueno E y regeneración de Pd(0) promovida por la base.
Kumada and Sonogashira
- Nickel-catalysed Kumada coupling of 2-bromothiophene with 2-thienylmagnesium bromideDraw the nickel-catalysed Kumada coupling that joins two thiophene rings into 2,2′-bithiophene through Ni(0) and Ni(II).
- Kumada coupling of (Z)-1-bromoprop-1-ene with phenylmagnesium bromideDraw the palladium-catalysed Kumada coupling of a (Z)-alkenyl bromide and show that the alkene geometry is retained.
Suzuki, Stille y Negishi
- Acoplamiento de Negishi del 4-yodobenzoato de metilo con bromuro de etilzincDibuja el acoplamiento de Negishi de un yoduro de arilo con un reactivo de alquilzinc primario y explica cómo la eliminación reductora se impone a la eliminación de β-hidruro.
- Acoplamiento de Negishi de la 4-yodoacetofenona con bromuro de bencilzincDibuja el acoplamiento de Negishi de la 4-yodoacetofenona con bromuro de bencilzinc y muestra por qué una cetona sobrevive frente a un reactivo de organozinc.
- Acoplamiento de Stille del yodobenceno con tributil(vinil)estañoDibuja el ciclo de Stille para el yodobenceno y el tributil(vinil)estaño: adición oxidativa, transferencia del grupo vinilo del estaño al paladio y eliminación reductora del estireno.
- Síntesis de cetona por Stille a partir de cloruro de benzoilo y tetrametilestañoDibuja el acoplamiento de Stille del cloruro de benzoilo con tetrametilestaño: adición oxidativa en el enlace acilo C–Cl, transferencia de metilo desde el estaño y eliminación reductora de acetofenona.
- Acoplamiento de Suzuki del bromobenceno con ácido 4-metilfenilborónicoDibuja una vuelta del ciclo de Suzuki–Miyaura: adición oxidante del bromobenceno al Pd(0), activación del ácido borónico por el hidróxido, transmetalación y eliminación reductora para dar 4-metilbifenilo.
- Acoplamiento de Suzuki a través de un hidróxido de paladioDibuja el ciclo de Suzuki–Miyaura en el que el hidróxido sustituye primero al bromuro sobre el paladio y luego el oxígeno del Pd–OH entrega el ácido borónico neutro al paladio para la transmetalación.
Kumada y Sonogashira
- Acoplamiento de Sonogashira selectivo del 1-bromo-4-yodobenceno con trimetilsililacetilenoDibuja el acoplamiento de Sonogashira que sustituye únicamente el yodo del 1-bromo-4-yodobenceno y explica la selectividad por el haluro.
- Acoplamiento de Sonogashira del yodobenceno con fenilacetilenoDibuja el acoplamiento de Sonogashira del yodobenceno y el fenilacetileno, incluyendo la formación del fenilacetiluro de cobre(I) y su transferencia al paladio.
Predice el producto 6
La reacción de Heck
- Arilación de Heck de un alqueno rico en electronesPredice la regioquímica de una reacción de Heck catiónica con un éter de enol y el producto después de la hidrólisis.
- Reacción de Heck sobre un alqueno cíclicoPredice el alqueno que se forma por eliminación de β-hidruro sin tras una inserción sin en un alqueno cíclico.
- Predice un producto de HeckPredice la regioquímica y la geometría del alqueno en una reacción de Heck con un éster de acrilato.
Suzuki, Stille y Negishi
- ¿Qué halógeno se acopla?Predice cuál enlace carbono–halógeno de un dihaloareno reacciona en un acoplamiento de Suzuki.
- Predice un producto de SuzukiPredice el biarilo de acoplamiento cruzado a partir de un bromuro de arilo y un ácido arilborónico.
El ciclo catalítico
- Ordena el ciclo de SuzukiOrdena los eventos de un ciclo de Suzuki–Miyaura partiendo de Pd(PPh₃)₄.
Clasificar 2
Suzuki, Stille y Negishi
- Nombra el acoplamientoClasifica un acoplamiento cruzado según el metal de su compañero organometálico.
El ciclo catalítico
- Qué cambia en la eliminación reductoraClasifica los cambios de estado de oxidación, número de coordinación y recuento de electrones durante la eliminación reductora.
Comparar 1
- Ordena los halobencenos según la velocidad de adición oxidanteOrdena los haluros de arilo según su velocidad de adición oxidante al Pd(0) usando las energías de enlace C–X.
Calcular 5
The catalytic cycle
- How much Pd(PPh₃)₄ to weigh outConvert a catalyst loading in mol% into the mass of precatalyst to weigh.
El ciclo catalítico
- Conteo de electrones del catalizador activo Pd(0)Cuenta los electrones de valencia de la especie de Pd(0) coordinativamente insaturada que se forma por disociación de la fosfina.
- Conteo de electrones del producto de adición oxidanteCuenta los electrones de valencia de un complejo cuadrado plano de haluro de arilpaladio(II) con dos fosfinas.
- Estado de oxidación tras la adición oxidanteAsigna el estado de oxidación del paladio en el haluro de arilpaladio que se forma por adición oxidante.
- Número de recambio de un acoplamiento de SuzukiCalcula el número de recambio de un catalizador a partir de la carga de catalizador y el rendimiento del producto.
Encuentra el error 2
El ciclo catalítico
- Encuentra el error en un ciclo de SuzukiIdentifica un error de estado de oxidación en un ciclo catalítico de Suzuki propuesto.
Kumada y Sonogashira
- Un subproducto de un matraz con fugasIdentifica el subproducto de homocopulación del alquino en una reacción de Sonogashira realizada al aire y su causa.
Trabaja hacia atrás 2
Buchwald–Hartwig y planificación
- Elige las parejas de Buchwald–HartwigTrabaja hacia atrás desde una N-arilmorfolina hasta el haluro de arilo y la amina para un acoplamiento de Buchwald–Hartwig.
- Elige las parejas de HeckTrabaja hacia atrás desde un éster cinamato hasta el haluro de arilo y el alqueno para una reacción de Heck.
Planea una síntesis 2
Kumada y Sonogashira
- ¿Qué acoplamiento fallaría?Elige la pareja de acoplamiento incompatible con un éster en el sustrato.
Buchwald–Hartwig y planificación
- Elige la reacción para un arilalquinoSelecciona el acoplamiento cruzado que forma un enlace arilo–alquino C(sp²)–C(sp).
Explica por qué 5
Buchwald–Hartwig y planificación
- Por qué se redujo el arenoExplica la reducción del areno y los subproductos de imina en una aminación de Buchwald–Hartwig con una amina secundaria acíclica.
El ciclo catalítico
- Por qué los complejos trans no eliminanExplica por qué dos ligandos de carbono deben estar en cis sobre el paladio para la eliminación reductiva.
- Cómo entra el Pd(OAc)₂ en el cicloExplica cómo un precatalizador de Pd(II) se convierte en el catalizador activo de Pd(0) en una reacción de Heck.
La reacción de Heck
- Por qué la reacción de Heck necesita una baseExplica por qué la reacción de Heck necesita una base estequiométrica para ser catalítica en paladio.
Suzuki, Stille y Negishi
- Por qué los químicos de proceso evitan los acoplamientos de StilleExplica el principal inconveniente práctico del acoplamiento de Stille frente al de Suzuki.
¿Atascado con acoplamiento cruzado con paladio y reacción de Heck? Escanea el problema.
Toma una foto de la reacción de tu tarea o de tu libro y dibuja su mecanismo con cada flecha revisada. 1 escaneo gratis ya, sin registrarte; 1 más con una cuenta gratuita.
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