Un catalizador bimetálico construye anillos de 5 átomos de carbono

Crear anillos (carbociclos) con un esqueleto de seis átomos de carbono es un ejercicio elemental para un químico orgánico sintético. Si preguntas cómo se hace, el químico te va a responder, inevitablemente, que usando la reacción de Diels-Alder, que enlaza un 1,3-dieno con un dienófilo mediante una elegante cicloadición 4+2. Hasta ahora, no había un método análogo para crear anillos de cinco átomos de carbono. Los químicos Christopher Uyeda y You-Yun Zhou, de la Universidad de Purdue, acaban de descubrir una nueva cicloadición 4+1 que construye ciclopentenos a partir de un 1,3-dieno y un vinilideno muy reactivo.

“Esta reacción te permite acceder a ciclos de cinco de una forma directa. Hasta ahora, esto suponía un gran reto en la química de cicloadiciones,” dice Uyeda.

El ingrediente clave de la reacción es un catalizador con dos átomos de níquel muy próximos. Este catalizador bimetálico ayuda a formar la especie reactiva -el vinilideno- a partir de un 1,1-dicloroalcano, y después lo guía hasta que reacciona con el 1,3-dieno (Science 2019, DOI: 10.1126/science.aau0364).

El grupo de Uyeda lleva años diseñando ligandos que estabilicen dos átomos metálicos cuando están muy próximos. Primero usaron estos catalizadores bimetálicos de níquel para crear anillos de tres átomos de carbono mediante cicloadiciones 2+1 entre un alqueno y un vinilideno para formar metilen-ciclopropano. Cuando Uyeda y Zhou trataron de usar un 1,3-dieno en vez de un alqueno, formaron un anillo de cinco. Sorprendentemente, nunca observaron la formación de anillos de tres al trabajar con 1,3-dienos, seguramente porque es más favorable formar ciclopentanos que los metilen-ciclopropanos—unas estructuras mucho más tensionadas.

Las pruebas sugieren que la cicloadición 4+1 ocurre mediante un mecanismo por pasos, en el que los dos nuevos enlaces carbono-carbono se forman en diferentes etapas. En la reacción de Diels-Alder, sin embargo, los dos nuevos enlaces carbono-carbono se forman al mismo tiempo. Estos mecanismos diferentes hacen que las diferentes reacciones tengan ventajas e inconvenientes. Es más complicado controlar la estereoquímica de la cicloadición 4+1 en comparación con la Diels-Alder, dice Uyeda. Pero la nueva reacción funciona bien con algunos dienos que apenas reaccionan en las condiciones de Diels-Alder.

Desarrollar un catalizador específico para la cicloadición 4+1 fue la parte más complicada de toda la investigación, dice Uyeda. Los rendimientos con el primer catalizador nunca superaban el 50%, pese a los esfuerzos de Uyeda y Zhou por optimizar las condiciones de reacción. La revolución llegó cuando observamos que un ligero aumento en impedimento estérico—que conseguimos cambiando un grupo isopropilo por un ciclopentilo—mejoraba la reacción, dice Uyeda. Uyeda cree que el grupo ligeramente más voluminoso protege el vinilideno y evita su descomposición.

Kay M. Brummond, química que desarrolla reacciones orgánicas en la Universidad de Pittsburg, dice que la nueva cicloadición 4+1 “ofrece una nueva forma de sintetizar ciclopentenos polisustituidos que es muy interesante.” Añade que, dado que los precursores de esta reacción están disponibles y que las condiciones toleran diversos grupos funcionales—incluidos epóxidos, ésteres, y nitrilos—esta nueva reacción será muy útil para sintetizar moléculas complejas.

“Los anillos de cinco y seis átomos de carbono forman parte del esqueleto de muchas moléculas relevantes en biología y medicina,” añade Claude Spino, de la Universidad de Sherbrooke, especializado en síntesis orgánica. “Esta nueva adición al arsenal de métodos para cicloadiciones 4+1 me hace creer que llegará un día, muy pronto, en que será tan fácil crear anillos de cinco átomos de carbono con un método tan potente y popular como es ahora en el caso de la reacción de Diels-Alder y los anillos de seis miembros.”

Traducido al español por Fernando Gomollón-Bel para C&EN. La versión original (en inglés) de este artículo está disponible aquí.