Efecto de los sustituyentes en el reordenamiento óxido de areno-fenol

Question

Cuando estaba aprendiendo sobre las reacciones de los epóxidos en mi libro de texto, me encontré con el siguiente mecanismo para el reordenamiento óxido de areno-fenol en presencia de ácido:

Turno NIH - Turno del Instituto Nacional de la Salud (c.f. Wikipedia )

En el ejemplo anterior, no hay sustituyentes en el anillo y, por lo tanto, el producto final se mantiene independientemente de que $\ce{C-O}$ en el óxido de areno se escinde para abrir el anillo. Posteriormente, el autor presentó la siguiente reacción en la que el anillo tiene un grupo donador de electrones - grupo metilo:

En este caso, el producto final depende de cuál de los dos $\ce{C-O}$ los enlaces en el óxido de areno se rompen. Basándome en el mecanismo general de reacción proporcionado por el libro de texto, derivé el siguiente mecanismo para formar el producto prescrito por el autor:

Antes de escribir el mecanismo anterior, llegué a un producto diferente siguiendo el mecanismo que se indica a continuación:

La razón por la que inicialmente elegí escindir la izquierda $\ce{C-O}$ enlace en "Mecanismo de Reacción - 2" era, da lugar al carbocatión 2(a) donde el grupo metilo está en la posición para. He aprendido que el grupo metilo estabiliza una carga positiva por hiperconjugación. Dado que el efecto de resonancia se produce sólo en las posiciones orto y para y no en la posición meta, el carbocatión 2(a) es más estable que el 1(a) del "Mecanismo de Reacción - 1". Además, en el primer mecanismo, el desplazamiento del NIH implica un desplazamiento del deuterio 1,2 mientras que en el segundo es un desplazamiento del hidrógeno 1,2. Me parece que el desplazamiento de deuterio es un proceso ligeramente costoso energéticamente debido a su mayor masa y a su enlace más fuerte con el carbono en comparación con el desplazamiento de hidrógeno.

La única razón por la que creo que el primer mecanismo es mejor que el segundo es que el producto 1(b) es más estable que el 2(b). Pero no entiendo por qué no se prefiere la segunda reacción sobre la primera a pesar de que tiene dos factores que la apoyan (estabilidad de 2(a) sobre 1(a) y desplazamiento de hidrógeno sobre desplazamiento de deuterio).

Me encontré con resultados contradictorios similares al escribir los mecanismos de las siguientes reacciones (del mismo libro de texto):

Mis preguntas son:

• ¿Son correctas las reacciones proporcionadas por mi libro de texto?

• En caso afirmativo, ¿por qué la escisión de una $\ce{C-O}$ ¿se prefiere el enlace del epóxido sobre el otro aunque produzca un carbocatión comparativamente menos estable? ¿Existen otros factores que determinen qué enlace se escinde?

• ¿Es el reordenamiento fenólico del areno-óxido "específico" o altamente "selectivo"? O, en términos más sencillos, ¿el reordenamiento forma exclusivamente un solo producto o también forma alguna pequeña cantidad del otro producto?

---

Fuente de la imagen: Mi propio trabajo :) | Hecho con Marvin Sketch .
Libro de texto: Organic Chemistry by Solomons, Fryhle, and Snyder | Chapter 10: Alcohols and Ethers | Section 10.14: Reactions of Epoxides

Answer 1

Lo que dice tu libro es correcto, y el problema surgió debido a tu juicio prematuro sobre la estabilidad de los intermedios sin haberlo trabajado realmente.

En primer lugar, [1,2] los desplazamientos de Wagner-Meerwin son reordenamientos intramoleculares que se deben principalmente a cuestiones termodinámicas. Por lo tanto, si existe la posibilidad de que se forme un estado de transición cíclico razonable, la presencia del isótopo de deuterio apenas supone un gran cambio para el desplazamiento anionotrópico, especialmente porque el $\ce{C-D}$ es sólo marginalmente más fuerte que el $\ce{C-H}$ bono como se indica aquí . Por lo tanto, si hay suficiente motivación para que se produzca el reordenamiento, puede ocurrir por cualquiera de las dos vías.

Ahora bien, si se intenta dibujar las estructuras de resonancia de 1(a) y 2(a), se verá que el catión de la primera se estabiliza por el efecto +H, y no el de la segunda. La carga positiva sólo podrá alinearse adecuadamente para la hiperconjugación en 1(a) como se muestra a continuación:

Por lo tanto, el mecanismo 1 debería ser la vía preferida

Creo que la regla que expones se refiere al incremento de la densidad de electrones en las posiciones orto y para de un anillo aromático en virtud de un sustituyente metilo como se muestra a continuación:

Sin embargo, esto sólo es válido cuando la metilación se ha realizado en un anillo completamente aromático y no en algún fragmento roto del mismo.

Sólo cuando la conjugación es completa y el anillo es aromático, tiene sentido utilizar descriptores orto y para. según la definición . Cuando se considera una parte de la misma con conjugación incompleta, entonces depende bastante del esquema de enlace de la molécula actual para ver dónde se deslocaliza la carga positiva.

Los descriptores o-/p-/m- pierden su valor en estos casos, y junto con ellos, sus reglas de deslocalización también

Aclaración

Supongo que el OP también tenía alguna confusión respecto al mecanismo posterior a la formación de estos intermedios. La competencia de cada vía se produce por etapas:

1. En primer lugar, la competencia será entre la escisión de uno de los dos $\ce{C-O}$ enlaces, uno adyacente al hidrógeno y el otro adyacente al deuterio. Como el intermedio 1(a) es más estable que el 2(a) debido a las razones expuestas anteriormente, la escisión se producirá como se muestra en el segundo paso del Mecanismo de Reacción-1

   2. Ahora, el intermedio 1(a) tratará de buscar reordenamientos que generen especies que sean más favorables energéticamente. Debido a la donación de electrones (efecto +M) del hidroxilo presente adyacente a la parte catiónica en 1(a), se producirá un desplazamiento de deuterio 1,2 que llevará a la formación de 1(b) como se muestra en el tercer paso del Mecanismo de Reacción-1

Nótese que tan pronto como se produjo el paso de escisión como se ha descrito anteriormente, todas las consideraciones sobre el Mecanismo de Reacción -2 y sus intermedios después de 2(a) quedaron sin efecto. 2(a) perdió la batalla de la estabilidad contra 1(a), y después de eso, ninguno de los intermedios o productos del Mecanismo-2 importaría en absoluto