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Reacción de metátesis

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Una reacción de metátesis, a veces llamada reacción de doble reemplazo o reacción de doble desplazamiento, es un proceso químico que implica el intercambio de enlaces entre dos especies químicas que reaccionan, lo que resulta en la creación de productos con afiliaciones de enlace similares o idénticas.[1] Esta reacción está representada por el esquema general:

El enlace entre las especies que reaccionan puede ser iónico o covalente. Clásicamente, estas reacciones dan como resultado la precipitación de un producto.

En la literatura antigua, el término doble descomposición se encuentra con frecuencia. Se usa más específicamente cuando al menos una de las sustancias no se disuelve en el disolvente, ya que el intercambio de ligandos o iones tiene lugar en el estado sólido del reactivo. Por ejemplo:

A-X(ac.) + B-Y(s) → A-Y(ac.) + B-X(s).

Tipos de reacción

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Metátesis de sales

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La metátesis de sales es una técnica común de intercambio de contraiones. La elección de los reactivos puede estar guiada por una tabla de solubilidad o por su energía reticular. La teoría HSAB también se puede utilizar para predecir los productos de una reacción de metátesis.

La metátesis de sal a menudo se emplea para obtener sales que son solubles en disolventes orgánicos. Un ejemplo es la metátesis del perrenato de sodio[nota 1] con la sal de tetrabutilamonio:[nota 2][2]

La sal de tetrabutilamonio precipita en la disolución acuosa. Es soluble en diclorometano.

La metátesis de sal puede realizarse en una disolución no acuosa, como en la reacción de metátesis de tetrafluoroborato de ferrocenio con una sal más lipofílica que contiene el anión borato de tetraquis(pentafluorofenilo):[3]

Cuando la reacción se lleva a cabo en diclorometano, la sal NaBF4 precipita y la sal B(C6F5)4- permanece en disolución.

Las reacciones de metátesis también pueden ocurrir entre dos sales inorgánicas cuando un producto es insoluble en agua. Por ejemplo, la precipitación de cloruro de plata en una mezcla de nitrato de plata y Cloruro de hexamminecobalto(III) libera la sal de nitrato del complejo de cobalto:

Los reactivos no necesitan ser altamente solubles para que tengan lugar las reacciones de metátesis. Por ejemplo, el tiocianato de bario se forma al hervir una suspensión de tiocianato de cobre (I) e hidróxido de bario en agua:

Intercambio metálico

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Se trata de una reacción de metátesis entre dos compuestos organometálicos. La fórmula general es:

Un ejemplo clásico de este tipo de metátesis es la reacción entre un compuesto de organolitio (generalmente butil o fenil-litio) con compuestos de organoestaño como el tetraviniletaño:[4]

La precipitación de la sal de tetrafenilestaño desplaza el equilibrio hacia la derecha obteniéndose unas rendimientos muy buenos de vinil-litio.

Intercambio metal-halógeno

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Se trata de una reacción de metátesis entre un compuesto organometálico y un halogenuro. Si tomamos un halogenuro metálico, la fórmula general es:

La clave de esta reacción reside en que M sea más electropositivo que M'. En ocasiones, esta reacción también se llama transmetalación.[4]

Un ejemplo clásico sería la reacción de metátesis entre un organolitio y tricloruro de antimonio:

Otra manera de producirse este tipo de reacción de metátesis es con halogenuros de arilo. La fórmula general es:

(donde M suele ser un metal muy electropositivo como el Li).

Este equilibrio es desplazado hacia la derecha cuando R' es un estabilizante de carga negativa mayor que R. Así pues, la reacción solamente es práctica con halogenuros de arilo (X=I, Br, rara vez Cl, pero nunca F). En el caso de usar un fluoroarilo, como C6H5F, no se produce un intercambio directo con el metal, sino que se produce una orto-metalación, donde se elimina el M-F, produciendo un arino (se produce un triple enlace C-C en la posición del flúor) y por posterior hidrólisis se obtiene el areno Ph-R.[4]

Un grupo importante de reacciones de metátesis de este tipo se dan con el litio como metal:

Esta reacción tiene reacciones competitivas: alquilación y metalación de PhX, sin embargo, el intercambio metal-halógeno es una reacción relativamente rápida, por lo que se ve favorecida a bajas temperaturas (control cinético). Esto permite el uso de sustratos con sustituyentes reactivos como NO2, CONR2, COOR, SiCl3... que no son atacados por el RLi a estas bajas temperaturas. El intercambio metal-halógeno del t-BuLi con R-I, donde R es un alquilo primario, es más rápido que la propia desprotonación el metanol.

Alquilación

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Los complejos metálicos se alquilan mediante reacciones de metátesis. Es ilustrativa la metilación del dicloruro de titanoceno para dar el reactivo de Petasis:[nota 3][5]

La sal de magnesio suele precipitar en el disolvente de reacción.

Las reacciones de metátesis de complejos organometálicos sirven para preparar complejos de alquilo mediante la reacción de complejos de cloruro con fenillitio o bencilpotasio.[6]

También se conoce la preparación de dimetilcalcio por metátesis a partir de metil-litio y bis(trimetilsililamida) de calcio en éter dietílico.[7]

Reacción de neutralización

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Una reacción de neutralización es un tipo de reacción de metátesis o doble reemplazo. Ésta ocurre cuando un ácido reacciona con una cantidad igual de una base. Esto generalmente crea una mezcla en disolución de sal y agua. Por ejemplo, el ácido clorhídrico reacciona con hidróxido de sodio para producir cloruro de sodio y agua:

Metátesis orgánica

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En química orgánica, la metátesis es una reacción en la que se invierten fragmentos entre moléculas orgánicas. Este fenómeno fue descubierto en la década de 1950 por el posterior análisis de los resultados de la polimerización del etileno realizado por Karl Ziegler. El trabajo de Yves Chauvin en el Instituto Francés del Petróleo ha permitido comprender el mecanismo y la aplicación industrial de esta reacción en el campo de la petroquímica.

La metátesis se lleva a cabo normalmente con alquenos (olefinas), aunque también pueden sufrirla otros compuestos orgánicos, como los alquinos. En el contexto de la metátesis de alquenos, los fragmentos intercambiados corresponden a grupos alquilideno (cadenas de alquilo portadoras de carbeno). Los catalizadores de metátesis de alquenos son generalmente complejos de metales de transición como níquel, wolframio, molibdeno o rutenio.

Metátesis olefínica

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Las primeras reacciones de metátesis de olefinas fueron catalizadas por metales de transición combinados con ácidos de Lewis, como WCl2/Bu4Sn, WOCl4/EtAlCl2, MoO3/SiO2 o Re2O7/Al2O3. Sin embargo, estos catalizadores tienen un uso bastante limitado en síntesis orgánica porque toleran relativamente pocos grupos funcionales y requieren altas temperaturas. El mecanismo de catálisis propuesto por Yves Chauvin implica la reacción del alqueno con un carbeno para producir un metalaciclobutano como intermediario.

En 1990, Richard Schrock y su equipo describieron varios derivados del molibdeno, incluido el denominado catalizador Schrock, que demostró ser muy eficaz para catalizar la metátesis de olefinas incluso ligeramente reactivas. Este catalizador está en el origen del uso de la metátesis en la síntesis orgánica, fuera de su contexto industrial. Desafortunadamente, el catalizador de Schrock siguió siendo difícil de usar debido a su sensibilidad al aire y al agua y su intolerancia a ciertos grupos funcionales como los alcoholes o los aldehídos. Robert Grubbs y su equipo contribuyeron aislando por primera vez un alquilideno-rutenio también llamado catalizador de Grubbs de primera generación. A diferencia del anterior, este catalizador demostró ser estable en aire y agua mientras catalizaba la metátesis de muchas olefinas en condiciones suaves. Posteriormente, el equipo de Grubbs mejoró aún más su catalizador de partida al proponer el catalizador de Grubbs de segunda generación en el que una de las fosfinas del complejo inicial se reemplaza por un carbeno N-heterocíclico menos lábil y capaz de estabilizar mejor las especies de reacción gracias a su mayor carácter de ligando donante sigma. Este catalizador sigue siendo igual de tolerante pero más activo que el primero en la metátesis de olefinas.

Yves Chauvin, Robert Grubbs y Richard Schrock recibieron el Premio Nobel de Química en 2005 por su investigación sobre la metátesis olefínica.

Aplicaciones industriales de la metátesis de olefinas

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La metátesis de olefinas es una reacción catalítica en la que se intercambian fragmentos alquilideno entre dos alquenos, mediada por complejos organometálicos de metales de transición —principalmente rutenio, molibdeno, wolframio y renio. La importancia de esta transformación fue reconocida con el Premio Nobel de Química de 2005, otorgado conjuntamente a Yves Chauvin, Robert H. Grubbs y Richard R. Schrock por la elucidación de su mecanismo y el desarrollo de catalizadores eficientes.[8] Desde entonces, la reacción se ha convertido en una herramienta central de la petroquímica, la industria de polímeros, la oleoquímica y la síntesis de productos farmacéuticos y de química fina.[9]

Fundamento del proceso

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El mecanismo generalmente aceptado, propuesto por Chauvin, transcurre mediante la formación de un metalaciclobutano intermedio a partir de un complejo metal-carbeno, que se reorganiza para liberar una nueva olefina y regenerar la especie catalítica activa.[9] Según el balance estequiométrico de la reacción, se distinguen varias modalidades de interés industrial: la metátesis cruzada (combinación de dos olefinas distintas), la metátesis de cierre de anillo o RCM (formación de ciclos a partir de dienos), la polimerización por metátesis con apertura de anillo o ROMP (a partir de olefinas cíclicas tensionadas) y la etenólisis (reacción de una olefina con etileno).[10]

Petroquímica y refino

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La aplicación industrial pionera de la metátesis fue el llamado proceso Phillips Triolefin, desarrollado por Phillips Petroleum Company y operado comercialmente entre 1966 y 1972, en el que dos moléculas de propeno se convierten en etileno y 2-buteno mediante catalizadores heterogéneos de óxido de wolframio soportado.[10] El descubrimiento del propio fenómeno de la disproporción de olefinas se documentó formalmente por Banks y Bailey en 1964.[11] Ante el aumento de la demanda de propeno frente al etileno, el proceso se invirtió posteriormente dando lugar a la Olefins Conversion Technology (OCT), también conocida como proceso de conversión de etileno a propileno (ETP), en la que eteno y 2-buteno se combinan sobre catalizadores de renio o molibdeno soportados para producir propeno.[12] Estas tecnologías se integran habitualmente en plantas de craqueo con vapor de nafta, permitiendo ajustar la proporción de olefinas ligeras obtenidas según la demanda del mercado.[10]

Producción de polímeros mediante ROMP

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La polimerización por metátesis con apertura de anillo constituye la base industrial de varios elastómeros y materiales especiales. El polinorborneno, comercializado bajo la marca Norsorex, fue el primer polímero de metátesis producido a escala industrial, manufacturado desde 1976 por CdF-Chimie mediante ROMP del 2-norborneno con catalizadores de rutenio; se trata de un elastómero de peso molecular muy elevado empleado como material absorbente en el tratamiento de derrames de hidrocarburos.[13] El polioctenámero, comercializado como Vestenamer, es producido desde 1980 y se emplea principalmente como agente procesal y de entrecruzamiento en la industria del caucho, gracias a su baja viscosidad comparada con otros elastómeros.[13][14] Por su parte, el poli(diciclopentadieno) (PDCPD), obtenido por ROMP de diciclopentadieno mediante moldeo por reacción, da lugar a materiales termoendurecibles de alta resistencia mecánica, química y al impacto, con aplicaciones que incluyen paneles industriales, recubrimientos y, en formulaciones más recientes, aerogeles con propiedades de aislamiento térmico y acústico.[15]

Síntesis de productos farmacéuticos y de química fina

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El desarrollo de catalizadores de Grubbs y de Hoveyda-Grubbs, dotados de alta tolerancia a grupos funcionales, permitió extender la metátesis de cierre de anillo a la fabricación a gran escala de fármacos con estructuras macrocíclicas.[16] Un ejemplo documentado es la síntesis industrial de vaniprevir (MK-7009), un inhibidor de la proteasa NS3/4A del virus de la hepatitis C desarrollado por Merck, cuya construcción del macrociclo de veinte miembros se logró mediante una etapa clave de metátesis de cierre de anillo catalizada por rutenio, en un proceso de nueve pasos lineales y 55 % de rendimiento global.[17] De forma análoga, la síntesis a escala comercial de simeprevir, otro antiviral frente a la hepatitis C, emplea una macrociclación por RCM optimizada mediante condiciones de alta dilución simulada;[18] el mismo tipo de estrategia se ha aplicado en la fabricación de otros inhibidores macrocíclicos de esta familia, como danoprevir.[19]

Oleoquímica

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La metátesis cruzada y la etenólisis (reacción con etileno) de ésteres de ácidos grasos insaturados de origen vegetal, en particular los derivados del ácido oleico, constituyen una vía industrial para la obtención de alfa-olefinas de cadena media y compuestos funcionalizados.[20] Mediante catalizadores de rutenio, el ácido oleico y sus ésteres metílicos pueden convertirse en 1-deceno y 9-decenoato de metilo, empleados como materias primas renovables para plastificantes, lubricantes sintéticos y tensioactivos, en procesos que han sido protegidos mediante patentes de proceso a escala industrial.[21][20] Esta ruta se plantea como alternativa a los procesos petroquímicos convencionales de obtención de alfa-olefinas, aprovechando materias primas de origen vegetal renovable.[20]

Consideraciones técnicas y económicas

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La viabilidad industrial de la metátesis depende de la estabilidad térmica y la tolerancia a impurezas de los catalizadores empleados, del coste asociado al metal de transición —en particular el rutenio— y de la necesidad de eliminar trazas metálicas residuales de los productos finales, un requisito especialmente estricto en la industria farmacéutica.[16] El desarrollo de catalizadores de rutenio con carbenos N-heterocíclicos, más robustos y activos que las primeras generaciones de catalizadores de Grubbs, ha ampliado de forma significativa el número de procesos industriales viables tanto en petroquímica como en síntesis fina.[16]

Emisión y recepción

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En Francia, el público en general descubrió la metátesis cuando se otorgó el Premio Nobel a Yves Chauvin.[22] En esta oportunidad, el periodista Gérard Dupuy hizo la siguiente descripción:

Tomas un equipo de rugby y un equipo de fútbol, los agitas para que la defensa de uno pegue junto con los delanteros del otro y obtienes un equipo de baloncesto más un coro polifónico.
Libération, 5 de octubre de 2005

Véase también

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Notas

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  1. ↑ El perrenato de sodio (también conocido como renato de sodio (VII)) es un compuesto inorgánico con la fórmula NaReO4. Es una sal blanca soluble en agua. Es un precursor común de otros compuestos de renio. Su estructura se asemeja a la del perclorato de sodio y el permanganato de sodio.
  2. ↑ El tetrabutilamonio es un catión de amonio cuaternario con la fórmula [N(C4H9)4]+, también denominado [NBu4]+ (donde Bu = grupo butilo). Se utiliza en el laboratorio de investigación para preparar sales lipofílicas de aniones inorgánicos. En relación con los derivados del tetraetilamonio, las sales de tetrabutilamonio son más lipofílicas pero cristalizan con menor facilidad.
  3. ↑ El reactivo de Petasis, llamado así por Nicos A. Petasis, es un compuesto de organotitanio con la fórmula Cp2Ti(CH3)2.(N. A. Petasis; E. I. Bzowej (1990). «Titanium-mediated carbonyl olefinations. 1. Methylenations of carbonyl compounds with dimethyltitanocene». J. Am. Chem. Soc. 112 (17): 6392-6394. doi:10.1021/ja00173a035.) Es un sólido de color naranja.

Referencias

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  1. ↑ Compendium of Chemical Terminology (en inglés) (2º edición). IUPAC. 1997. Consultado el 19 de septiembre de 2022.
  2. ↑ J. R. Dilworth, W. Hussain, A. J. Hutson, C. J. Jones, F. S. Mcquillan "Tetrahalo Oxorhenate Anions" Inorganic Syntheses 1997, volume 31, pages 257–262. doi 10.1002/9780470132623.ch42
  3. ↑ J. Le Bras, H. Jiao, W. E. Meyer, F. Hampel and J. A. Gladysz, "Synthesis, Crystal Structure, and Reactions of the 17-Valence-Electron Rhenium Methyl Complex [(η5-C5Me5)Re(NO)(P(4-C6H4CH3)3)(CH3)]+B(3,5-C6H3(CF3)2)4−: Experimental and Computational Bonding Comparisons with 18-Electron Methyl and Methylidene Complexes", J. Organomet. Chem. 2000 volume 616, 54-66. doi 10.1016/S0022-328X(00)00531-3
  4. 1 2 3 Elschenbroich, Christoph (2005). Organometallics. Willey-VCH. ISBN 978-3-527-29390-2.
  5. ↑ Payack, J. F.; Hughes, D. L.; Cai, D.; Cottrell, I. F.; Verhoeven, T. R. (2002). «Dimethyltitanocene». OrgSynth 79: 19.
  6. ↑ Gerard van Koten, Robert A Gossage: The Privileged Pincer-Metal Platform: Coordination Chemistry & Applications. Springer, Cham, Heidelberg, New York, Dordrecht, London, 2016, ISBN 978-3-319-22926-3, S. 123.
  7. ↑ B. M. Wolf, C. Stuhl, C. Maichle-Mössmer, R. Anwander: Dimethylcalcium In: Journal of the American Chemical Society. 140, 2018, S. 2373–2383, doi 10.1021/jacs.7b12984.
  8. ↑ The Nobel Prize in Chemistry 2005. NobelPrize.org. Fundación Nobel. https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2005/summary/
  9. 1 2 Vougioukalakis, G. C. (2016). «Recent Advances in Olefin Metathesis». Molecules, 21(12), 1751. https://doi.org/10.3390/molecules21121751
  10. 1 2 3 Mol, J. C. (2004). «Industrial Applications of Olefin Metathesis». Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 213(1), 39-45. https://doi.org/10.1016/j.molcata.2003.10.049
  11. ↑ Banks, R. L.; Bailey, G. C. (1964). «Olefin Disproportionation. A New Catalytic Process». Industrial & Engineering Chemistry Product Research and Development, 3(3), 170-173.
  12. ↑ Wittcoff, H. A.; Reuben, B. G.; Plotkin, J. S. (2004). Industrial Organic Chemicals (2ª ed.). Wiley-Interscience.
  13. 1 2 Peñaloza, K. A. et al. Tesis de posgrado, Universidad Nacional Autónoma de México, sobre síntesis y caracterización de polinorbornenos funcionalizados vía ROMP. https://tesiunamdocumentos.dgb.unam.mx/ptb2011/octubre/0673589/0673589_A1.pdf
  14. ↑ Slugovc, C. (2014). «Industrial Applications of Olefin Metathesis». En K. Grela (Ed.), Olefin Metathesis: Theory and Practice. John Wiley & Sons.
  15. ↑ «Large, Rapid Swelling of High-cis Polydicyclopentadiene Aerogels Suitable for Solvent-Responsive Actuators». Polymers, 2020, 12(5), 1033. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7284835/
  16. 1 2 3 Vougioukalakis, G. C.; Grubbs, R. H. (2010). «Ruthenium-Based Heterocyclic Carbene-Coordinated Olefin Metathesis Catalysts». Chemical Reviews, 110(3), 1746-1787.
  17. ↑ Kong, J.; Chen, C.; Balsells-Padros, J.; Cao, Y.; Dunn, R. F.; Dolman, S. J.; Janey, J.; Li, H.; Zacuto, M. J. (2012). «Synthesis of the HCV Protease Inhibitor Vaniprevir (MK-7009) Using Ring-Closing Metathesis Strategy». The Journal of Organic Chemistry, 77(8), 3820-3828. https://doi.org/10.1021/jo3001595
  18. ↑ Horváth, A.; Depré, D.; Vermeulen, W. A. A.; Wuyts, S. L.; Harutyunyan, S. R.; Binot, G.; Cuypers, J.; Couck, W.; Van Den Heuvel, D. (2019). «Ring-Closing Metathesis on Commercial Scale: Synthesis of HCV Protease Inhibitor Simeprevir». The Journal of Organic Chemistry, 84(8), 4932-4939. https://doi.org/10.1021/acs.joc.8b03124
  19. ↑ «Macrocyclic Peptidomimetics Prepared by Ring-Closing Metathesis and Azide–Alkyne Cycloaddition». Revisión sobre síntesis de macrociclos por RCM, incluida la ruta de danoprevir. https://www.researchgate.net/publication/309796694
  20. 1 2 3 Mol, J. C. (2004). «Catalytic Metathesis of Unsaturated Fatty Acid Esters and Oil». Topics in Catalysis, 27(1-4), 97-104.
  21. ↑ Oficina de Patentes y Marcas de los Estados Unidos. Patente US7812185, «Metathesis process for preparing an alpha, omega-functionalized olefin».
  22. ↑ Basset, Jean-Marie (2015). «Yves Chauvin (1930–2015) Nobel-prizewinning chemist who rearranged carbon–carbon bonds». Nature 519 (7542): 159. PMID 25762275. doi:10.1038/519159a.

Enlaces externos

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