Reacción de inserción

Una reacción de inserción es una reacción química en la que una entidad química (una molécula o fragmento molecular) se interpone en un enlace existente , generalmente de una segunda entidad química, por ejemplo :

${\displaystyle {\color {red}{\ce {A}}}+{\color {blue}{\ce {B-C}}}\longrightarrow {\color {blue}{\ce {B}}-}{\color {red}{\ce {A}}}{\color {blue}{\ce {-C}}}}$

El término solo se refiere al resultado de la reacción y no sugiere un mecanismo . Las reacciones de inserción se observan en química orgánica , inorgánica y organometálica . En los casos en que interviene un enlace metal- ligando en un complejo de coordinación , estas reacciones suelen ser de naturaleza organometálica e implican un enlace entre un metal de transición y un carbono o hidrógeno . ^{[ 1 ]} Generalmente se reserva para el caso en que el número de coordinación y el estado de oxidación del metal permanecen inalterados. ^{[ 2 ]} Cuando estas reacciones son reversibles, la eliminación de la molécula pequeña del enlace metal-ligando se denomina extrusión o eliminación.

Existen dos geometrías de inserción comunes: 1,1 y 1,2 (como se muestra en la imagen superior). Además, la molécula insertada puede actuar como nucleófilo o electrófilo respecto al complejo metálico. ^{[ 2 ]} Estos comportamientos se analizarán con mayor detalle para el CO (comportamiento nucleofílico) y el SO₂ ₍ comportamiento electrófilo).

Las reacciones de homologación, como la homologación de ésteres de Kowalski ^{[ 3 ],} proporcionan ejemplos sencillos de procesos de inserción en síntesis orgánica. En la reacción de Arndt-Eistert , ^{[ 4 ] [ 5 ]} se inserta una unidad de metileno en el enlace carboxilo -carbono del ácido carboxílico para formar el siguiente ácido de la serie homóloga . Organic Syntheses proporciona el ejemplo de la fenilalanina ( S ) -fenilalanina protegida con t-BOC (ácido 2-amino-3-fenilpropanoico) que reacciona secuencialmente con trietilamina , cloroformiato de etilo y diazometano para producir la α-diazocetona , que luego reacciona con trifluoroacetato de plata/trietilamina en solución acuosa para generar la forma protegida con t -BOC del ácido ( S )-3-amino-4-fenilbutanoico. ^{[ 6 ]}

Mecanísticamente, ^{[ 7 ]} la α-diazocetona sufre un reordenamiento de Wolff ^{[ 8 ] [ 9 ]} para formar un ceteno en un reordenamiento 1,2 . En consecuencia, el grupo metileno α- al grupo carboxilo en el producto es el grupo metileno del reactivo de diazometano. Se ha demostrado que el reordenamiento 1,2 conserva la estereoquímica del centro quiral, ya que el producto formado a partir de ( S )-fenilalanina protegida con t -BOC retiene la estereoquímica ( S ) con un exceso enantiomérico reportado de al menos 99%. ^{[ 6 ]}

Una transformación relacionada es la reacción de Nierenstein, en la que un grupo metileno de diazometano se inserta en el enlace carbono-cloro de un cloruro de ácido para generar una α-clorocetona. ^{[ 10 ] [ 11 ]} Un ejemplo, publicado en 1924, ilustra la reacción en un sistema de cloruro de benzoílo sustituido : ^{[ 12 ]}

Quizás sorprendentemente, la α-bromoacetofenona es el producto minoritario cuando esta reacción se lleva a cabo con bromuro de benzoílo , siendo el dioxano dimérico el producto mayoritario. ^{[ 13 ]} Las azidas orgánicas también proporcionan un ejemplo de una reacción de inserción en síntesis orgánica y, como los ejemplos anteriores, las transformaciones proceden con pérdida de gas nitrógeno . Cuando la azida de tosil reacciona con norbornadieno , tiene lugar una reacción de expansión de anillo en la que un átomo de nitrógeno se inserta en un enlace carbono-carbono α- a la cabeza del puente: ^{[ 14 ]}

El reordenamiento de Beckmann ^{[ 15 ] [ 16 ]} es otro ejemplo de una reacción de expansión de anillo en la que se inserta un heteroátomo en un enlace carbono-carbono. La aplicación más importante de esta reacción es la conversión de ciclohexanona en su oxima, que luego se reordena en condiciones ácidas para proporcionar ε- caprolactama ^{[ 17 ]} , la materia prima para la fabricación de Nylon 6. La producción anual de caprolactama supera los 2 mil millones de kilogramos. ^{[ 18 ]}

Los carbenos experimentan reacciones de inserción tanto intermoleculares como intramoleculares . Las fracciones de ciclopenteno se pueden generar a partir de cetonas de cadena suficientemente larga mediante reacción con trimetilsilildiazometano , (CH ₃ ) ₃ Si–CHN ₂ :

Aquí, el carbeno intermedio se inserta en un enlace carbono-hidrógeno para formar el enlace carbono-carbono necesario para cerrar el anillo de ciclopenteno. Las inserciones de carbeno en enlaces carbono-hidrógeno también pueden ocurrir de forma intermolecular:

Los carbenoides son intermedios reactivos que se comportan de manera similar a los carbenos. ^{[ 19 ]} Un ejemplo es el reactivo carbenoide de cloroalquillitio preparado in situ a partir de un sulfóxido y t -BuLi que se inserta en el enlace carbono-boro de un éster borónico de pinacol : ^{[ 20 ]}

Muchas reacciones en química organometálica implican la inserción de un ligando (L) en un enlace metal-hidruro o metal-alquilo/arilo. Generalmente, es el grupo hidruro, alquilo o arilo el que migra hacia L, que suele ser CO, un alqueno o un alquino.

La inserción de monóxido de carbono y alquenos en enlaces metal-carbono es una reacción ampliamente explotada con importantes aplicaciones industriales. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

Estas reacciones están sujetas a los parámetros habituales que afectan a otras reacciones en química de coordinación, pero los efectos estéricos son especialmente importantes para determinar la estereoquímica y la regioselectividad de las reacciones. La reacción inversa, la desinserción de CO y alquenos, también reviste una importancia fundamental en muchos ciclos catalíticos.

Las aplicaciones más utilizadas de la inserción migratoria de grupos carbonilo son la hidroformilación y la producción carbonilativa de ácido acético. La primera convierte alquenos, hidrógeno y monóxido de carbono en aldehídos. La producción de ácido acético por carbonilación se lleva a cabo mediante dos procesos industriales similares. El más tradicional es el proceso de ácido acético de Monsanto , basado en rodio , pero este proceso ha sido reemplazado por el proceso Cativa, basado en iridio . ^{[ 23 ] [ 24 ]} En 2002, la producción anual mundial de ácido acético alcanzó los 6 millones de toneladas, de las cuales aproximadamente el 60% se produjo mediante el proceso Cativa. ^{[ 23 ]}

El ciclo catalítico del proceso Cativa , mostrado arriba, incluye etapas de inserción y desinserción. La reacción de adición oxidativa del yoduro de metilo con ( 1 ) implica la inserción formal del centro de iridio(I) en el enlace carbono-yodo, mientras que la etapa ( 3 ) a ( 4 ) es un ejemplo de inserción migratoria de monóxido de carbono en el enlace iridio-carbono. La especie catalítica activa se regenera mediante la eliminación reductiva del yoduro de acetilo de ( 4 ), una reacción de desinserción. ^{[ 23 ]}

La inserción de etileno y propileno en alquilos de titanio es la piedra angular de la catálisis Ziegler-Natta , la ruta comercial para la producción de polietileno y polipropileno. Esta tecnología involucra principalmente catalizadores heterogéneos, pero se asume ampliamente que los principios y observaciones sobre sistemas homogéneos son aplicables a las versiones en estado sólido. Entre las tecnologías relacionadas se encuentra el Proceso de Olefinas Superiores de Shell , que produce precursores de detergentes . ^{[ 25 ]} La olefina puede coordinarse con el metal antes de la inserción. Dependiendo de la densidad de ligandos del metal, puede ser necesaria la disociación de ligandos para proporcionar un sitio de coordinación para la olefina. ^{[ 26 ]}

Muchos óxidos electrófilos se insertan en los enlaces metal-carbono; entre ellos se incluyen el dióxido de azufre , el dióxido de carbono y el óxido nítrico. Estas reacciones tienen una importancia práctica limitada, pero revisten interés histórico. Con los alquilos de metales de transición, estos óxidos se comportan como electrófilos y se insertan en el enlace entre los metales y sus ligandos alquilo relativamente nucleófilos. Como se analiza en el artículo sobre complejos de dióxido de azufre metálico , la inserción de SO₂ _se ha estudiado con especial detalle.

Los metales electropositivos como el sodio, el potasio, el magnesio, el zinc, etc., pueden insertarse en haluros de alquilo, rompiendo el enlace carbono-haluro (el haluro puede ser cloro, bromo o yodo) y formando un enlace carbono-metal. Esta reacción se produce mediante un mecanismo de transferencia de un solo electrón (SET ). Si el magnesio reacciona con un haluro de alquilo, forma un reactivo de Grignard ; si reacciona el litio, se forma un reactivo de organolitio . Por lo tanto, este tipo de reacciones de inserción tiene importantes aplicaciones en la síntesis química .