Química Organometálica

Curso Doctorado

1. Aspectos Generales

a. Regla de los 18 electrones

b. Ligandos

2. Mecanismos básicos

a. Adición oxidante

b. Eliminación reductora

c. β-Eliminación de hidruro

d. α-Eliminación de hidruro

e. Inserción de olefinas

f. Inserción de CO

g. Ataque nucleófilo a ligandos

3. Metátesis de Olefinas

4. Reacción Dötz

5. Proceso Monsanto del ácido acético

6. Acoplamientos catalizados por Pd

a. Reacción de Stille

b. Reacción de Suzuki

c. Reacción de Sonogashira

d. Reacción de Heck

e. Reacción de Negishi

f. Reacción de Sonogashira

Aspectos Generales.

La regla de los 18 electrones

La regla de los 18 electrones nos permite decider si un complejo organometálico es estable o no. Es el equivalente de la regla del octeto utilizada en química orgánica. Se trata simplemente del conteo de los electrones que se pueden acomodar en los orbitales de valencia del metal, uno s, tres p y los 5 orbitales d. Estos orbitales pueden ser enlazantes o no enlazantes, pero forman 9 orbitales accesibles de baja energía donde ese pueden acomodar 18 electrones. Saber de cuántos electrones dispone un metal nos ayuda a predecir los posibles mecanismos de reacción del metal.

Existen dos modos de contar los electrones, el método neutro o covalente y el método iónico. Aunque esto parece complicar la situación, en realidad se trata de dos formas equivalentes de llegar el mismo resultado.

Ligandos más comunes y su donación electrónica

En la siguiente tabla se muestran los ligandos más comunes e química de coordinación y el número de electrones que cada uno de ellos es capaz de donar al metal. Algunos de ellos son capaces de donar diferente número de electrones. Se ilustra también la forma de contarlos en el modo iónico.

Mecanismos básicos

Adición oxidante

La adición oxidante es la adición de un complejo metálico a otra molécula durante la que el metal se oxida en dos electrones. En los ejemplos mostrados, el metal pasa del estado de oxidación x a x+2. En la mayoría de los casos se generan dos nuevos ligandos del metal. También son posibles los procesos binucleares:

Eliminación reductora

Como su nombre indica, la eliminación reductora supone la eliminación o expulsión de un ligando desde el complejo metálico, siempre que durante el proceso el metal se reduzca en dos electrones. En el ejemplo de abajo, el metal pasa de la oxidación x+2 a x y queda finalmente coordinativamente insaturado. En la ecuación 2 se muestra un caso de eliminación reductora bimolecular:

La eliminación reductora es formalmente el reverse microscópico de la adición oxidante, y ambas juntas aparecen en un gran número de ciclos catalíticos de reacciones organometálicas.

β-Eliminación de hidruro

Es uno de los procesos más comunes en química organometálica. La reacción consiste únicamente en la transferencia de un hidruro desde la posición β de un ligando al centro metálico. Aunque más común en ligandos alquilos, también puede ocurrir en ligandos alcóxido unidos a metales de transición late:

El mecanismo transcurre a través de un estado de transición de 4 centros, donde el hidruro es transferido al metal. El alqueno que se forma puede quedar coordinado al metal o ser desplazado del mismo por un ligando más coordinante.

Un requisito importante para que se produzca la eliminación es la existencia de una vacante de coordinación en el metal. Si no existe, será necesario que alguno de los ligandos coordinados al metal se displace inicialmente. Además, el metal suele presentar normalmente menos de 18 electrones, de lo contrario se formaría un hidruro metálico de 20 electrones, algo muy improbable.

El reverso microscópico de esta reacción es la inserción de hidruro en una olefina. En muchos sistemas, ambos mecanismos se encuentran en un equilibrio rápido. La β-eliminación es muy importante como paso de final de propagación de cadenas en la formación de polímeros.

Algunos sistemas que no presentan β-eliminación son los siguientes:

o Alquilos que no contienen hidrógenos en β. o Alquilos orientados de forma que el hidruro no se puede acercar al metal. o Alquilos cuya eliminación daría lugar a alquenos inestables.

α-Eliminación de hidruro

Consiste en la transferencia de un hidruro de la posición α de un ligando al centro metálico. El proceso se puede entender como una adición oxidante, puesto que el metal se oxida en dos electrones. Por esta razón, el proceso no puede ocurrir en complejos metálicos de tipo d0 or d1. En estos casos, puede ocurrir una variante denominada abstracción α, que no conlleva la oxidación del metal, sino que el hidruro es transferido a un ligando adyacente en vez de al metal.

Inserción de Olefinas

Consiste básicamente en la inserción de un doble enlace en un enlace sencillo M-H o M-C:

Es el reverse microscópico de la β-eliminación.

El estado de transición de este proceso es esencialmente una interacción agóstica entre un hidrógeno β y el alquilo que se desarrolla:

Evidencias para un estado de transición de este tipo se han obtenido por rayos X:

La inserción de olefinas en hidruros metálicos es un proceso en equilibrio. En olefinas muy electrón-atrayentes el equilibrio puede estar totalmente desplazado hacia la derecha. Hay relativamente pocos ejemplos de inserción de alquenos en enlaces metal-alquilo, sin embargo son la base de un buen número de procesos catalíticos como la polimerización de olefinas. Termodinámicamente la reacción está favorecida, en contra del caso del fromilo y de la inserción de CO. Las velocidades de inserción de olefinas en hidruros metálicos son normalmente procesos muy rápidos.

Inserción de CO

La aptitud migratoria de los grupos alquilo sigue el orden Me > Ph > benzyl. Inserciones dobles o de mayor orden son excepcionalmente raras, aunque se conocen algunos ejemplos (ver Organometallics 1992, 11, 2534):

En contraste, inserciones multiples de otros sustratos como olefinas son mucho más comunes e importantes. Se han descrito procesos en los que se da alternancia de inserciones de etileno y CO para producir copolímeros.

La insertion de CO en un enlace M-H es muy rara, debido a que los complejos formil-metal son metaestables, descomponiendo a hidruros metálicos a no ser que haya una estabilización extra del oxígeno carbonílico por un metal oxofílico como el Th (J. Am. Chem. Soc. 1981, 103, 6959):

El disolvente puede desempeñar un papel importante en las migraciones de inserción. Esto ha sido estudiado por Basolo que sugirió que la coordinación del disolvente al metal puede inducir la reacción de inserción. Esto fue confirmado por Bergman, que studio el studio estérico de disolventes en un sistema Cp-Mo (J. Am. Chem. Soc. 1981 103, 7028).

La inserción CO se puede favorecer también por oxidación del metal. En el siguiente esquema se presenta un caso en el que se da inserción promovida por transferencia electrónica. El intermedio de 17 e es muy reactivo.

Ataque nucleófilo a ligandos coordinados

Regla de Davies-Green-Mingos

Son tres reglas que se aplican consecutivamente:

Regla 1. El ataque nucleófilo ocurre preferentemente en ligandos con número de carbonos par.

Regla 2. El ataque nucleófilo ocurre preferentemente en ligandos poliénicos abiertos preferentemente frente a sistemas cerrados.

Regla 3. En el caso de ligandos abiertos de número de carbonos par el ataque nucleófilo ocurre preferentemente en las posiciones terminales; en el caso de ligandos poliénicos abiertos de número de carbonos impar, el ataque nucleófilo ocurre únicamente si el fragmento metálico LnM+ es fuertemente atractor de electrones.

Metátesis de Olefinas

El premio Nobel en Química 2005 se otorgó precisamente en este tema. La metátesis de olefinas se puede ver como una reacción en la que los dobles enlaces C-C se cortan y se vuelven a pegar de diferente manera de un mode estadístico:

Si uno de los productos es volátil (como etileno) o se puede separar fácilmente, el equilibrio se desplaza totalmente hacia la derecha. Del mismo modo, si la reacción se lleva a cabo en condiciones de furte presión de etileno, las olefinas internas se pueden converter en olefinas terminals. Hay una gran variedad de variantes que se pueden aplicar, como se discute más adelante.

Mecanismo

El mecanismo más comúnmente aceptado para la metátesis de olefinas se propuso por Chauvin y supone una cicloadición [2+2] entre un complejo alquiliden - metal de transición y la olefina para formar un intermedio de metalaciclobutano. Este ciclo se abre en la dirección opuesta par adar lugar a una nueva olefina con repcuperación del alquiliden-metal. Si este proceso se repite, se puede dar un equilibrio donde se obtengan mezclas de diferentes olefinas.

La correspondiente cicloadición entre olefinas para dar ciclobutanos está prohibida por la simetría y sólo puede ocurrir fotoquímicamente. Sin embargo, la presencia de orbitales d en el metal rompe la simetría y facilita la reacción..

Un artículo del Chemical & Engineering News titulado Olefin Methathesis: The Early Days donde se describen los primeros pasos de la historia de la metátesis y su mecanismo [Chem. & Eng. News 2002, Dec 23, 34-38].

Catalizadores

Ha habido al menos 4 diferentes generaciones de catalizadores:

1. Catalizadores heterogeneous "Black Box": Consisten en un haluro metálico de valencia alta, óxido u oxohaluro con un agente alquilante como cocatalizador, como alquilzinc o alquilaluminio. Algunos de estos catalizadores se soportan en alúmina o sílica. Ejemplos clásicos, algunos de ellos todavía en uso son: WCl6/SnMe4 y Re2O7Al2O3.

Aunque son catalizadores extremadamente activos, tienen una tolerancia demasiado baja frente a grupos funcionales por su carácter de ácido de Lewis. Una aplicación comercial todavía en uso es la reacción de ROMP de diciclopentadieno para producir plásticos duros.

2. Catalizadores basados en Titanoceno. La reacción de Cp2TiCl2 con dos equivalents de AlMe3 para dar Cp2Ti(µ-Cl)(µ-CH2)AlMe2 produce lo que se denomina normalmente reactivo de Tebbe. En presencia de una base fuerte como piridina, el reactivo es formalmente equivalente "Cp2Ti=CH2".

Estos catalizadores de Ti no son tan activos como los anteriores, pero Grubbs ha demostrado que pueden dar lugar a reacciones estequiométricas de tipo Wittig con carbonilos como cetonas, aldehidos para formar los correspondientes derivados de metileno. El mecanismo de esta reacción es idéntico al expuesto para la metátesis de olefinas excepto que el último paso no es reversible.

3. Catalizadores de Schrock W, Mo and Re: R.R. Schrock (MIT) inventó una serie amplia de catalizadores, pero el más importante de ellos es el complejo arilimido de Mo con fórmula general (Ar'N)(RO)2Mo=CHR' donde Ar' is típicamente 2,6-diisopropylphenyl, R' puede ser virtualmente cualquier sustituyente y R es neopentilo o neofilo (CMe2Ph). Son catalizadores extremadamente activos, con una capacidad de producir más de 1000 ciclos de metátesis de cis-2-penteno en menos de un minuto cuando R = CMe(CF3)2. La reactividad de estos catalizadores se puede modificar fácilmente cambiando la naturaleza del ligando alcóxido. Cuando R = tert-butyl, el complejo reacciona sólamente con olefinas cíclicas tensionadas, haciéndolo un catalizador ideal de ROMP.

Estos catalizadores presentan una Buena tolerancia hacia grupos funcionales, aunque son sensibles al aire y al agua. These catalysts have a high tolerance for functionality, although they are air and water-sensitive. Two important features of these catalysts are that they are 100% active and have been fully characterized by NMR and X-ray crystallography. The success of these catalysts stems from their coordinative and electronic unsaturation (making them electrophilic) and their bulky ligands (prevents bimolecular decomposition).

4. Catalizadores de Grubbs de Ru. A principios de los 90, Bob Grubbs (CalTech) desarrolló una serie de catalizadores de Ru que diferían de los descritos hasta aquél momento. Primeramente, el metal se encuentra en estado de oxidación bajo y está coordinado a diferentes fosfinas. Además, estos catalizadores toleran tanto las diferentes funcionalidades que algunos de ellos pueden funcionar incluso en agua y se puede trabajar con ellos al aire! En contrapartida, estos catalizadores presentan menor actividad.

Otros tipos de Metátesis de Olefinas

Ring-Closing Metathesis Polymerization (RCM)

a) Acyclic Diene Metathesis (ADMET)

El método ADMET, iniciado por Ken Wagener y Jim Boncella en la Univ. de Florida, usa alpha-omega dienos para producir polímeros. La fuerza motriz de la reacción es la eliminación de etileno del sistema, que se puede favorecer mediante una corriente de nitrógeno.

La reacción reversa (ruptura de un polímero insaturado con etileno en presencia de un catalizador de metátesis) se ha aplicado como posible método de reciclaje de neumáticos.

b) Polimerización de Acetilenos

Cuando se hace reaccionar acetileno con un alquilideno se produce una reacción [2 + 2] como en las olefinas, pero se forma un metalaciclobuteno en vez de un metalaciclobutano. Si el ciclo se abre, el resultado es un cadena de polímero:

This reaction typically only works well with 2-butyne or terminal acetylenes. Polymerization of terminal acetylenes is complicated by the potential for the R group to insert alpha or beta with respect to the metal. It is extremely

challenging to always get a beta insertion and generate a polymer with reproducible properties.

c) Homometátesis

EE

E

d) Ring-Opening Metathesis Polymerization (ROMP)

Ru

Ru

e) Cross Metathesis (CM)

R2R1 R4

R3+ R3R1 R4

R2+

Inútil cuando puede dar mezclas complejas de alquenos. Útil con etileno o con monosustituidos.

CN+

R2R1 + R1 R2+

OO

CO2Me

OO

CO2MeCN

f) Ring Closing Metathesis (RCM) Algunos ejemplos de formación de ciclos por medio de la reacción de metátesis:

O O

O O

Este método es muy útil en la síntesis de algunos productos naturales que contienen estructuras macrocíclicas, como son: muskone: utilizado en fragancias, proviene de la glándula abdominal del venado almizclero de China y Tibet. Musk deer.

O O

hidrogenación

epothilone, sintetizado por reacción de metátesis seguido de epoxidación. Hace falta el cis, la reacción da en principio 1:1. Nicolaou AC 1997, 36, 166. Danishefsky JACS 1997, 119, 2733 y 10073 Schinzer AC 1997, 36, 1101.

O

N

S

OO

HO

OH g) Ring Opening Metathesis (ROM) ejemplo de Snapper (JACS 1997, 119, 1478)

O

Fe(CO)3

OCAN

O

O O

H

h) Ring Opening Closing Metathesis (ROCM)

N

N

O

O

N

N

O

O

ROO

ROO

OO

OO

O O

O O

Últimas publicaciones: Grubbs JACS 2006, 128, 3508 Review de metátesis en síntesis: Nicolaou Angew Chem 2005, 44, 4490 Metátesis quiral La metátesis de olefinas asimétrica ha recibido un amplio interés. Básicamente consiste en la modificación de los complejos catalizadores descritos anteriormente donde se han introducido ligandos quirales unidos al metal. Hoveyda y Schrock desarrollaron varios catalizadores quirales basados en Mo (Chem Eur J 2001, 945) que produce compuestos con alto rendimiento y altas enantioselectividades en RCM y ROM asimétricas.

Más recientemente Grubbs describió el primer catalizador quiral basado en Ru (Org Lett 2001, 3225). Hoveyda también describió otro catalizador basado en el de Ru de Grubbs que contiene como ligando quiral binaftol (BINOL). Ambos sistemas dan lugar a selectividades moderadas a buenas en reacciones RCM asimétricas, y el catalizador de Hoveyda además ha sido aplicado también en ROM asimétricas. Hoveyda y Schrock han publicado varios catalizadores quirales con Mo como metal. Reacciones asimétricas que se pueden hacer con los catalizadores quirales: ARCM Asymmetric Ring Closing Metathesis

O OMo bifenil

99%ee

Ru

PCy3

I

I

NN

PhPh

N N

O

Mes

RuCl

Obinol

OO

MoN

OSi Mo binol

>99%ee

OSi

OSi

OSi

OHOSi

AROM/CM

OMOM

+

OMOMPhMo bifenil

98%ee

O OO

+Ru bifenol

85 %eeO OO

Resolución cinética

R

O

R

O O

R

Review de Hoveyda y Schrock Chemistry 2001, 7, 945 6. Metátesis de Eninos Desarrollado por Mori: Synlett 1994, 1020. Synthesis 2003, 1. Enyne Metathesis La primera metátesis de eninos catalizada por un carbine de Ru fue descrita por Mori. En esta transformación, se convierte un enino en un 1,3-dieno. La reacción se puede llevar a cabo de forma intra o intermolecular y es completamente átomo-económica. El proceso es muy general para la formación de ciclos de 5 o 6 miembros y en algunos casos se pueden mejorar los rendimientos cuando se realiza bajo atmósfera de etileno. Una aplicación interesante es la metátesis de eninos en siloxialquinos. El tratamiento del producto de reacción con HF da lugar a cetonas insaturadas. Se pueden usar alquinos simples en cross-metátesis con etileno. Se pueden obtener 1,3-dienos macrocíclicos se pueden obtener, con formación de productos exo o endo dependiendo del tamaño del ciclo. Para un número de átomos mayor a 11 se observa normalmente el doble enlace endo.

N OE

N ORu

E

N ORu

E

N ORu

EN O

E

OSiR3

RuOSiR3

Ru

R3SiO

Ru

R3SiOR3SiO

Se pueden obtener incluso compuestos tricíclicos como productos.

OSiR3OSiR3

Metátesis de alquinos. Hay varios carbenos catalizadores de metátesis de diinos, pero son diferentes de los de dienos. Mo(CO)6 (Me3CO)3W---CtBu desarrollado por Schrock El principal inconveniente de la metátesis de alquenos consiste en la falta de selectividad E/Z del doble enlace formado que se observa en muchos casos. Algunos avances en este area consisten en la introducción de catalizadores de Ru con ligandos del tipo carbeno NHC, pero la selectividad de la reación continúa siendo bastante dependiente del sustrato y es impredecible. Furstner (Angew. Chem. 1998, 1734. JACS 1999, 11108) introdujo una alternative indirecta para la formación de macrociclos con doble enlacece que

había sido usada con anterioridad en química macromolecular. Su uso en síntesis se limitaba a la cross-metátesis de alquinos para formar fenilacetilenos. La ring closing alkyne metathesis (RCAM) ofrece una aproximación directa a los cicloalquenos. La reacción es bastante general para ciclos superiors a 11 carbonos y se toleran la mayoría de los grupos funcionales. El catalizador más empleado es el complejo alquilideno de Tungsteno: (Me3CO)3W:triple:CtBu Otra alternativa es el uso de sistemas in situ, donde el catalizador activo se genera a partir de Mo(CO)6 y fenoles como aditivos. Requiere drásticas condiciones de reacción que limitan su uso cuando existen grupos funcionales sensibles. El mecanismo de reacción no está completamente estudiado.and phenol additives. La síntesis de la epothilona C representa un caso claro en el que el empleo de RCAM presenta fuertes ventajas sobre la RCM. La aplicación anterior de RCM en síntesis de epothilonas había demostrado el potencial de esta reacción en síntesis orgánica avanzada, pero estaba limitada por el problema de la falta de selectividad. Todos los ejemplos que se habían descrito daban lugar a mezclas de diastereoisómeros en el mejor de los casos y en algunos otros se obtenía únicamente el isómero E, no deseado. El uso de RCAM, combinado con una reducción con Lindlar facilitó que finalmente la epothilona C se pudiera obtener como un único diastereoisómero. Un descubrimiento reciente por Trost ha venido a ampliar las posibilidades sintéticas de la reacción de RCAM. Los alquinos pueden ser hidrosililados de forma trans con gran selectividad en presencia de (CP*Ru(MeCN))PF6. Los correspondientes vinilsilanos que se obtienen se pueden protodesililar con CuI/TBAF or AgF.

(CH2)7

OO (CH2)7

O

O

El mecanismo es similar al explicado para la metátesis de alquenos. Su mayor aplicación es la síntesis de macrociclos con dobles enlaces de estereoquímica definida. El triple enlace se puede reducir a dobles enlaces mediante hidrogenación Lindlar o a doble enlace trans por hidrosililación y protodesililación. Así se resuelve el problema de la formación del doble enlace cis de la Epothilone.

Bibliografía

• Review reciente: Olefin Metathesis: Big-Deal Reaction [Chem. & Eng. News 2002, Dec 23, 29-33].

• Más detalladamente: Olefin Metathesis and Metathesis Polymerization by J.K. Mol (Hardback / Published 1997 / 496 pages)

Reacción de Dötz

Información General

Los ligandos carbeno poseen un doble enlace metla-carbono y están estructuralmente relacionados con los complejos alquilideno. Los ligandos carbeno (B) tienen un heteroátomo a diferencia de los alquilidenos (A) que normalmente presentan un ligando carbonado en el carbono α.

Estos ligandos carbeno normalmente se denominan carbenos de Fischer en honor a E.O. Fischer, que describió el primer ejemplo en 1964 y ganó el premio nobel con Wilkinson por su trabajo pionero en el ferroceno.

Los carbenos de Fischer son típicamente ricos en electrons, contienen metales en bajo estado de oxidación (mid to late transition metals) y contienen ligandos de tipo π-aceptor. La presencia de heteroátomos en el carbono α nos permite dibujar una estructura resonante que no es posible con los ligandos alquilidenos carbonados (tipo Schrock) containing pi-acceptor ligands.

Si miramos la estructura desde una perspectiva orbitálica veremos que uno de los pares electrónicos libres se dona desde el carbeno singlete a un orbital d vacío del metal (rojo), mientras que un par de electrones del metal se retrodona a un orbital pz vacante del carbono (azul). Hay una competencia por este orbital vacío por los pares libres del heteroátomo, que produce una segunda estructura resonante. El resultado final se asemeja a la estructura del monoxido de carbono. Por ello, los ligandos carbeno se consideran neutros, en contra de los ligandos tipo Schrock que se pueden ver como dianiónicos (no poseen electrones para la retrodonación. Recuerda siempre que contar electrones es un formalismo.

La estabilización de la carga positiva parcial del ligando carbeno tiene consecuencias predecibles que aparecen en las características de reactividad y espectroscópicas.

Características estructurales y espectroscópicas

Single crystal x-ray diffraction studies confirm that the second resonance form shown above plays a major role in describing the bonding in metal carbene complexes. The metal double carbon bonds in these complexes tend to be longer than typical M=C double bonds, but shorter than M-C single bonds. Likewise, the carbon-heteroatom bond length is somewhat shorter than a typical M-E bond. For example, in the case below, a "normal" C-N bond is 145 pm:

The stronger the pi-donor on the carbene carbon, the lower the M=C bond order and lower the barrier to rotation around the M-C bond.

Proton and carbon NMR data are similar to those observed for alkylidene complexes, however, Fischer carbenes do not typically display any unusual JCH values that might indicate an agostic interaction between the carbene proton and the metal.

Fischer carbenes often contain carbonyl ligands which can provide very useful NMR and IR data.

Síntesis

Hay varios métodos sintéticos para la preparación de los ligandos tipo carbeno. Las 4 más habituales son:

1. A partir de carbonilos metálicos. Es el más método más común:

2. Activación de un complejo acilo neutral:

3. Transposición de un ligando coordinado. La tautomería de complejos acetileno terminales conduce mediante transferencia de hidruro al carbono β al vinilideno:

Los acetiluros se pueden sintetizar fácilmente desde los acetiluros de Li o SiMe3. Estas especies son muy reactivas hacia electrófilos en el carbono β, se pueden protonar o alquilar:

4. A partir de olefinas activadas, especialmente si son ricas en electrons o tensas. Esta metodología ha sido usada por Grubbs para preparar catalizadores de metátesis de olefinas:

Reactividad

Los carbenos de Fischer exhiben una reactividad muy rica y variada que se extiende más allá de los objetivos de este texto. Algunos de las reacciones más desarrolladas son las siguientes:

1. Sustitución de Heteroátomos. La naturaleza electrofílica del átomo de carbono en el carbeno de Fischer implica que el heteroátomo se puede sustituir por simple desplazamiento nucleófilo (Casey, C. P.; Shusterman, A. J. J. Mol. Catal. 1980, 8, 1):

2. Metátesis de Olefinas. Algunos carbenos de Fischer son excelentes catalizadores para la reacción de metátesis. Más comúnmente la reacción con alquenos da lugar a reacción de ciclopropanación.

3. Cyclopropanación. El intermedio metalaciclobutano que se forma durante la cicloadición [2 + 2] entre un alqueno y un carbeno se puede descomponer de varias formas. Una retro [2 + 2] da lugar a la metátesis de olefinas. Sin embargo, el metalaciclo puede evolucionar hacia la formación de un ciclopropano. (Casey et. al. J. Am Chem. Soc. 1976, 98, 608).

Estas reacciones transcurren con buenos rendimientos y son estereoespecíficas. Un ejemplo descrito por Helquist et al. J. Am. Chem. Soc. 1982, 104, 1869:

La sustitución de un ligando fosfina por un CO en la anterior reacción conduce a buenos excesos enantioméricos. Este método representa una alternativa segura para la química de ciclopropanación con diazoalcanos, que son altamente explosivos.

4. La reacción de Dötz. Consiste en la conversión de un carbeno sustituido con un fenilo, un alquino y monóxido de carbono en naftoles sustituidos en una sola etapa sintética.

El metal se puede desenganchar fácilmente del naftol tras la reacción. La química de tipo Dötz está ampliamente desarrollada y ha sido aplicada a la preparación de la Vitamina E y de varios antibióticos. Algunos estudios sugieren que la reacción se puede inhibir por exceso de fosfina o de CO, de donde se infiere que el primer paso de la reacción es la descoordinación del ligando CO. Posterior coordinación con el alquino, formación del metalaciclobuteno,

inserción del CO en el anillo, transposición del complejo π, cierre del anillo y transferencia de protón serían los siguientes pasos hacia el producto final:

Proceso Monsanto del Acido Acético

Introducción

El proceso Monsanto es el mayor proceso comercial para la preparación del ácido acético. A grandes rasgos consiste en la reacción entre metanol (generado a partir de “gas de síntesis”) y CO en presencia de un catalizador metálico. La reacción consiste en la inserción del CO en el enlace C-O del methanol, es decir, se trata de una carbonilación del metanol.

Este proceso ha desplazado completamente a otro anterior llamado proceso Wacker. Más de 1.000.000 de toneladas de ácido acético se producen anualmente por este método. La reacción es muy selective y extremadamente rápida. Ver: Adv. Organomet. Chem. 1979, 17, 255.

El catalizador

El catalizador tiene dos components, ioduro y rodio. Casi cualquier fuente de rodio y ioduro pueden funcionar y convertirse en el catalizador real del sistema, que es [Rh(CO)2I2]-.

El papel del ioduro es simplemente el de promover la conversión del methanol en ioduro de metilo, que es la especie que reacciona con el complejo metálico de Rh:

Ciclo catalítico

Una vez generado el MeI, se da una adición oxidante con [Rh(CO)2I2]-. Después, la coordinación e inserción de CO lleva a un intermedio acilo de 18 electrones donde se produce una eliminación reductora para dar idouro de acetilo con regeneración del catalizador:

Hay dos ciclos catalíticos actuando conjuntamente según este esquema. En el azul actúa el metal y en el rojo el ioduro. El ioduro de acetilo producido en el esquema azul es hidrolizado en el rojo para dar ácido acético y HI que vuelve a entrar en el ciclo convirtiendo más metanol en ioduro de metilo y cerrando el ciclo:

Por tanto, la reacción es catalítica en ambos Rh y I-.

Limitaciones

El proceso es impresionantemente eficaz, pero tiene dos pegas:

1. El Rodio es muy caro. 1 mol de of RhCl3.3H2O cuesta ~ $30,000!

2. I2 es barato ($20 por mol), pero es extremadamente corrosive, y no hay una alternative clara para reemplazarlo.

Reacciones de acoplamiento catalizadas por Pd

Existen diversas reacciones de acoplamiento para la formación de enlaces C-C de fragmentos sp2 catalizadas por Pd. Todas siguen un mismo esquema general y comparten a grandes rasgos un mecanismo similar. La diferencia entre las diferentes reacciones radica en el metal que va unido al fragmento nucleófilo. El esquema general de la reacción es el siguiente:

Dependiendo del metal las reacciones se denominan: Stille (Sn), Suzuki (B), Sonogashira (Cu-alquinos), Kumada-Corriu (Mg) y Negishi (Zn)

Reacción de Stille

Es el acoplamiento entre un haluro de carbono sp2 y un organoestannano. La reacción es catalítica en Pd puesto que el mecanismo supone un ciclo catalítico donde se alternan adición oxidante, transmetalación y eliminación reductora con recuperación del catalizador de partida.

Especialmente útil es la variante en la que en el intermedio de Pd(II) se da una inserción de CO, dando como resultado cetonas insaturadas.

Reacción de Suzuki

Es el acoplamiento entre un haluro de carbono sp2 y un organoborano. El mecanismo es similar al de la reacción de Stille:

El mecanismo de la transmetalación no está todavía suficientemente aclarado, aunque se han propuesto intermedios de Boro tipo “ate” como los siguientes:

Reacción de Sonogashira

Acoplamiento entre un haluro de C sp2 y un alquino catalizada por Pd(0) y en presencia de sales de Cu.

El mecanismo responde al siguiente ciclo catlítico:

PdL2 R

L2Pd

X

R

X

R'HEt3N +

C R'Et3NH +

Cu R'CuX

Et3NH X

L2PdR

R'

R R'

Reacción de Heck

Aunque no se trata de una reacción de acoplamiento propiamente dicha, está relacionada mecanísticamente con las anteriores. Se trata de la inserción de un haluro de fragmento carbonado sp2 en un doble enlace activado. El esquema general responde a:

El Pd se usa nuevamente en cantidades catalíticas y el mecanismo responde nuevamente a un ciclo catalítico con adición oxidante, inserción de la olefina, y β-eliminación para recuperar el Pd(0) de partida:

Es útil en reacciones de macrociclación: