Efectos estereoelectrónicos en la torquoselectividad de la apertura electrocíclica 4π

Question

Se sabe que las aperturas térmicas de anillos electrocíclicos 4π de los ciclobutenos para formar butadienos proceden de forma conrotatoria, en consonancia con la Reglas Woodward-Hoffmann . Sin embargo, existen dos modos conrotatorios diferentes que pueden dar lugar a productos isoméricos si el ciclobuteno está convenientemente insimétricamente sustituido. Torquoselectividad se refiere a la selectividad que surge debido a la preferencia de un modo conrotatorio sobre el otro.

El grupo Houk ha reportado algunos ejemplos de aperturas de anillos 4π contraintuitivos 1,2 (teniendo en cuenta simplemente las interacciones estéricas, el grupo más grande generalmente quiere moverse hacia fuera). En ambos casos sólo se forma un isómero del producto.

¿Por qué se observa esta selectividad?

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Referencias

1. Houk, K. N.; Spellmeyer, D. C.; Jefford, C. W.; Rimbault, C. G.; Wang, Y.; Miller, R. D. Electronic control of the stereoselectivities of electrocyclic reactions of cyclobutenes against incredible steric odds. J. Org. Chem. 1988, 53 (9), 2125-2127. DOI: 10.1021/jo00244a058 .

2. Rudolf, K.; Spellmeyer, D. C.; Houk, K. N. Predicción y verificación experimental de la electrociclización estereoselectiva del 3-formilciclobuteno. J. Org. Chem. 1987, 52 (16), 3708-3710. DOI: 10.1021/jo00392a047 .

Answer 1

La torquoselectividad de las reacciones anteriores viene dictada por los efectos estereoelectrónicos, que (en este caso) son lo suficientemente significativos como para primar sobre los efectos estéricos. En general, que dona electrones sustituyentes (por ejemplo, OMe, OTMS, ...) prefieren moverse hacia el exterior y aceptando electrones sustituyentes (por ejemplo, CHO) prefieren moverse hacia el interior .

Esto puede entenderse considerando los orbitales de frontera en el estado de transición de la apertura conrotatoria, tal y como explicó el grupo Houk en publicaciones anteriores 1,2 (de hecho, las reacciones indicadas anteriormente se llevaron a cabo para proporcionar una verificación experimental de sus predicciones teóricas). A continuación se ofrece un diagrama de correlación orbital más preciso para la reacción (modificado a partir de la referencia 2 para incluir los diagramas de las MO relevantes):

Una breve explicación es la siguiente. A medida que la reacción avanza, el enlace C-C σ del reactivo se estira y, en consecuencia, el orbital σ* se desestabiliza inicialmente con fuerza (su energía aumenta rápidamente). Sin embargo, en un punto cercano al estado de transición, se acerca lo suficiente en energía al orbital π* como para que pueda producirse la mezcla de orbitales; esta mezcla conduce a la estabilización y eventual "evolución" hacia el HOMO del butadieno.

Por lo tanto, en el estado de transición, el HOMO es mayoritariamente de tipo σ, y el LUMO de tipo σ*; esto también se verificó computacionalmente (detalles en la ref. 2). Estos orbitales de frontera tienen la simetría correcta para interactuar con los orbitales de tipo pi de los sustituyentes. Para los sustituyentes donantes, como OMe, estos orbitales están llenos (par solitario en el oxígeno); para los sustituyentes aceptores, como CHO, estos orbitales están vacíos (C=O π* de baja altitud).

Los orbitales punteados en el siguiente diagrama representan las posiciones de estos orbitales en el TS para ambos casos de rotación hacia afuera y hacia adentro. En el caso de la rotación hacia fuera, el orbital del sustituyente sólo puede interactuar con el lóbulo de C-3 que está en estrecha proximidad espacial; sin embargo, en el caso de la rotación hacia dentro, el orbital del sustituyente puede interactuar con los lóbulos de C-3 y C-4.

En general, la interacción de un orbital lleno y un orbital no lleno conduce a la estabilización, mientras que la interacción de dos orbitales llenos conduce a la desestabilización. La torquoselectividad viene determinada por la maximización de la primera y la minimización de la segunda. Si la interacción con el lóbulo de C-4 conduce a la desestabilización, la rotación hacia el interior se verá desfavorecida, y viceversa.

Para un sustituto donante:

• Rotación hacia adentro disminuye la interacción estabilizadora entre el orbital donante y el LUMO del TS, ya que el lóbulo en C-4 es de fase opuesta al lóbulo en el orbital donante, lo que lleva a un menor solapamiento entre los dos orbitales.
• Rotación hacia adentro aumenta la interacción desestabilizadora entre el orbital donante y el HOMO del TS, ya que el lóbulo en C-4 es de la misma fase que el lóbulo en el orbital donante, lo que lleva a un solapamiento más fuerte.

Basándose en estas razones, sustituyentes donantes generalmente prefieren rotar hacia el exterior . En el caso del OH, esta preferencia se calculó en la friolera de 16,4 kcal/mol. 3

En el caso de los sustituyentes aceptores, la interacción con el LUMO no es relevante, ya que la interacción de dos orbitales sin rellenar no conduce a ninguna estabilización. Sin embargo, la rotación hacia el interior maximiza la interacción estabilizadora con el HOMO, ya que ésta se ve reforzada por el solapamiento con el lóbulo de C-4. Por lo tanto, aceptador Los sustituyentes generalmente prefieren rotar hacia el interior . Esta preferencia, sin embargo, es notablemente menor que en el caso de los sustituyentes donadores, quizás porque sólo hay un factor que sesga el curso de la reacción (frente a dos en el caso de los sustituyentes donadores). Experimentalmente, hay menos ejemplos de torcoselectividad con sustituyentes que aceptan electrones, y para la segunda reacción mencionada, se calculó que la preferencia por la rotación hacia dentro del grupo formilo era mucho más modesta: 4,5 kcal/mol. 4

Curiosamente, para el grupo ciano (-CN), se calculó una preferencia de 4,3 kcal/mol - para hacia el exterior rotación. 4 Resulta que los orbitales π donantes son más importantes que los orbitales π* aceptores, que tienen una energía relativamente alta. El grupo formilo sólo gira hacia dentro porque tiene un orbital π* excepcionalmente bajo.

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Referencias

1. Kirmse, W.; Rondan, N. G.; Houk, K. N. Stereoselective substituent effects on conrotatory electrocyclic reactions of cyclobutenes. J. Am. Chem. Soc. 1984, 106 (25), 7989-7991. DOI: 10.1021/ja00337a067 .

2. Rondan, N. G.; Houk, K. N. Theory of stereoselection in conrotatory electrocyclic reactions of substituted cyclobutenes. J. Am. Chem. Soc. 1985, 107 (7), 2099-2111. DOI: 10.1021/ja00293a046 .

3. Houk, K. N.; Spellmeyer, D. C.; Jefford, C. W.; Rimbault, C. G.; Wang, Y.; Miller, R. D. Control electrónico de las estereoselectividades de las reacciones electrocíclicas de los ciclobutenos contra increíbles obstáculos estéricos. J. Org. Chem. 1988, 53 (9), 2125-2127. DOI: 10.1021/jo00244a058 .

4. Rudolf, K.; Spellmeyer, D. C.; Houk, K. N. Predicción y verificación experimental de la electrociclización estereoselectiva del 3-formilciclobuteno. J. Org. Chem. 1987, 52 (16), 3708-3710. DOI: 10.1021/jo00392a047 .