¿La tautomerización carbonil-enol es sólo intermolecular o puede ser intramolecular?

Question

Durante el desarrollo de una reacción de adición conjugada, es probable que la protonación se produzca en el oxígeno del enolato formado. Véase la discusión aquí: ¿Los enolatos se protonan en el átomo de carbono o de oxígeno? En esa discusión, se dice esencialmente "El oxígeno está probablemente protonado, pero realmente no importa". Sin embargo, creo que esto podría ser importante en determinados casos, específicamente en la protonación de enolatos con caras diastereotópicas (lo que no es tan raro). Pero esto depende sobre todo de si la tautomerización puede ocurrir intramolecularmente.

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Un ejemplo de lo que quiero decir:

Este es un ejemplo que me acabo de inventar. Esta reacción probablemente no sucedería realmente así. En realidad, yo podría ver algunos -deprotonation sucediendo.

En esta reacción, se forma un centro quiral y un enolato, y el átomo que más probablemente se protonará al añadir un ácido es el oxígeno:

Ese enol podría pasar a formar uno de dos productos. La reacción intramolecular, creo, probablemente daría mucho más del producto termodinámico (mostrado abajo) que una reacción intermolecular, aunque no estoy seguro de ello. Las reacciones aquí están simplificadas; me doy cuenta de que ambas darían probablemente alguna mezcla de los dos productos:

Creo que el intermediario de cuatro miembros necesario para la reacción intramolecular será demasiado tenso para que esto ocurra. Me doy cuenta de que en solución básica o ácida, la catálisis se producirá, ya que el Página de Wikipedia menciones. Supongo que la mejor manera de formular mi pregunta es la siguiente: En la hipotética situación de que una molécula de éster enol (como la que se muestra arriba como producto de la O-protonación) se disolviera en hexano puro, ¿se quedaría esa molécula en la forma enol o podría reorganizarse? Me doy cuenta de que esto es más factible con un dienol, pero estoy tratando específicamente de averiguar si el enol puede hacer esto.

Por el bien de esta pregunta, ignora la basicidad del nitrógeno. Tal vez debería haber utilizado el anión difenilmetano o algo así. No importa, tampoco alcanzaría al protón.

Answer 1

Tl;dr: La variante intramolecular es un reordenamiento imposible. Sólo puede observarse la transferencia intermolecular de protones.

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En realidad, este es un buen ejemplo para debatir reordenamientos sigmatrópicos porque el arreglo [1,3] deseado sería uno. En general, se puede proceder de cuatro formas posibles, dependiendo de la configuración del grupo migrante y de si permanece o no en el mismo lado del sistema π. Tendríamos que dibujar esquemas orbitales para determinar si el orbital del grupo migrante es capaz o no de interactuar favorablemente tanto con el punto de origen como con el de llegada.

En cuanto a la configuración, las dos posibilidades son:

• migración bajo retención
• migración por inversión

Una migración bajo retención siempre es posible porque el lóbulo del orbital correspondiente ya apunta hacia el sistema π por el que está migrando. Una migración bajo inversión sólo es posible si el orbital (atómico) cuyo enlace se rompe y posteriormente se vuelve a formar tiene lóbulos en dos lados diferentes; normalmente, para los átomos que migran, esto significa a $\mathrm p$ orbital.

En el caso de un desplazamiento de protón, debemos considerar un átomo de hidrógeno. Su único orbital ocupado a través del cual se une a la cadena de carbono es $\mathrm{1s}$ . Este orbital no tiene dos lóbulos, por lo que es imposible un mecanismo de reordenación bajo inversión; sólo tenemos que considerar los mecanismos de retención.

Con respecto al sistema π, las dos posibilidades son:

• suprafacial (permaneciendo en el mismo lado)
• antarafacial (cambiar de lado)

Una vez más, una migración suprafacial es prácticamente siempre posible. Para que se considere una migración antarafacial, la cadena debe ser lo suficientemente flexible como para que ambos lados puedan interactuar con el grupo que migra; lo ideal sería al mismo tiempo.

Dado que los experimentos mentales son bastante difíciles de realizar, aquí tienes algunas representaciones para hacerlo más fácil.

Figura 1: Migraciones de hidrógeno suprafaciales [1,5] (izquierda) y antarafaciales [1,7] (derecha). El orbital π representado corresponde al HOMO de un sistema π completo que incluye el $\ce{C-H}$ bono.

En general, el sistema π completo y el vecino $\ce{C-H}$ vínculo que se va a romper debe considerarse como lo he hecho en la figura 1. Este sistema π se puede elaborar con las reglas estándar para sistemas π lineales. En la disposición [1,5], el sistema es penta-2,4-dien-1-ilo, mientras que en el caso [1,7] es hepta-2,4,6-trien-1-ilo. El $\ce{C-H}$ se considera parte del sistema π, siendo el protón el grupo que migra. Por lo tanto, el HOMO (el orbital de importancia) será el que esté en cuestión. (Si el $\ce{C-H}$ se considera parte del hidrógeno, debemos considerar el LUMO del sistema π, lo que significa que el orbital seguirá siendo el mismo. Siempre debemos tener un orbital ocupado y uno desocupado para su consideración).

La imagen nos muestra que la migración [1,5]-sobre dos dobles enlaces- sólo puede producirse de forma suprafacial con hidrógeno. Si tuviéramos un grupo capaz de invertir, sería posible una forma antarafacial dada la geometría correcta. En el caso de [1,7] -sobre tres dobles enlaces-, el hidrógeno sólo puede migrar de manera antarafacial bajo retención; la única manera suprafacial posible sería bajo inversión, lo que el hidrógeno no puede hacer.

Esto se ha convertido en una regla general: Si su migración es [1, $4n+1$ ], puede proceder suprafacial bajo retención pero si es [1, $4n+3$ ] debe proceder de forma antarafacial. En el caso [1,3]-, sólo la migración antarafacial sería posible, pero no hay manera de que el sistema π puede torcer por lo que permitiría la migración antarafacial. El orbital π en cuestión se muestra en la figura 2 a continuación.

Figura 2: El orbital π relevante para una migración [1,3].

Por lo tanto, una transferencia intramolecular de protones es imposible y una fuente externa tendría que protonar.

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Una cosa a tener en cuenta: la molécula sí mismo es capaz de deprotonar/reprotonar otro molécula de su tipo intermolecularmente. De este modo, el compuesto no quedaría atrapado en la forma enol, sino que una segunda molécula proporcionaría el protón tan deseado para permitir la regeneración de la forma ceto, incluso en hexano puro (si es que es soluble en él).

Answer 2

Esta es una situación muy hipotética, pero digamos que se obtiene ese enol, y se disuelve en un disolvente aprótico, y que el enol es de mayor energía que la cetona, Yo pensaría que una segunda molécula actuaría como la base y enviar su producto al estado de menor energía. No hay necesidad de que esto sea intramolecular, ya que el Pka de un enol es exactamente el mismo que el Pka del otro enol, intercambiarán protones libremente hasta el punto en que obtendrás protonación en el carbono.