QUÍMICAORGANOMETÁLICA

CON EJERCICIOS CORREGIDOS

Didier ASTRUCLaboratoire de Chimie Organique et Organométallique - UMR CNRS 5802

Traducción

Carmen CLAVERFacultat de Química - Universitat Rovira i Virgili - Tarragona

Beatríz ALONSOFacultat de Ciencias - Universitat Autonoma de Madrid

EDITORIAL REVERTÉ - 2003

Grenoble SciencesGrenoble Sciences persigue un triple objetivo:• producir obras que correspondan a un proyecto claramente definido, sin ceder a

modas o programas,• garantizar la calidad científica y pedagógica de las obras seleccionadas,• proponer obras a un precio accesible para un público lo más amplio posible.Los proyectos son seleccionados por Grenoble Sciences con el concurso deespecialistas que conservan su anonimato. A continuación, los autores trabajan unpromedio de un año junto a un comité de lectura interactivo cuyos miembros soncitados al comienzo de la obra. Se confía la publicación a la editorial más adecuada.

(Contacto: tel: (33)4 76 51 46 95 - Grenoble.Sciences@ujf-grenoble.fr)

Director científico de Grenoble SciencesJean BORNAREL, Profesor de la Universidad Joseph Fourier de Grenoble

Comité de lectura de “Química Organometálica”◆ Yves CHAUVIN, Director científico honorario del Instituto Francés de Petróleo◆ Robert CORRIU, Profesor de la Universidad de Montpellier 2,

miembro de la Academia de Ciencias y del Instituto Universitario de Francia◆ Jean-René HAMON, Director de Investigación CNRS, Universidad de Rennes 1◆ Henri KAGAN, Profesor de la Universidad Paris Sud - Orsay

membre de l'Académie des sciences et de l'Institut Universitaire de France◆ Paul KNOCHEL, Profesor de la Ludwig Maximilians Universität, München◆ Bernard MEUNIER, Director de Investigación CNRS, Laboratorio de Química de

Coordinación del CNRS, Toulouse, miembro de la Academia de Ciencias◆ Jean-François NORMANT, Profesor de la Universidad Pierre y Marie Curie,

miembro de la Academia de Ciencias◆ Jean-Yves SAILLARD, Profesor de la Universidad de Rennes 1◆ Jean-Pierre SAUVAGE, Director de Investigación CNRS,

Universidad Louis Pasteur de Strasbourg, miembro de la Academia de Ciencias◆ Bernard WAEGELL, Profesor de la Universidad de Aix-Marseille 3

Grenoble Sciences recibe el apoyo del Ministerio de la Juventud, de la Educacióny de la Investigación, de la Región Rhône-Alpes, del Consejo General delDepartamento del Isère y del Municipio de Grenoble.

Ilustración de la carátula por Alice GIRAUD, según E. ALONSO y D. ASTRUCJ. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 3222. : una nueva generación de catalizadores, los

metalodendrímeros, incluyendo clusters en la periferia (32 fragmentos Ru3(CO)1 1)

ISBN© EDITORIAL REVERTÉ, 2003

EXTRAITS

HISTORIA DE LA QUÍMICA ORGANOMETÁLICA 21

1961-1981 : EL DESCUBRIMIENTO DE LOS ENLACESMÚLTIPLES METAL-CARBONO Y LA EDAD DE ORO DE LACATÁLISIS

Los compuestos “moleculares” con enlace metal-metal fueron sintetizados hacemuchos años: los coloides de oro eran conocidos en la antigüedad por susaplicaciones decorativas y terapéuticas y el calomelanos fue utilizado por lo químicosen la India en el siglo XII; el enlace Hg-Hg en el ión mercurioso fue reconocido aprincipios del siglo XX. Sin embargo, en pleno desarrollo de la químicaorganometálica en los años sesenta, se desarrollaron los agregados o “clusters” decarbonilo metálicos, en particular bajo el impulso de P. Chini en Italia, E. Muetterties yL. Dahl en los Estados Unidos y J. Lewis en Inglaterra. Paralelamente, se llevaron acabo estudios sobre la síntesis y la estructura de los compuestos con enlace múltiplemetal-metal (doble, triple y cuádruple). Son bien conocidos los trabajos de F. A.Cotton (Estados Unidos) en este último campo.En esta década se produjo también la llegada de una familia extraordinaria: loscarboranos y metalocarboranos descubiertos por F. Hawthorne en los EstadosUnidos. W.N. Lipscomb obtendría más tarde, en 1976, el premio Nobel por elesclarecimiento de la estructura de los boranos.

00/05

En 1962, Vaska publicó el famoso complejo [Ir(CO)(Cl)(PPh3)], que lleva su nombre,que fija de forma reversible el oxígeno y puede experimentar una gran variedad deadiciones oxidativas, por ejemplo con H2 a 25°C.

Complejo de Vaska y adición oxidativa de O2 e H2 , 1965

El año 1964 está marcado a la vez por la síntesis del primer complejo carbeno metálicode Fischer y por el descubrimiento de la metátesis de olefinas por Banks.

Aunque en la época no se advirtió ningún vínculo entre estos dos acontecimientos,ahora se sabe que los carbenos metálicos catalizan la reacción de metátesis siguiendo

62 I - ESTRUCTURAS DE COMPLEJOS

Los complejos del tipo (porfirina)M=M(porfirina) (M = Ru u Os; ciclos porfirínicosparalelos) descubiertos por Collman pertenecen también a esta última familia.

1.4. ENLACES TRIPLES

Los forman las familias de metales d3 + d3 conduciendo a una estructura electrónica(σ)2(π)4 y d5 + d5 conduciendo a una estructura electrónica (σ)2(π)4(δ)2(δ*)2.Ejemplos :

Después de la formación del enlace triple, los dos metales d3 que han formado esteenlace se transforman en d0 en el dímero mientras que los dos metales d5 setransforman en d2.En los derivados binucleares de carbonilos metálicos que siguen la regla de los18 electrones, es fácil determinar el orden del enlace metal-metal. Por ejemplo, eldímero [Cp(CO)2Mo-Mo(CO)2Cp] se puede escribir de la forma [Mo(CO)2Cp(X)y]si “y” es el orden del enlace Mo-Mo (cada Mo está unido a través de un ligando Xycon el Mo vecino), es decir: MoL4Xy+1.NEV = 18 = nMo + 2 nL + nX – q = 6 + (2 × 4) + y + 1 = 15 + y, de donde y = 3.El enlace triple Mo-Mo en el complejo mostrado arriba tiene una longitud de 2,2 Åmientras que la longitud del enlace simple Mo-Mo es de 2,78 Å en el dímero[Cp(CO)  3Mo-Mo(CO)3Cp] de partida. El acortamiento es efectivamente muyimportante.

2 - COMPLEJOS BIMETÁLICOS Y AGREGADOS POLIMETÁLICOS 63

1.5. ENLACES CUADRUPLES

Se forman en la familia de metales d4 + d4 conduciendo a una estructura electrónica(σ)2(π)4(δ)2. Después de la formación del enlace cuádruple cada uno de los dosmetales se transforma en d0 en el dímero.Ejemplos :

En el dímero [Re2Cl8]2–, el NEV es 16 si contamos todos los ligandos Cl comoligandos X. Cada renio debe ser contado como monoaniónico y se pone bajo la formaReX4+y

–.tiene : NEV = nRe + 2 nL + nX – q = 7 + 0 + 4 + y – (– 1) = 12 + y = 16,donde y = 4.La distancia Re-Re (2,24 Å) es inferior a la distancia Re-Re en el renio metálico(2,71 Å) pero la fortaleza del enlace cuádruple Re-Re es solamente de85 ± 5 kcal . mol–1 (355 ± 20 kJ . mol–1) de las cuales 5 kcal . mol–1 (21 kJ . mol–1) seatribuyen al enlace δ (la energía de este enlace δ es comparable a la de un enlace dehidrógeno).

Recordemos que los ligandos cloro y alcoxi son dadores π que pueden estarcontabilizados como ligandos de tipo LX mientras el NEV no sobrepase 18 : porejemplo, en [(CH3O)3Mo-Mo(OCH3)3], habrá, para cada Mo, un NEV = 12 si

CAPÍTULO 4

REACCIONES DE LOS COMPLEJOS CONNUCLEÓFILOS Y ELECTRÓFILOS

Estas reacciones se llevan a cabo en los compuestos de 18 electrones, ya que estaconfiguración electrónica les confiere la estabilidad necesaria para sufrir este tipo dereacciones. Estas reacciones suelen tener aplicaciones importantes en síntesis orgánica.Las adiciones nucleófilas y electrófilas incluyen también la adición de reactivossimples como el protón y el hidruro. Cuando el nucleófilo es impedido se comportacomo una base y cuando el electrófilo es impedido es un abstractor de H–. Así, lasadiciones y las abstracciones de H+ y de H–, frecuentes en química organometálica,permiten interconversiones simples entre los compuestos electrófilos y nucleófilos.Esta práctica es corriente con el fin de funcionalizar un ligando según la naturalezanucleófila o electrófila del reactivo del cual disponemos. Para las aplicaciones encatálisis y en síntesis, ver el capítulo 19.

1. ATAQUES NUCLEÓFILOS

1.1. ADICIONES NUCLEÓFILAS

Las adiciones nucleófilas están favorecidas cuando el fragmento organometálico alcual está unido el ligando que sufre el ataque posee un carácter electroatrayente. Elfragmento organometálico presenta este carácter electroatrayente cuando el complejoes catiónico o tiene ligandos electroatrayentes, normalmente carbonilos, sobre el metaldel fragmento organometálico. Los factores que determinan este ataque son loscontroles orbitalario, de la carga y estérico. Cuando el fragmento organometálico estácargado positivamente, el control de la carga juega a menudo (pero no siempre) unpapel predominante. En ausencia de carga (y a veces incluso cuando el fragmentometálico tiene una carga positiva atenuada por ligandos hidrocarbonados dadores), elcontrol orbitalario predromina. El control estérico juega siempre un papel importanteya que impone la estereoquímica de la adición. En efecto, en la mayoría de los casos elnucleófilo ataca al ligando en posición exo es decir por la cara opuesta al metal.

114 II - REACCIONES ESTEQUIOMÉTRICAS DE LOS COMPLEJOS

También es frecuente que el efecto estérico juegue un papel importante en laregioselectividad de las reacciones.

Ligandos hidrocarbonados de η2 a η7

El ataque nucleófilo reduce en una unidad la hapticidad de los ligandos a los que seadiciona. Davies, Mingos y Green4.1, establecieron una serie de reglas que nospermiten predecir, cuando se da control de la carga, cuál es el lugar donde se producirála adición, es decir la regioselectividad del ataque si varios ligandos o posiciones de unligando están en competición. Estas reglas se respetan con el orden de prioridadsiguiente:1. Los ligandos pares reaccionan antes que los ligandos impares.2. Los ligandos abiertos reaccionan antes que los ligandos cíclicos.3. En los polienos y polienilos abiertos, la reacción se produce sobre el carbono

terminal del ligando.

11 - METALOCENOS Y COMPLEJOS SANDWICH 253

Diagrama molecular e interacciones entre orbitales en el ferroceno conconformación alternada

416 IV - CATÁLISIS

416

3. Las proteínas de cobre en las que átomos de nitrógeno y de azufre (plastocianina,azurina) se coordinan al cobre. El proceso redox tiene lugar gracias a lainterconversión entre CuI y CuII.

4. Las flavodoxinas y quinonas cuya estructura esta basada en grupos flavinas.Mientras que las tres categorías precedentes están compuestas de mediadoresinorgánicos monoeletrónicos, las flavinas no contienen metal y transportan loselectrones y los protones (2 e– + 2 H+) entre el NADPH y la oxigenasa.

Un ejemplo de cadena de mediación redox puede encontrarse en el párrafo siguiente.

4. EJEMPLOS DE ENZIMAS OXIDO-REDUCTASA:LAS MONOOXIGENASAS

Los enzimas oxido-reductasas pueden dividirse en dos grandes categorías: lasmetaloporfirinas (porfirina de hierro = hemo; estos enzimas se denominan hémicos) ylas demás. Examinaremos solamente, a título de ejemplo, el caso de lasmonooxigenasas que son probablemente las que se conocen mejor. Existenmonooxigenasas hémicas (citocromo P-450) y monooxigenasas no hémicas. En todoslos casos, la reacción consiste en una transferencia de un solo átomo de oxígeno deuna molécula de O2 al substrato mientras que el otro se encuentra formando unamolécula de agua. Los átomos de hidrógeno no provienen del substrato (no se trataaquí de una deshidrogenación) por lo que la reacción necesita un co-reductor, NADPHque es la forma reducida del dinucleótido nicotinamida-adenina (NADP+).

(monooxigenasa)S(substrato) + O2 + NADPH + H+ → SO + NADP+ + H2O

El substrato S puede ser endógeno, es decir, que está implicado en la biosíntesis o labiodegradación (esteroide, ácido graso) o exógeno, es decir proviene del entorno(medicamentos, pesticidas, disolventes, etc.). En este último caso, la transformación deun cuerpo exógeno en derivado hidroxilado permite solubilizarlo en el medio acuoso,y así pues eliminarlo. En particular, el substrato puede ser, por ejemplo, un alcano(metano oxigenasa) oxidado a alcohol, o un alqueno oxidado a epóxido. La cadena demediación redox (párrafo siguiente) puede esquematizarse como se indica acontinuación en el caso del citocromo P-45018.10 :

Cadena de mediación y catálisis redox biológica implicando al citocromo P-450

18 - QUÍMICA BIO-ORGANOMETÁLICA: CATÁLISIS ENZIMÁTICA 417

417

El citocromo P-450 se encuentra en los mamíferos, los insectos, los pescados, laslevaduras y las plantas. En el hombre, se encuentra en diferentes tejidos y órganos enparticular en el hígado. Se denomina de esta manera porque los complejos que formacon los ligandos más corrientes tales como CO, piridina etc. presentan un máximo deabsorción alrededor de 450 nm. Existe más de una centena de variedades, todasconstituidas por un complejo hierro-porfirina con un cisteinato como ligando axialcoordinado al metal por el átomo de azufre. La otra posición axial es la de activacióndel oxígeno. Hay que destacar que la hemoglobina y la mioglobina tienen la mismaestructura hierro-porfirina para la posición activa, pero tienen como ligando axial unahistidina coordinada al hierro por un átomo de nitrógeno del anillo imidazol. Estas doshemoproteínas no hacen más que transportar el oxígeno en la sangre y los tejidos(respectivamente) formando reversiblemente un enlace Fe-O-O en ángulo por reacciónentre la forma FeII y el oxígeno molecular, este último sin activar. La extraordinariadiferencia de acción con respecto al O2 que se observa entre el citocromo P-450 yestas dos hemopotreínas es únicamente debida a la diferente naturaleza del ligandoaxial, es decir a su efecto sobre la reactividad del O2. El ciclo mecanístico de laactivación en el caso del citocromo P-450 se representa a continuación.

Mecanismo de oxidación de un substrato S por el citocromo P-450,un complejo hierro-protoporfirina IX con un ligando axial tiolato cisteina

En este esquema, destaca la presencia de corto-circuitos. Únicamente estos corto-circuitos del ciclo han podido ser mimetizados catalíticamente de forma eficaz pornumerosos modelos de síntesis de estructuras similares. En efecto, la activación de O2es difícil y complicada, como se puede constatar en el esquema. Varios químicos (enFrancia : Meunier, Mansuy y Weiss) han obtenido complejos metal-porfirina (Fe, Mn)

460 V - APLICACIONES EN SÍNTESIS ORGÁNICA

7. ALGUNOS EJEMPLOS DE APLICACIÓN DE LA CATÁLISISASIMÉTRICA19.30-19 .32

El principio de la catálisis asimétrica, desarrollado a partir de los trabajos pioneros deKagan con la hidrogenación asimétrica (ver Cap. 15), se ha generalizado en laactualidad a toda la catálisis. La hidrogenación asimétrica de olefinas proquirales hadado lugar a diferentes19.49 aplicaciones en el dominio de la síntesis de aminoácidostales como la L-DOPA (ver Cap. 15), de antibióticos de la familia del carbapenem, dealcaloides isoquinolínicos, tales como la morfina y los benzomorfanos. Lahidrogenación asimétrica de dobles enlaces carbono-oxígeno proquirales (es decir dederivados en los que los dos sustituyentes sobre el carbono del carbonilo sondiferentes) con el catalizador [RuCl2BINAP] que conduce a alcoholes secundarios cone.e. próximos a 100%, ha sido utilizada en particular en la síntesis de precursores deprostaglandinas19.50. Se presentan aquí algunos ejemplos de otras reaccionesparticularmente representativas. La investigación en este dominio experimenta uncrecimiento exponencial dadas las múltiples aplicaciones, en particular en el campo delos productos farmacéuticos y agrícolas.

7.1. EPOXIDACIÓN (CAP. 17)

La síntesis de la feromona endo-brevicomina ópticamente activa (+) o (–) constituyeun objetivo sintético que ha sido abordado por diferentes vías. La epoxidación(Cap. 17) asimétrica de Sharpless es una de ellas19.51.

19 - EJEMPLOS DE APLICACIONES DE METALES EN SÍNTESIS ORGÁNICA 461

Como se puede constatar a continuación, la necesidad de disponer de una funciónalcohol en posición alílica para que esta catálisis sea operativa, requiere etapassuplementarias para la introducción y después la eliminación de esta función. Esteinconveniente ha sido superado gracias a nuevos catalizadores de epoxidación que norequieren la función OH en la olefina. Así, la epoxidación asimétrica de olefinassimples como por ejemplo el indeno con el catalizador de Jacobsen (ver Cap. 17) esuna etapa clave en la síntesis de L-736524, un agente inhibidor de la proteasa VIH(medicamento contra el SIDA)19.52.

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7.2. ISOMERIZACIÓN DE AMINAS ALÍLICAS

Utilizando el ligando BINAP [véase p. 462, enantiómero (S)] con Rh, Noyori llevó acabo la isomerización catalítica (Cap. 15) asimétrica de aminas alílicas en enaminas