Química orgánica

Química orgánica. Introudcción a la síntesis orgánica. Paradigma de la retrosíntesis. Resolución de problemas mediante el método del árbol de síntesis. Alcanos menores

  • Enviado por: Wilbert Rivera Muñoz
  • Idioma: castellano
  • País: Bolivia Bolivia
  • 25 páginas
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CAPÍTULO 2

INTRODUCCIÓN A LA SÍNTESIS ORGÁNICA

2.1. GENERALIDADES

Uno de los desafíos más importantes para el químico, es la preparación de moléculas orgánicas conocidas o no. Debido a la relativa complejidad de las mismas, su síntesis eficiente (construcción, preparación, obtención, etc.) requiere (salvo en casos muy simples) de varias etapas, cada una de las cuales usa reacciones químicas que llevan específicamente a una estructura.

Las motivaciones, que llevan a sintetizar compuestos orgánicos, son diversas, de entre las cuales se puede resaltar las siguientes:

  • Por el desafío cognitivo que implica la labor de encarar una síntesis.

  • Para confirmar la estructura y/o estereoquímica propuesta para un producto natural.

  • Obtener cantidades importantes de un producto natural que se aísla en pequeñas cantidades o cuya fuente natural es de difícil renovación (caso de la quinina, taxol, etc.).

  • Realizar estudios detallados de actividad biológica, muy utilizados en la industria farmacéutica.

  • Para obtener una nueva estructura a la que teóricamente se le predicen determinadas propiedades/actividades (muy usado en el diseño de nuevos fármacos, polímeros, etc.)

El objetivo en cualquier síntesis es obtener el producto (molécula objetivo) (MOb) en forma pura por el procedimiento más eficiente y conveniente posible.

Si el proceso de síntesis será utilizado comercialmente también se deberá considerar el costo de los reactivos y los residuos y efluentes que deberán descartarse.

El esquema de síntesis o “ruta de síntesis”, debe tener el menor número de pasos posibles, ya que el rendimiento total cae rápidamente a medida que aumenta el número de pasos o etapas. La secuencia de reacciones que se use en una síntesis puede ser lineal o convergente.

Síntesis lineal:

'Qumica orgnica'

Rendimiento total: R = 0.907 x 100 = 47.8%

Síntesis convergente:

'Qumica orgnica'

Rendimiento total: R= 0.93 x100 = 72.9%

Sin duda que la estrategia convergente es la más eficiente. En la práctica el esquema convergente ·puro· no siempre es aplicable y es más común usar una combinación de ambas estrategias.

La síntesis total de un compuesto orgánico requeriría partir de los elementos que lo componen. Sin embargo a partir de ellos se puede obtener compuestos orgánicos simples como la úrea, el metano, metanol, acetileno, ácido acético, etanol y así siguiendo se puede ir construyendo estructuras cada vez más complejas. No obstante esto no es práctico ni necesario ya que existen una gran cantidad de compuestos orgánicos que están disponibles comercialmente o son asequibles económicamente y se puede usar éstos como materiales de partida. Estrictamente hablando todos ellos derivan de los elementos o pueden derivarse de ellos, así que cualquier síntesis que se encare a partir de esas materias primas es “formalmente” una síntesis total.

La metodología para encarar una síntesis exitosa ha ido cambiando con el transcurrir del tiempo y el desarrollo de la misma química como ciencia, de ahí que se conocen, las siguientes:

  • Metodología de la “asociación directa”

  • Metodología de la “aproximación intermedia”

  • Metodología del “análisis lógico”

La metodología de la asociación directa, fue la que llevó en el siglo XIX y principios del XX a la obtención de muchas moléculas de interés, como el α.terpineol (Perkin 1904), alcanfor (Komppa 1903 y Perkin 1904, tropinona ( Robinsón 1917). En esta metodología, se reconoce directamente en la estructura de la molécula objetivo (MOb), una serie de subestructuras o unidades, que puedan ser colocados apropiadamente en la estructura de la molécula objetivo o precursora, empleando reacciones conocidas. Generalmente se tiende a que los grupos se inserten en un solo paso, lo que exige del químico conocimientos bastos sobre reacciones orgánicas y ante todo mucha experiencia en síntesis, para poder asociar una reacción específica al objetivo de ubicar la subestructura en el lugar deseado.

'Qumica orgnica'

α.terpineol

…..

'Qumica orgnica'

Alcanfor

…..

'Qumica orgnica'

Tropinona

Entre 1920 y 1945 se lograron síntesis de moléculas más complejas que se basaron en el conocimiento de reacciones para formar moléculas políciclicas y en un planteamiento detallado que permitiera aplicar esos métodos.

Después de la 2da Guerra Mundial y hasta 1960 se pasó a otro nivel de sofisticación gracias a la formulación de los mecanismos de las reacciones orgánicas, la introducción del análisis conformacional, el desarrollo de métodos espectroscópicos, el uso de métodos cromatográficos de análisis y separación y el descubrimiento y aplicación de nuevos reactivos selectivos.

Muchas de estas síntesis que tenían 20 o más pasos fueron posibles gracias a la evaluación previa de cada paso basada en el conocimiento de mecanismos de reacción, intermedios reactivos, efectos estéricos y electrónicos en la reactividad, efectos conformacionales y estereoelectrónicos. A pesar de ello en esa época cada problema sintético se encaraba como un caso especial y con un análisis individualizado. Se hacía mucho uso de la intuición y no se aplicaban técnicas generales de solución de problemas, se insistía mucho que la síntesis química se asemejaba más a un arte. Uno de los grandes representantes de esta corriente es el químico y premio Nóbel (1965) R.B. Hoodward, por su aporte a la síntesis orgánica, con la síntesis de moléculas complejas como la quinina, el colesterol, etc.

Una estructura conocida, pero aún no sintetizada es para el químico lo que para otros hombres puede representar una montaña todavía no escalada, un mar no surcado, un campo nunca cultivado o un planeta aún no alcanzado”. R.B. Hoodward.

En cambio la metodología del Análisis Lógico, tiene como uno de sus propulsores y defensores a otro químico orgánico contemporáneo. J.E. Corey, también premio Nóbel por su aporte a la síntesis. La metodología supone la elección y aplicación de una determinada estrategia como el empleo táctico de los diferentes recursos que la moderna química orgánica nos ofrece y constituye “una metodología limitada únicamente por las fronteras de la química y el poder creador de la inteligencia humana”

El punto central de esta metodología es un análisis racional y penetrante de la estructura molecular de la Molécula Objetivo (MOb) y de las moléculas precursoras generadas en sentido antitético. La mejor aplicación se ha encontrado en una serie de Software creados, para generar las diferentes rutas de síntesis.

El químico sintético es más que un lógico y un estratega; es un explorador fuertemente inclinado a especular, imaginar e incluso crear”. E.J. Corey.

El método se conoce como el “método de las desconexiones” o el “método del sintón” y se basa en un nuevo paradigma de la química orgánica, conocida como la RETROSÍNTESIS.

La mayoría de los químicos orgánicos, planean las síntesis, con un mínimo de análisis lógico, haciendo uso simultáneamente las metodologías de la “asociación directa” y de “análisis lógico”, lo que origina consiguientemente la metodología de la “aproximación intermedia”. Los métodos que mejor se conocen dentro de esta metodología y el paradigma retrosintético, son:

  • El “árbol de síntesis” y

  • Las “Hojas de síntesis”

Por ser esta sección sólo una introducción a la síntesis orgánica, limitaremos el estudio al método del árbol de síntesis.

2.2. METODOLOGÍAS EN LA ELABORACIÓN DE UN PLAN DE SÍNTESIS.

Un plan de síntesis para una molécula con cierta complejidad en su estructura, dentro el paradigma retrosintético y cualquiera sea el método empleado para su diseño, toma en cuenta los siguientes elementos generales:

  • En principio, uno debe conocer y familiarizarse con todo los detalles estructurales de la molécula objetivo (MOb).

  • Cuando se trata de una sustancia natural, es necesario disponer de toda la información posible, sobre los antecedentes químicos de la molécula y en consecuencia deducir sus probables propiedades, como también es imprescindible conocer sus propiedades físicas.

  • La “regla de oro” para elaborar un plan de síntesis, es proceder en sentido inverso (antitético) al que en la práctica se seguirá en el laboratorio químico. Se empieza con la MOb y se hace una “degradación mental” de su estructura, lo que genera una secuencia de moléculas precursoras que también son sometidos a similar análisis, hasta llegar a los materiales de partida, que a su vez deben ser simples y fácilmente asequibles.

2.2.1. MÉTODO DEL ÁRBOL DE SÍNTESIS

La elaboración de un “árbol de síntesis” a base de generar moléculas intermedias o precursoras, paso a paso en dirección antitética (retrosíntesis), es decir a partir de la molécula objetivo, constituye un método que puede comprenderse mejor al considerar los siguientes principios generales de dicho proceso.

  • Comenzar con la estructura final (MOb). Partiendo de la estructura final, la molécula objetivo, se trabaja hacia atrás (retrosíntesis) hasta lograr materias primas fácilmente accesibles. Si la materia prima de partida está especificada en el problema de síntesis, esto tan sólo limita el número de posibles rutas sintéticas a ser encaradas.

  • Caracterización de la molécula objetivo (MOb). Al examinar la estructura de la molécula objetivo, es necesario responder las siguientes interrogantes:

  • ¿Qué tipo de compuesto es?

  • ¿Qué grupo (s) funcional (es) contiene?

  • Cuál es la naturaleza del esqueleto carbonado?

  • ¿Tiene la molécula una cadena alquílica normal o con ramificaciones?

  • ¿Contiene anillos y son éstos cicloalquílicos o aromáticos?.

  • ¿La MOb tiene simetría real o potencial?

  • El Grupo Funcional. Sobre el particular será también bueno responder a las siguientes interrogantes:

  • ¿Es conocida la reactividad, sensibilidad e inestabilidad de los grupos funcionales que posee la MOb?

  • ¿Qué métodos generales se tiene disponibles para su preparación?

  • ¿Cuál de ellos es aplicable al grupo funcional específico de la molécula problema?

  • Aspectos estereoquímicos. Se analizará en la MOb, preferentemente:

  • Centros de quiralidad

  • Conformación y configuración de anillos

  • Efectos de proximidad entre grupos

  • El esqueleto carbonado. El principal problema en la mayoría de las síntesis orgánicas es la construcción del esqueleto carbonado. El intercambio de grupos funcionales (IGFs) a menudo es simple de hacer, como por ejemplo, cetona a alcohol, aldehído a ácido ó alcohol a bromuro. Las preguntas que se hace con respecto a la construcción de enlaces C-C se relacionan con las que ya se han planteado a propósito del grupo funcional.

  • ¿Algunos de los métodos disponibles para formar grupos funcionales, son aplicables para generar enlaces C-C?.. Si es así.

  • ¿Es compatible el método con el esqueleto carbonado específico de la molécula objetivo?. Si no lo es.

  • ¿Hay un procedimiento para formar una cadena carbonada que produzca una función convertible en la requerida?

  • Moléculas Precursoras (MP)

  • El análisis de la estructura de la molécula problema y la consideración de las preguntas planteadas en las etapas 1) a 5), dará origen a dos posibles tipos de moléculas precursoras. Uno de ellos es un grupo funcional equivalente al de la estructura final.

    El otro es un conjunto de compuestos con menos átomos de carbono que la molécula objetivo. Cuando se juntan estos últimos, se logra la cadena carbonada final.

    La generación de cualquiera de estos tipos de molécula precursora, debe resultar una simplificación del problema.

    En general, si una ruta proyectada conduce a precursores más difíciles de sintetizar que el problema mismo (objetivo) debe buscarse otro camino

    ARBOL DE SÍNTESIS

    Sintetizar el 2,3-dimetil-2-penteno (MOb 01), partiendo de materiales simples con no más de dos átomos de carbono, como por ejemplo, haluro de alquilo, formaldehído, ácido acético, etc.

    Solución

    Analizando en sentido retrosintético, se concluye que la MOb.01, es un alqueno no simétrico. Recuérdese que los mejores sustratos o precursores de los alquenos son los alcoholes o haluros de alquilo, que por reacciones de eliminación forman el alqueno correspondiente.

    :

    Por lo tanto una buena molécula precursora (o mejor sustrato) de la MOb 01, será el 2,3-dimetil-3-pentanol, que tratado con ácido sulfúrico concentrado, producirá la MOb 01.

    Este alcohol puedo haber sido preparado a partir de otras moléculas precursoras como son la 2-butanona y un reactivo de Grignard, bromuro de isopropil magnesio, que se obtiene a partir del bromuro de isopropilo con Mg metálico.

    El bromuro requerido, se prepara a partir del alcohol isopropílico y tribromuro de fósforo.

    La cetona a su vez, se prepara a partir de la oxidación del precursor 2-butanol, el cual es también preparado a través de una reacción de Grignard bromuro de etil magnesio con el acetaldehído.

    El Grignard es consecuencia de la reacción del bromuro de etilo con Mg metálico en éter seco. Se llega al Grignard a través del bromuro de etilo.

    Se ha recurrido a la reacción de Grignard, por el nivel de conocimiento sobre las reacciones orgánicas, hasta el momento abarcado.

    Desde luego que existen otras rutas, en función de las reacciones a ser utilizadas.

    2.3. Ejemplos de síntesis.

    Partiendo de materiales simples y los reactivos necesarios, proponer un plan de síntesis para las siguientes moléculas:

    MOb02. N-Hexanol

    La MOb 02, es un alcohol primario, cuya cadena carbonada no presenta ramificaciones.

    Por lo tanto, la estrategia se reduce en buscar reacciones que permitan hacer crecer la cadena en un buen número de átomos de carbono. No es aconsejable que el crecimiento de la cadena sea de uno en uno, ya que dicho camino conduciría a un plan de síntesis con muchas etapas, consiguientemente un bajo rendimiento.

    En tal virtud, la apertura de anillos epóxido por un compuesto de Grignard se puede adecuar a este propósito; como también se puede combinar con la síntesis acetilénica (utilización de derivados del acetiluro de sodio y posterior saturación del triple enlace).

    El epóxido necesario para que se combine con el Grignard se prepara a partir de un alqueno y un ácido perácido. Así, se llega a deducir el presente plan de síntesis, donde los materiales de partida pueden ser el acetileno y el etanol.

    MOb 03. 7-metil-3-penteno

    La MOb 03, es un alqueno no simétrico.

    La mejor opción para generar una molécula precursora es recurrir a la síntesis acetilénica, es decir considerar al alqueno, como un producto de una hidrogenación parcial del triple enlace del alquino, para ello la mejor opción es la utilización del catalizador de Lindlar.

    Posteriormente se hace reaccionar los haluros de alquilo respectivos con los acetiluros de sodio que se forman con la sodamida.

    Nuevamente encontramos como molécula intermedia precursora un alcohol, que requiere ser preparado por apertura de epóxido.

    Los materiales de partida son el acetileno y el acetaldehído

    MOb 04. Hexanodial

    El Hexanodial, es una molécula simétrica y la extensión de la cadena, sugiere que la misma sea producto de la apertura de un anillo de seis miembros. Adicionalmente el grupo formilo del aldehído es muy reactivo y tendrá que haberse formado el mismo también de manera preferente en la última etapa de la ruta de síntesis.

    Estas consideraciones, permiten proponer como molécula precursora de la MOb. Un cicloalqueno, que por una ozonólisis reductiva, formará el hexanodial.

    El ciclohexeno, puede ser preparado por diferentes vía, se indican dos alternativas. La alternativa que se reduce al etanal (acetaldehído) como material de partida es la que se aproxima mejor a un material de partida simple y asequible.

    MOb 05. 4-metoxi-1, 2- pentanodiol

    La MOb 05. es polifuncional presenta un diol y un grupo éter, que también es portador de un grupo alcohol. No es posible pensar en formar el grupo éter selectivamente frente a los otros alcoholes. Pero si es posible formar un diol estando presente un grupo éter como protector de otro grupo -OH en la MOb.

    Por lo tanto es correcto proponer como molécula precursora el 4-metoxi-1-penteno, que por hidroxilación con tetróxido de osmio, seguido de acidificación forma el diol correspondiente, sin afectar al grupo éter. Éste grupo puede formarse estando presente un doble enlace, a través de la metilación con sulfato de

    .

    dimetilo, como se señala en el árbol de síntesis

    2.4. SIMETRIA, SELECTIVIDAD Y CONTROL

    Además de los principios generales anteriormente estudiados, son de extraordinaria importancia otros tres principios sintéticos más, que permiten tomar decisiones para seleccionar una u otra ruta de síntesis, principalmente cuando la molécula objetivo (MOb) presenta dos o más grupos funcionales.

    Una síntesis racional y exitosa de un compuesto polifuncional debe emplear uno o más de los principios de síntesis siguientes: simetría, selectividad y control.

    2.4.1. SIMETRÍA

    Cuando la molécula a sintetizarse presenta en su estructura una simetría real o potencial (ejes de simetría o planos de simetría), su síntesis se facilita, pues si se tiene por ejemplo grupos funcionales idénticos en posiciones simétricas en la estructura de la molécula, los mismos pueden ser generados simultáneamente, es decir al mismo tiempo, a través de una misma operación o reacción determinada.

    Ejemplo: MOb 06. ¿Cómo se puede efectuar la transformación siguiente?:

    'Qumica orgnica'

    Solución:

    La MOb 06 es un ácido dicarboxílico que presenta una simetría en la posición de los dos grupos carboxílicos, por lo que será necesario pensar en una operación que genere simultáneamente ambos grupos. Ello se consigue por la hidrólisis del grupo -CN.:

    Como se ilustra con la secuencia de reacciones en el árbol de síntesis descrito.

    2.4.2. SELECTIVIDAD

    La mayoría de los compuestos orgánicos contienen más de un grupo funcional y cada grupo funcional presenta una reactividad característica. Por lo tanto, a veces hay que predecir qué grupo funcional va a reaccionar, dónde y cómo lo va a hacer. Conocer la respuesta a estas preguntas es lo que nos permitirá conseguir selectividad en la síntesis.

    Hay diferentes tipos de selectividad, las más frecuentes son: quimioselectividad, regioselectividad y estereoselectividad.

    Quimioselectividad: qué grupo funcional reacciona

    Regioselectividad: dónde reacciona

    Estereoselectividad: cómo reacciona (estereoquímica de los productos)

    En general se debe planear la síntesis de una molécula de modo de evitar que se generen grupos de idéntica reactividad que deban reaccionar en forma diferente en las etapas siguientes

    Quimioselectividad. Diferenciar entre grupos funcionales con reactividad química idéntica o similar

    Se habla de quimioselectividad cuando en una reacción un grupo funcional reacciona en presencia de otros grupos funcionales similares o iguales que se mantienen inalterados. En este caso se dice que la reacción es quimioselectiva y el reactivo quimioselectivo.

    El borohidruro de sodio, es un reductor que no ataca a dobles o triples enlaces y tampoco lo hace con el grupo carbonilo derivado de ácidos carboxílicos. En cambio sí reacciona con el carbonilo de aldehídos y cetonas. Mientras que un reductor más potente como el LiAlH4 reduciría ambos grupos carbonílicos y no así el doble enlace

    'Qumica orgnica'

    También, se puede aplicar el término quimioselectividad, cuando un grupo funcional en una molécula determinada reacciona de forma selectiva o diferente frente a distintos reactivos o condiciones de reacción.

    Cuando dos dobles enlaces de un dieno difieren en su grado de sustitución, el más sustituido reaccionará más rápidamente con un peroxiácido

    'Qumica orgnica'

    Regioselectividad. Diferenciar entre posiciones o regiones de una molécula con reactividad similar que darán lugar a isómeros estructurales.

    Una reacción que puede dar lugar a diversos productos que son isómeros estructurales (o regioisomeros) será regioselectiva si da lugar casi exclusivamente a un único producto. Una reacción se dice que es regioespecífica cuando potencialmente puede dar lugar a dos o más isómeros constitucionales pero da preferentemente uno. En general es un factor que puede controlarse por una elección cuidadosa de reactivos y condiciones.

    Para ilustrar esta definición véase por ejemplo la bromación de alcoholes arílicos. Cuando el 3-butenol se trata con ácido bromhídrico conduce a una mezcla de bromuros en el que el mayoritario es el que resulta del ataque del ión bromonio a la posición menos impedida estéricamente.

    Estereoselectividad. Se refiere a la obtención preponderante de un estereoisómero frente a otro.

    Una reacción estereoselectiva es aquella que pudiendo transcurrir a través de diferentes mecanismos lo hace preferentemente a través de uno de ellos obteniéndose así, un estereoisómero del producto de forma mayoritaria.

    La hidrogenación de alquinos en presencia de un catalizador envenenado conduce únicamente al alqueno Z, mientras que la reducción con metales en amoníaco líquido conduce al alqueno E. en consecuencia ambos procesos son estereoselectivos.

    'Qumica orgnica'

    'Qumica orgnica'
    E

    Obsérvese en el primero de los ejemplos que además, el proceso de reducción del triple enlace es quimioselectivo respecto a la cetona, el éster y el doble enlace del producto final. Además, el estereoisómero que se obtiene depende de la estereoisomería del material de partida. Todas las reacciones estereoespecíficas son estereoselectivas pero la inversa no es cierta.

    Una reacción realizada sobre un compuesto que no tiene estereoisómeros puede ser estereoselectiva pero NO estereoespecífica. Ejemplo:

    'Qumica orgnica'

    Estereoselectiva pero NO estereoespecífica

    Si los estereoisómeros resultantes son diastereómeros se habla de diastereoselectividad y si son enantiómeros de enantioselectividad

    Un ejemplo de reducción enantioselectiva muy bien estudiado es la hidrogenación en presencia de un catalizador quiral "La síntesis asimétrica del analgésico napoxeno implica una reducción de un doble enlace en atmósfera de hidrógeno y en presencia de un catalizador quiral

    'Qumica orgnica'

    2.4.3. CONTROL

    El contro| en síntesis orgánica es una operación sintética que puede englobar o considerar también a los aspectos de simetría y selectividad. Sin embargo este término se ha reducido en la química orgánica, más a una serie de operaciones, que demandan del químico, ciertas habilidades cognitivas y destrezas similares a las artísticas, para la construcción de las moléculas orgánicas.

    El constructor civil, hace de sus materiales de construcción edificaciones que maravillan a la humanidad. El químico hace de las moléculas y los átomos (materiales de partida), moléculas (polímeros, fármacos, piezas para sustituir órganos en el cuerpo humanos, etc.) que también maravillan al mundo”, W. Rivera

    Esta serie de operaciones de control en síntesis, pueden clasificarse del siguiente modo:

    • Protección y/o desprotección

    • Activación y/o desactivación molecular

    2.4.4. PROTECCIÓN

    En el diseño de una síntesis de una molécula con varios grupos funcionales, es muy común que un reactivo que produce una transformación sobre un grupo funcional afecte también a otro grupo en otra parte de la molécula. En los casos en que no se puede lograr una quimioselectividad adecuada, el grupo que debe permanecer inalterado se protege convirtiéndolo temporalmente en una funcionalidad inerte a las condiciones de la reacción.

    La operación de protección, requiere del siguiente procedimiento:

    • Proteger el grupo o los grupos funcionales más reactivos

    • Efectuar la reacción sobre el grupo funcional requerido

    • Desproteger el grupo funcional, sometido a protección

    Esa protección debe satisfacer los siguientes requisitos básicos:

    • La reacción debe se tener buen rendimiento y ser quimioselectiva

    • El nuevo grupo funcional debe ser estable en las condiciones de la reacción del grupo que reaccionará

    • La funcionalidad introducida no debe agregar centros quirales a la molécula que puedan generar diasterómeros

    • El grupo funcional original debe poder regenerarse con buen rendimiento y sin afectar al resto de la molécula

    No existe en la práctica un grupo protector ideal para cada funcionalidad, si existe una gran batería de protectores posibles cada uno de los cuales cumple las condiciones anteriores en determinadas circunstancias. Una lista muy breve se recoge en la siguiente tabla:

    Grupos Protectores más comunes

    Grupo

    Forma de protección

    (GP)

    Operación de síntesis

    Eliminación

    El GP resiste a;

    El GP reacciona con:

    Aldehído

    Cetona

    Acetal

    RCH(OR')2

    R'OH/H+

    H2O, H+

    Bases, nucleófilos

    Oxidantes, reductores

    Electrófilo, ácidos

    Ácidos

    (Ar)RCOOH

    Ésteres

    (Ar)RCOOMe'

    (AR)RCOOEt

    (Ar)RCOOBn

    (Ar)RCOOt-Bu

    Anión:

    (Ar)RCOO-

    CH2N2

    EtOH, H+

    BnOH, H+

    t-BuOH, H+

    base

    H2O, OH-

    H2, o HBr

    H+

    H+

    ácido

    Ácidos y bases débiles

    Electrófilos

    Nucleófilos

    Bases fuertes, nucleófilos,

    agentes reductores

    Electrófilos

    Alcohol

    ROH

    Acetales: THP

    DHP, H+

    H2O, H+

    Nucleófilos, bases, agentes reductores

    Electrófilos, ácidos

    éteres:

    ROBn

    ROTr

    BnBr, NaH

    TrCl, base

    H2 o HBr

    H2O, H+

    Ácidos y bases, oxidantes

    Reductores, nucleófilos,

    Electrófilos débiles

    HX (X= nucleófilo)

    ácidos

    Sililéteres:

    TES

    TBDMS

    TBDPS

    TESCl

    TBDMSCl

    TBDPSCl

    F, o H2O, H+

    Bases, oxidantes, Nucleófilos

    Ácidos

    Ésteres:

    R'COOR

    R'COCl, piridina

    H2O, H+ o H2O, OH-

    Electrófilos, agentes oxidantes

    Ácidos, bases y nucleófilos

    Dioles

    Acetales

    Bases, nucleófilos

    Oxidantes, reductores

    Tioles

    Tioésteres

    Electrófilos

    Aminas

    (Ar)RNH2

    Amidas:

    R'CONHR

    Uretanos:

    R'OCONHR

    R'COCl, base

    R'OCOCl, base

    H2O, OH- o H2O, H+

    Si R'= Bn:

    H2, cat, o HBr

    Si R' = t-Bu:

    H2O, H+

    Electrófilos

    Electrófilos, agentes oxidantes

    Base, nucleófilos

    El uso de protectores debe reducirse al mínimo indispensable y su elección debe ser tal que no se requiera reemplazarlos a lo largo de la síntesis ya que los pasos de introducción y remoción (desprotección) suman costo y trabajo a la síntesis y disminuyen el rendimiento.Ejemplo.

    'Qumica orgnica'

    Se ha protegido el grupo cetónico de la molécula transformándolo en un cetal cíclico, con un etanodiol en medio ligeramente ácido, posteriormente se ha hecho reaccionar esta molécula con dos moles del bromuro de fenil magnesio, que actúa sobre el grupo éster, para transformarlo en alcohol. Finalmente se hidroliza el cetal cíclico para regenerar la cetona.

    PROTECCIÓN DE ALDEHÍDOS Y CETONAS

    Una forma de protección de las cetonas y los aldehídos es su conversión en acetales.

    'Qumica orgnica'

    Los acetales se pueden desproteger en condiciones suaves mediante reacciones de hidrólisis ácida. En la reducción de un cetoéster a cetoalcohol. La protección de la cetona en forma de acetal es muy conveniente porque el acetal resiste las condiciones reductoras en que se emplearán en la conversión del grupo éster en grupo hidroxilo. En el siguiente esquema se da la secuencia de síntesis completa que permite conseguir la reducción del éster sin afectar a la cetona:

    'Qumica orgnica'

    En la primera etapa la cetona se convierte en un acetal cíclico por reacción con etilenglicol en presencia de un catalizador ácido. En la segunda etapa se reduce el éster con LiAlH4. Este reactivo no ataca al acetal. Finalmente, en la tercera etapa el alcohol-acetal se trata en medio ácido acuoso. En estas condiciones el acetal resulta hidrolizado regenerándose el grupo carbonilo cetónico. Cada una de las tres etapas es quimioselectiva puesto que en cada una de ellas se consigue la reacción preferente de un grupo funcional en presencia de otro.

    PROTECCIÓN DE ÁCIDOS CARBOXÍLICOS

    a) ésteres de etilo y metilo

    La forma de protección más corriente de los ácidos carboxílicos es su conversión en ésteres. Los ésteres más empleados son los de etilo y metilo que pueden obtenerse fácilmente mediante la reacción de esterificación de Fischer.

    'Qumica orgnica'

    La desprotección se lleva a cabo mediante la hidrólisis ácida o básica (saponificación) del grupo éster.

    'Qumica orgnica'

    b) ésteres de bencilo

    La desprotección de ésteres de etilo o metilo puede ser problemática en sistemas polifuncionales debido a la elevada acidez o basicidad que se debe emplear en el proceso de hidrólisis. Por ello se emplean otro tipo de ésteres que permiten efectuar la etapa de desprotección en condiciones neutras o de baja acidez,

    Los ésteres de bencilo se pueden desproteger mediante hidrogenólisis (ruptura de enlaces por H2) del enlace C-O, a temperatura ambiente y en condiciones neutras.

    'Qumica orgnica'

    c) ésteres de t-butilo

    Los ésteres de t-butilo se pueden hidrolizar fácilmente a los correspondientes ácidos carboxílicos, en condiciones suaves de acidez y temperatura ambiente, debido a la fácil formación del carbocatión t-butilo.

    'Qumica orgnica'

    PROTECCIÓN DE ALCOHOLES

    a) como acetales

    El DHP (dihidropirano) se emplea para la conversión de alcoholes en acetales mixtos. Como el alcohol se convierte en acetal, la desprotección se efectúa mediante hidrólisis ácida.

    'Qumica orgnica'

    b) como éteres de bencilo

    Puesto que los éteres son uno de los grupos funcionales menos reactivos no es de extrañar que muchos de ellos se empleen como grupos protectores. Sin embargo, la inercia química de los éteres es un inconveniente a la hora de utilizarlos como grupos protectores porque la etapa de desprotección obliga, en muchos casos a la utilización de condiciones de reacción muy drásticas.

    Es por ello que, en la práctica, el número de tipos de éter que se emplean como protectores de alcoholes se ve notablemente reducido. Uno de los éteres más empleados en el proceso de protección de alcoholes es el bencil éter (ROBn). La etapa de protección se consigue por la ionización previa del alcohol, por ejemplo con NaH, seguida de ataque SN2 del alcóxido generado sobre bromuro o cloruro de bencilo.

    Los bencil éteres son muy populares entre los químicos orgánicos de síntesis porque conjugan una gran facilidad de introducción, una gran inercia química, y una gran quimioselectividad en la etapa de desprotección. La desprotección se efectúa en condiciones neutras y a temperatura ambiente, mediante una reacción de hidrogenólisis.

    'Qumica orgnica'

    c) como tritil éteres

    Los tritil éteres, o éteres de trifenil metano, se emplean para la protección quimioselectiva de hidroxilos primarios. Los grupos hidroxilo secundario y terciario, al estar estéricamente más impedidos que los primarios, no forman éteres de tritilo porque el cloruro de trifenilmetilo (cloruro de tritilo) es un reactivo muy voluminoso.

    Los éteres de trifenilmetano (éteres de tritilo) se obtienen mediante la reacción de alcoholes primarios con el cloruro de tritilo en presencia de una base nitrogenada terciaria no nucleofílica, como la piridina. La misión de la base es neutralizar el HCl que se genera en la reacción.

    'Qumica orgnica'

    La desprotección de este tipo de éteres se consigue mediante una hidrólisis ácida suave. Los productos son dos alcoholes

    'Qumica orgnica'

    c) como silil éteres

    Los silil éteres se obtienen por reacción de los alcoholes con cloruros de sililo. Como el cloruro de trietilsililo (Et3SiCl), el cloruro de t-butildimetilsililo (t-BuMe2SiCl) o el cloruro de t-butildifenilsililo (t-BuPh2SiCl). La síntesis de estos éteres se efectúa en presencia de una base no nucleofílica para neutralizar el HCl que genera la reacción

    'Qumica orgnica'

    Los silil éteres se pueden desproteger de forma altamente quimioselectiva mediante la reacción con sales que contengan el anión fluoruro. Esta desprotección se basa en la fortaleza del enlace Si-F, uno de los enlaces covalentes más fuertes que existen, que impulsa la reacción hacia la formación del correspondiente fluorosilano.

    'Qumica orgnica'

    El otro producto de esta reacción es una sal del anión alcóxido (RO-M+). Para obtener el alcohol se procede a efectuar una etapa de hidrólisis para provocar la protonación del anión alcóxido.

    El tamaño de los tres reactivos de sililación , aumenta en el siguiente orden:

    Et3SiCl < t-Bu(CH3)2SuCl < t-Bu(Ph2)SiCl

    Aumenta el tamaño del reactivo de sililación

    d) protección como ésteres

    Los alcoholes también se pueden proteger mediante su conversión en ésteres. Uno de los ésteres más comunes en la estrategia de protección-desprotección de alcoholes es el éster de ácido acético (acetatos)

    'Qumica orgnica'

    PROTECCIÓN DE AMINAS

    El par electrónico libre situado sobre el átomo de nitrógeno de las aminas es el responsable de la nucleofilia y de la basicidad de éstas. La forma evidente de ocultar las propiedades básicas y nucleofílicas de las aminas es su conversión en compuestos en os que el par electrónico del nitrógeno esté conjugado con un grupo electrón-atrayente.

    La conversión de aminas en amidas puede ser una buena solución para la protección de los grupos amino porque la deslocalización de la densidad electrónica asociada al átomo de nitrógeno disminuye la basicidad y la nucleofilia de este par electrónico.

    'Qumica orgnica'

    Esta protección tiene un inconveniente: la etapa de desprotección. Las amidas son poco reactivas y la hidrólisis del grupo amida hay que efectuarla en condiciones de alta basicidad (o acidez) y temperatura que puede afectar a otros grupos funcionales presentes en la estructura.

    Por ello, las aminas se suelen proteger en forma de uretanos y no de amidas. En los uretanos la densidad electrónica del átomo de nitrógeno también está disminuida por conjugación con un grupo carbonilo. La ventaja de estos protectores es que pueden eliminarse en condiciones suaves y muy quimioselectivas.

    Uno de los reactivos empleados en la protección de aminas en forma de uretanos es el cloruro de t-butiloxicarbonilo. Los uretanos obtenidos con este reactivo se abrevian como RNHBoc

    La reacción de los RNHBoc con ácidos acuosos, en condiciones suaves de acidez y temperatura, genera un ácido carbámico que es inestable y se descarboxila in situ dando lugar a la amina libre.

    Otro tipo de uretanos empleados en la protección de aminas son los que se obtienen en la reacción con cloruro de benciloxicarbonilo.

    Las aminas (RNH2) protegidas como uretanos de benciloxicarbonilo se abrevian como RNHCBz

    'Qumica orgnica'

    Estos uretanos se desprotegen en condiciones neutras mediante una reacción de hidrogenólisis.

    Desprotección de N-CBz derivados:

    1º. Generación del ácido carbámico por hidrogenólisis

    'Qumica orgnica'

    2º. Descarboxilación espontánea del ácido carbámico

    'Qumica orgnica'

    2.4.5. ACTIVACIÓN DESACTIVACIÓN

    Muchas veces es necesario activar una parte de una molécula para que la reacción ocurra preferentemente en ese lugar o sencillamente es necesario desactivar un grupo activante, para disminuir la reactividad de la molécula. Esto puede observarse en los siguientes ejemplos.

  • Cuando se pretende obtener la orto nitroanilina a partir de la anilina, una nitración directa de la misma, proporcionaría una mezcla de isómeros orto y para anilinas, debido a que el grupo -NH2 es activante de la molécula de benceno para las sustituciones electrofílicas. De manera que la estrategia debe contemplar una necesaria disminución del poder activante del grupo amino, lo que se consigue transformándolo en un grupo amida, con la ácido acético o anhídrido acético.. Se forma la acetanilida.

  • El nuevo grupo sigue siendo orientador orto para, preferentemente para, debido a que por ser voluminoso el grupo amida, se origina un efecto estérico, que impide a que cualquier electrófilo pueda aproximarse exitosamente a la posición orto del anillo bencénico, estando libre la posición para.

    Esto se puede aprovechar para sulfonar la acetanilida, obtener el isómero mayoritario para-sulfo-acetanilida, que luego es sometida a nitración, que luego por hidrólisis ácida del grupo amida y del grupo sulfónico, se libera la orto nitro anilina solicitada.

    'Qumica orgnica'

  • Frecuentemente se requiere que los carbono alfa de un compuesto carbonílico, por ejemplo una cetona, se transformen en buen nucleófilo, para participar de reacciones con altos rendimientos, esto se puede lograr de las dos maneras siguientes:

  • 'Qumica orgnica'

    'Qumica orgnica'

    2.5. SÍNTESIS DE MOLÉCULAS POLIFUNCIONALES

    Para la síntesis de moléculas polifuncionales, es necesario la aplicación de los principios generales y fundamentalmente los tres principios que se acaban de explicar (simetría, selectividad y control), de acuerdo a las características la molécula objetivo que se desee sintetizar.

    MOb. 07. Proponer un plan de síntesis para el 2-metil-3-etil-2,6-hexanodiol.

    Solución. LA MOb 7 es bifuncional y los grupos son hidroxílicos: uno terciario y otro primario. El esqueleto carbonado presenta dos ramificaciones: un metilo y un etilo. Puesto que la molécula posee poca simetría, es improbable que ambos grupos puedan introducirse simultáneamente.

    Para empezar por el final, considérese cómo se podría intentar la introducción de una función, en presencia de la otra. En forma arbitraria, inténtese introducir un grupo oxhidrilo primario en una molécula precursora que tenga el OH terciario. Para esto se tiene dos posibilidades: Hidroboración/oxidación de una olefina terminal y adición de un reactivo de Grignard al formaldehído.

    Si se analiza con detenimiento, la segunda ruta es improbable, puesto que es imposible formar un compuesto de Grignard del mismo ya que el OH terciario es suficientemente ácido como para descomponer el Grignard que estuviera formándose.

    La reacción de hidroboración/oxidación del primer camino resulta ser un proceso selectivo: no afecta el grupo hidroxilo ya existente en una molécula.

    Se debe considerar ahora cómo formar el alcohol olefínico terciario requerido para la reacción de hidroboración. Puesto que este alcohol también contiene dos funciones; nuevamente se debe considerar la introducción de un grupo funcional en presencia de otro.

    Los alcoholes terciarios se forman comúnmente por adición de un reactivo de Grignard una cetona y el doble enlace no altera la reacción, siendo por lo tanto también selectiva. De este modo, puede prepararse el alcohol partiendo de un precursor cetónico no saturado.

    'Qumica orgnica'

    Ahora se puede centrar la atención en la construcción del esqueleto carbonado. Se puede recurrir para ello nuevamente a una síntesis de Grignard; sin embargo se puede observar que el último precursor está estructuralmente relacionado con el éster acetoacético ya que la estructura típicamente se puede obtener a partir del éster acetoacético o es una metil cetona o es un producto de transformación de ella.

    En consecuencia, se puede obtener el compuesto intermedio por alquilización del acetoacetato de etilo: primero con bromuro de etilo y luego con bromuro de alilo, luego, se hidroliza y descarboxila el producto, para generar la MOb 7.

    El bromuro de alilo se prepara de la siguiente manera:

    'Qumica orgnica'

    MOb 08. Las feromonas, son agentes químicos que utilizan los insectos para sus comunicaciones. El atrayente sexual de la polilla tiene la siguiente estructura:

    Proponer un plan de síntesis para la misma

    Solución:

    El grupo funcional de la molécula es un epóxido, su esqueleto carbonado tiene una sola ramificación: un grupo metilo. El epóxido es un isómero geométrico del tipo cis.

    Con estas consideraciones se puede mencionar a continuación, que para la preparación de un grupo epóxido se dispone de los métodos de la reacción de un alqueno con un perecido y un alqueno con hipodromito seguido de la acción de una base hidróxilica .

    Por otra parte, el isómero geométrico epóxido tiene que obtenerse de su similar alqueno cis. Entonces el alqueno precursor debe ser:

    a)

    'Qumica orgnica'

    b)

    'Qumica orgnica'

    'Qumica orgnica'

    La deshidratación de un alcohol, normalmente genera el alqueno trans, por lo que el precursor “no será” un alcohol y por lo tanto debe desecharse esta posibilidad, por tal razón el método más adecuado para la formación del alqueno será una reducción parcial de un compuesto acetilénico sustituido, es decir, un acetileno interno.

    El plan de síntesis que se propone a continuación se basa en las consideraciones anteriormente descritas.

    Los compuestos (A) y (B), deben ser todavía sintetizados a partir de moléculas más simples.

    Las aplicaciones en los siguientes capítulos estarán centradas en las interrogantes: ¿cómo se justifica la siguiente transformación?. ¿Cómo se sintetiza la siguiente molécula?. En la solución de ellos se irán ampliando más aspectos de la síntesis orgánica.

    'Qumica orgnica'

    MOb 09. (1E,4E)-hepta-1,4-dienilcyclopentano

    Proponer un plan de síntesis, a partir de materiales simples y los reactivos necesarios, para la siguiente molécula:

    Solución.

    Una adecuada combinación de la síntesis acetilénica y de Grignard, permite elaborar un plan de síntesis factible a partir del ciclopentanol y el acetaldehído.

    Es necesario hacer notar que a esta altura de los conocimientos de las reacciones, no permite aún plantearse la preparación del anillo de cinco miembros.

    Es necesario tener cuidado que el haluro que reacciona con el ión acetiluro deba ser necesariamente primario, con los haluros secundarios y terciarios, la reacción que predomina es la de eliminación y no ocurre la sustitución.

    Se aprovecha adecuadamente la bromación del sistema alílico que se forma con la succinimida,

    Los acetiluros también son nucleófilos que pueden atacar un epóxido formando, luego de la hidrólisis ácida un alcohol.

    MOb. 10.

    ¿Cómo se efectúa la transformación siguiente?.

    Utilice todos los reactivos necesarios con la finalidad de justificar la transformación indicada.

    Solución:

    La MOb 10, incrementa en un grupo metilo la cadena alquílica del compuesto aromático. El punto de instauración sugiere que el mismo puede prepararse a partir de la deshidratación de un alcohol. Esto permite pensar que el grupo metilo proviene de un compuesto de Grignard, que a su vez forma simultáneamente el alcohol. Esta reacción sólo podrá ocurrir si la molécula precursora es un aldehído, el cual a su vez es formado por la oxidación de un alcohol, con PCC. El alcohol requerido puede formarse por hidroboración de la molécula de partida que es el estireno

    2.6. PROBLEMAS PROPUESTOS. Proponer un plan de síntesis para las moléculas que se indican:

    a)

    'Qumica orgnica'

    b)

    'Qumica orgnica'

    c)

    'Qumica orgnica'

    d)

    'Qumica orgnica'

    e)

    'Qumica orgnica'

    f)

    'Qumica orgnica'

    g)

    'Qumica orgnica'

    h)

    'Qumica orgnica'

    i)

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    j)

    'Qumica orgnica'

    k)

    'Qumica orgnica'

    l)

    'Qumica orgnica'

    SERRATORA F. HEURISKÓ. Introducción a la Síntesis Orgánica. Pág. 37

    Química Orgánica II W. Rivera M. 2008

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