Ativação da ligação carbono-hidrogênio - Carbon–hydrogen bond activation

A funcionalização da ligação carbono-hidrogênio ( funcionalização C – H ) é um tipo de reação em que uma ligação carbono-hidrogênio é clivada e substituída por uma ligação carbono-X (onde X geralmente é carbono, oxigênio ou nitrogênio). O termo geralmente implica que um metal de transição está envolvido no processo de clivagem de CH. As reações classificadas pelo termo tipicamente envolvem o hidrocarboneto primeiro para reagir com um catalisador de metal para criar um complexo organometálico no qual o hidrocarboneto é coordenado com a esfera interna de um metal, seja por meio de um " complexo de alcano ou areno " intermediário ou como uma transição estado levando a um intermediário "M-C". O intermediário desta primeira etapa (conhecido como ativação C – H e às vezes usado de forma intercambiável com funcionalização CH) pode então sofrer reações subsequentes para produzir o produto funcionalizado. Importante para esta definição é o requisito de que durante o evento de clivagem C – H, a espécie de hidrocarbil permaneça associada na esfera interna e sob a influência de "M".

Como uma definição alternativa, outros autores usam o termo funcionalização C – H para significar qualquer transformação orgânica em que o resultado líquido é a transformação de uma ligação C – H relativamente inerte em uma ligação C – X (ou seja, um grupo funcional ), independentemente do mecanismo (ou com uma atitude agnóstica em relação a ele). Em particular, esta definição não requer uma coordenação de metal de transição para o hidrocarboneto no mecanismo de reação. Esta definição mais ampla inclui a definição mais restrita fornecida acima como um subconjunto. No entanto, esta definição também incluiria a reação de funcionalização do alcano catalisado por ferro que prossegue através do mecanismo de recuperação do oxigênio (por exemplo, enzimas do citocromo P450 e seus análogos sintéticos), em que não se acredita que uma ligação metal-carbono esteja envolvida. Da mesma forma, a reatividade baseada no ligante de muitas espécies de carbenos metálicos com hidrocarbonetos também se enquadraria nesta categoria, embora alguns casos sejam mecanicamente ambíguos. Alguns autores definem de forma semelhante a ativação C – H amplamente como a etapa de clivagem C – H de qualquer mecanismo que resulte na funcionalização de um grupo de hidrocarbonetos (ou qualquer consequência observável da clivagem da ligação C – H, como a troca H / D). Outros ainda mantêm a estreita definição original do termo ativação C – H, enquanto usam a funcionalização C – H em seu sentido mais amplo.

Classificação

Os mecanismos para ativações de CH podem ser classificados em três categorias gerais:

  • (i) adição oxidativa , na qual um centro de metal de baixa valência se insere em uma ligação carbono-hidrogênio, que cliva a ligação e oxida o metal.
L n M + RH → L n MR (H)
  • (ii) Ativação eletrofílica em que um metal eletrofílico ataca o hidrocarboneto, deslocando um próton:
L n M + + RH → L n MR + H +

o substrato é submetido a um mecanismo do tipo S E Ar .

  • (iii) metátese de ligação Sigma , que prossegue através de um estado de transição "quatro-centrado" em que as ligações se rompem e se formam em uma única etapa:
L n MR + R'H → L n MR '+ RH

Visão geral histórica

A primeira reação de ativação C – H é frequentemente atribuída a Otto Dimroth , que em 1902, relatou que o benzeno reagiu com acetato de mercúrio (II) (ver: organomercúrio ). Muitos centros de metal eletrofílico sofrem essa reação semelhante à de Friedel-Crafts. Joseph Chatt observou a adição de ligações CH de naftaleno por complexos de Ru (0).

As ativações de CH assistidas por quelação são prevalentes. Shunsuke Murahashi relatou uma funcionalização CH assistida por quelação catalisada por cobalto de 2-fenilisoindolin-1-ona de ( E ) -N, 1-difenilmetanimina.

Ativação CH catalisada por cobalto

Em 1969, AE Shilov relatou que o tetracloroplatinato de potássio induziu a mistura de isótopos entre o metano e a água pesada . A via foi proposta para envolver a ligação de metano a Pt (II). Em 1972, o grupo Shilov foi capaz de produzir metanol e cloreto de metila em uma reação semelhante envolvendo uma quantidade estequiométrica de tetracloroplatinato de potássio , hexacloroplatinato de potássio catalítico , metano e água. Devido ao fato de Shilov ter trabalhado e publicado na União Soviética durante a era da Guerra Fria , seu trabalho foi amplamente ignorado pelos cientistas ocidentais. O chamado sistema Shilov é hoje um dos poucos sistemas catalíticos verdadeiros para funcionalizações de alcano .

Em alguns casos, as descobertas na ativação de CH foram feitas em conjunto com aquelas de acoplamento cruzado . Em 1969, Yuzo Fujiwara relatou a síntese de ( E ) -1,2-difenileteno a partir de benzeno e estireno com Pd (OAc) 2 e Cu (OAc) 2 , um procedimento muito semelhante ao do acoplamento cruzado. Na categoria de adição oxidativa, MLH Green em 1970 relatou a inserção fotoquímica de tungstênio (como um complexo Cp 2 WH 2 ) em uma ligação C – H do benzeno e George M. Whitesides em 1979 foi o primeiro a realizar um teste alifático intramolecular Ativação C – H

Funcionalização CH catalisada por paládio e cobre de Fujiwara

A próxima descoberta foi relatada independentemente por dois grupos de pesquisa em 1982. RG Bergman relatou a primeira ativação C – H intermolecular mediada por metal de transição de hidrocarbonetos não ativados e completamente saturados por adição oxidativa. Usando uma abordagem fotoquímica , a fotólise de Cp * Ir (PMe 3 ) H 2 , onde Cp * é um ligante pentametilciclopentadienil , levou à espécie coordenativamente insaturada Cp * Ir (PMe 3 ) que reagiu via adição oxidativa com ciclohexano e neopentano para formar o complexos de hidridoalquil correspondentes, Cp * Ir (PMe 3 ) HR, em que R = ciclohexil e neopentil, respectivamente. WAG Graham descobriu que os mesmos hidrocarbonetos reagem com Cp * Ir (CO) 2 após irradiação para produzir os complexos alquil-hidrido relacionados Cp * Ir (CO) HR, onde R = ciclohexil e neopentil, respectivamente. No último exemplo, presume-se que a reação prossiga por meio da adição oxidativa de alcano a um intermediário de irídio (I) de 16 elétrons, Cp * Ir (CO), formado por irradiação de Cp * Ir (CO) 2 .

Ativação de C – H por Bergman et al. (esquerda) e Graham et al.

A ativação seletiva e funcionalização de ligações C – H de alcano foi relatada usando um complexo de tungstênio equipado com ligantes pentametilciclopentadienil , nitrosil , alil e neopentil, Cp * W (NO) (η 3 -alil) (CH 2 CMe 3 ).

Ativação C – H do pentano, como visto em Ledgzdins et al., J. Am.  Chem.  Soc.  2007;  129, 5372–3.

Em um exemplo envolvendo este sistema, o alcano pentano é seletivamente convertido no halocarbono 1-iodopentano . Esta transformação foi alcançada através da termólise de Cp * W (NO) (η 3 -alil) (CH 2 CMe 3 ) em pentano à temperatura ambiente , resultando na eliminação de neopentano por um processo de pseudo-primeira ordem, gerando um indetectável eletronicamente e intermediário de 16 elétrons estericamente insaturado que é coordenado por um ligante η 2 - butadieno . A ativação intermolecular subsequente de uma molécula de solvente de pentano então produz um complexo de 18 elétrons que possui um ligante n- pentil. Em uma etapa separada, a reação com iodo a −60 ° C libera 1-iodopentano do complexo.

Ativação direcionada de CH

A ativação de CH dirigida, assistida por quelação ou "guiada" envolve o direcionamento de grupos que influenciam a região e a estereoquímica. Este é o estilo mais útil de ativação de CH em síntese orgânica. A N, N-dimetilbenzilamina sofre ciclometalação prontamente por muitos metais de transição. Uma implementação semi-prática envolve grupos de direção de coordenação fraca, como ilustrado pela reação Murai .

Reação de Murai; X = grupo de direção .

O mecanismo para as reações de ativação CH catalisadas por Pd de 2-fenilpiridina envolve um intermediário de metalaciclo. O intermediário é oxidado para formar uma espécie de Pd IV , seguido por eliminação redutiva para formar a ligação CO e liberar o produto.

Mecanismo para ativação de CH catalisada por Pd

Borylation

A transformação de ligações CH em ligações CB por meio da borilação foi exaustivamente investigada devido à sua utilidade na síntese (ou seja, para reações de acoplamento cruzado). John F. Hartwig relatou uma borilação de areno e alcano altamente regiosseletiva catalisada por um complexo de ródio. No caso dos alcanos, foi observada funcionalização terminal exclusiva.

Borilação Hartwig

Posteriormente, foi descoberto que os catalisadores de rutênio tinham maior atividade e compatibilidade de grupo funcional.

Borilação à base de catalisador Ru

Outros catalisadores de borilação também foram desenvolvidos, incluindo catalisadores à base de irídio, que ativam com sucesso ligações CH com alta compatibilidade.

Para obter mais informações, consulte a borilação .

Gás natural

O metano de ocorrência natural não é utilizado como matéria-prima química, apesar de ser abundante e de baixo custo. A tecnologia atual faz uso prodigioso do metano por reforma a vapor para produzir gás de síntese , uma mistura de monóxido de carbono e hidrogênio. Esse gás de síntese é então usado em reações de Fischer-Tropsch para fazer produtos de cadeia de carbono mais longa ou metanol, uma das mais importantes matérias-primas químicas industriais. Um método intrigante para converter esses hidrocarbonetos envolve a ativação de CH. Roy A. Periana , por exemplo, relatou que complexos contendo metais de transição tardios, como Pt , Pd , Au e Hg , reagem com metano (CH 4 ) em H 2 SO 4 para produzir bissulfato de metila . O processo, entretanto, não foi implementado comercialmente.

Ativação do C – H Bond Periana 1998

Ativações CH assimétricas

O metilfenildiazoacetato é o precursor para a ativação assimétrica de CH via doador-aceitador carbeno usando um catalisador de diródio quiral.

A síntese total de ácido litospérmico emprega o estágio final da funcionalização CH guiada para um sistema altamente funcionalizado. O grupo de direcionamento, uma imina quiral não racêmica, é capaz de realizar uma alquilação intramolecular, que permite a conversão catalisada por ródio da imina em dihidrobenzofurano.

Etapa chave na síntese de ácido litospérmico

A síntese total de calotrixina A e B apresenta uma reação de acoplamento cruzado catalisada por Pd intramolecular via ativação CH, um exemplo de ativação CH guiada. O acoplamento cruzado ocorre entre as ligações aril CI e CH para formar uma ligação CC. A síntese de um análogo da mescalina emprega a anulação enantiosseletiva catalisada por ródio de uma arilimina por meio de uma ativação CH.

Mescalineprep.jpg

Veja também

Avaliações mais antigas

Pré-2004
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Fontes adicionais

Referências