Si SOCl2 reacciona con alcoholes a través de SNi, ¿por qué no lo hace POCl3?

Question

Un poco de seguimiento a ¿Por qué se prefiere el cloruro de tionilo para preparar cloruros de alquilo a partir de alcoholes?.

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La reacción con $\ce{SOCl2}$ también se utiliza en lugar de $\ce{PCl3}$ y $\ce{PCl5}$ cuando se requiere la retención de la estereoquímica. El tricloruro de fósforo y el pentacloruro de fósforo conducen a la inversión.

El mecanismo procede a través de una vía $\mathrm{SN_i}$, o sustitución nucleofílica interna. Esta etapa se ha resaltado en rojo; un par iónico íntimo$^{[\text{ver abajo}]}$ se muestra entre corchetes. Agregar un disolvente nucleofílico como la piridina aumenta considerablemente la inversión con $\ce{SOCl2}$ a través de un ataque al átomo de azufre. Las marcas verdes indican el bloqueo de la sustitución intramolecular; el azul es para la inversión.

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• Hasta donde sé, $\ce{POCl3}$ no se ha observado siguiendo un mecanismo de $\mathrm{SN_i}$ (incluso sin piridina). ¿Por qué?

Si es posible, proporcione una razón mecanística cualitativa. Algo que se pueda explicar fácilmente golpeando la mesa. Independientemente de si este enfoque se puede lograr, las respuestas cuantitativas (de cálculo) también son bienvenidas.

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Referencias que discuten la formación de pares iónicos íntimos

• F. A. Carey, R. J. Sundberg. $(2007)$. Química Orgánica Avanzada Parte A: Estructura y Mecanismos, $4$a edición, pp 269$-$276. ISBN: 0-306-46242-7
• W. A. Hughes, E. D. Cowdrey, C. K. Ingold, S. Masterman, A. D. Scott. 'El Mecanismo de Reacciones de Eliminación. Parte 1. Formación de Olefinas Unimoleculares a Partir de Haluros de Alquilo en Dióxido de Azufre y Ácido Fórmico'. Journal de la Sociedad Química, $(1937)$, 1271$-$1277. DOI: 10.1039/JR9370001271
• E. S. Lewis, C. E. Boozer. 'Cinética y Estereoquímica de la Descomposición de Clorosulfitos de Alquilo Secundario'. Journal de la Sociedad Química Americana, $(1952)$, 74, 308$-$311. DOI: 10.1021/ja01122a005
• D. J. Cram. 'Estudios en Estereoquímica. XVI. Intermediarios Iónicos en la Descomposición de Ciertos Clorosulfitos de Alquilo'. Journal de la Sociedad Química Americana, $(1953)$, 75, 332$-$338. DOI: 10.1021/ja01098a024
• C. C. Lee, A. J. Finlayson. 'Reordenamiento en la Reacción Entre Cloruro de Tionilo y $3$-Metil-$2$-Butanol. Revista Canadiense de Química, $(1961)$, 39(1): 260$-$261. DOI: 10.1139/v61-030
• C. C. Lee, J. W. Clayton, D. G. Lee, A. J. Finlayson. 'Estudios de Reordenamiento Con $\ce{^14C-XIII}$: La Descomposición Térmica de $1$-$\ce{^14C}$-$2$-Butil Clorosulfito'. Tetrahedron, $(1962)$, 18 1395$-$1402. DOI: 10.1021/ja01098a024
• H. Patin, G. Mignani, C. Mahe, J-Y. Le Marouille, A. Benoit, D. Grandjean. 'Ferroceniltritio carbonatos: I. Acceso directo desde -ferrocenilcarbinoles por un mecanismo de $\mathrm{SN_i}$. Determinación de la estructura de rayos X absoluta de (R)-ferrocenilmetilmetano S-metil-tritio carbonato'. Revista de Química Organometálica, $(1980)$, 193, 1, 93$-$103. DOI: 10.1016/S0022-328X(00)86079-9
• J. L. Kice, G. C. Hanson. 'Mecanismos de reacciones SNi. Efecto de la estructura del grupo aralquilo en el retorno del par iónico en la descomposición de tiocarbonatos aralquilo'. Journal de la Sociedad Química Americana, $(1973)$, 38 (7), 1410$-$1415. DOI: 10.1021/jo00947a037
• M. B. Smith. $(2013)$. Química Orgánica Avanzada de March: Reacciones, Mecanismos y Estructura, $7$ma edición, pp 311, 486$-$487, 490, 598, 1316. ISBN: 978-0-470-46259-1
• _{<em>El mecanismo $\mathrm{SN_i}$ (sustitución nucleofílica interna): retención de configuración</em>. <a href="https://www.docenti.unina.it/downloadPub.do?tipoFile=md&amp;id=566332" rel="noreferrer">Presentación en PowerPoint</a>, Università degli Studi di Napoli Federico II.}
• _{James. <em>$\ce{SOCl2}$ y el Mecanismo $\mathrm{SN_i}$</em>. Master Organic Chemistry, <em>Alcoholes</em>. <a href="http://www.masterorganicchemistry.com/2014/02/10/socl2-and-the-sni-mechanism/" rel="noreferrer">página web</a>}

Answer 1

El paso en el cuadro rojo está mal. Probablemente obtendrás disociación para formar un par de iones. El par se colapsa rápidamente, lo que conduce al ataque de cloruro sobre el catión antes de que ocurra cualquier disociación o difusión para que obtengas la retención de la estereoquímica.

Para la cloración basada en fósforo, este mecanismo de par de iones probablemente no sea favorable, aunque no está claro para mí por qué es así.

Answer 2

Una vez que el alcohol ataca al SOCl2, el protón en el oxígeno es más ácido porque S es más electronegativo que P.

Lo que probablemente está sucediendo es que R-OH-SOCl tiene un pKa más bajo que 5.2 (el pKa del ácido conjugado de la piridina), lo que le da tiempo al cloro para llevar a cabo un ataque nucleofílico.

Luego, R-OH-POCl2 debería tener un pKa lo suficientemente cercano a 5.2 como para que el equilibrio resulte en una concentración lo suficientemente baja de R-O-POCl2 desprotonado como para que el Cl- no pueda encontrarlo. Dado que la reacción de eliminación es prácticamente irreversible, todo el R-OH-SOCl será consumido mucho antes de que el Cl- tenga la oportunidad de encontrar algo con lo que reaccionar.

Answer 3

Descargo de responsabilidad: No tengo ninguna cita/referencia de libros con respecto a esta respuesta. Mi maestro me enseñó el mecanismo $S_{N^i}$ de esta manera.

Entonces, llegando a tu pregunta "¿Por qué $POCl_3$ no da un producto de retención como $SOCl_2$?"

En primer lugar, estoy de acuerdo con la respuesta de zhe que el paso mostrado en el cuadro rojo está equivocado, ya que si hubiera sucedido, se habría formado una mezcla racémica o un producto invertido.

El mecanismo contado por mi maestro:

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Como puedes ver, se forma un 4 MCTS cuando el Cloro se une a R. Debido a esto, la configuración del centro quiral se mantiene ya que en el MCTS planar, el cloro debe atacar desde el mismo lado donde $-OSO$ se va.

Sin embargo, este 4 MCTS no se forma en el caso de $POCl_3$ ya que en este estado de transición, el Fósforo tendría que estar unido para hacer 6 enlaces (lo cual es super altamente inestable)

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Debido a esto, la configuración no puede ser mantenida.