Grupo trimetilsililo: Características y ejemplos ¿Qué son los grupos protectores?

¿Qué es el trimetilsililo?

Los compuestos que contienen diferentes grupos funcionales pueden ser problemáticos en algunas reacciones debido a la alta reactividad de estos grupos funcionales. Se necesita un grupo protector para lograr una reacción exitosa. Un grupo protector es un derivado formado reversiblemente de un grupo funcional existente en un compuesto. Cuando se usa un grupo protector, se agregan dos pasos adicionales a la síntesis orgánica. El primer paso nuevo es la adición del grupo protector. La eliminación del grupo protector es el segundo paso adicional. Estos dos pasos permiten el uso de compuestos con múltiples grupos funcionales altamente reactivos en reacciones con los resultados deseados.

Un grupo protector común es el trimetilsililo (TMS). Para comprender cómo funciona el trimetilsililo, primero se debe aprender acerca de los éteres. Como uno de los grupos funcionales menos reactivos, los éteres son inertes a muchas reacciones orgánicas. Si un grupo funcional de alcohol altamente reactivo se convierte en un éter, formará un buen grupo protector. La desventaja de usar éteres como grupos protectores implica la eliminación del grupo funcional éter, lo que permite la conversión nuevamente en alcohol. Este paso de eliminación requeriría condiciones de reacción muy duras.

Hay una solución muy inteligente que implica la formación de un éter de sililo en lugar de un éter típico. Estos éteres de sililo tienen un enlace oxígeno-silicio (O-Si), que es más fácil de formar y tiene la propiedad de ser químicamente inerte. Los éteres de sililo se pueden eliminar empleando condiciones más suaves. Los éteres de trimetilsililo son uno de estos éteres de sililo, que consisten en un átomo de silicio con tres grupos metilo y se unen a un átomo de oxígeno en el compuesto orgánico. La fórmula general de trimetilsililo es Si(CH ₃ ) ₃. Los compuestos con grupos trimetilsililo no se encuentran comúnmente en la naturaleza, pero estos compuestos hacen posibles reacciones con compuestos complejos que contienen múltiples funciones diferentes.

Estructura TMS

En la estructura del grupo trimetilsililo, hay un átomo de silicio con tres grupos metilo unidos. Los grupos metilo están conectados al átomo de silicio a través de un solo enlace silicio-carbono en la estructura TMS. Estos grupos metilo agregan volumen estérico alrededor del átomo de silicio, lo que se suma a la inercia química de este grupo protector. Este átomo de silicio es el punto de contacto con otros compuestos y forma el enlace éter silílico. Estos éteres de sililo son inertes a muchas reacciones orgánicas, lo que hace que estos grupos sean excelentes grupos protectores. Cuando un grupo trimetilsililo forma un enlace silicio-oxígeno, se denomina éter trimetilsilílico.

Usos de trimetilsililo

Los grupos trimetilsililo se utilizan como grupos protectores para compuestos orgánicos con grupos hidroxilo. Primero debe haber una reacción para usar trimetilsililo como grupo protector para un compuesto orgánico. Esta reacción es entre el compuesto orgánico y el cloruro de trimetilsililo (TMSCl) en presencia de una base. Ejemplos de posibles bases son la trietilamina o la piridina, por nombrar algunas opciones. Se cree que esta reacción ocurre a través de un proceso similar a SN2 llamado SN2-silicio (SN2-Si). Los siguientes pasos ocurrirán en este proceso de silicio SN2:

• El átomo de oxígeno de un grupo hidroxilo actuará como nucleófilo y atacará al átomo de silicio del cloruro de trimetilsililo. Esta acción hará que el átomo de cloruro se vaya, lo cual tiene sentido porque un átomo de cloruro es un buen grupo saliente.
  • La razón por la que hay un ataque tipo SN2 en un centro terciario es el enlace silicio-carbono. Estos enlaces silicio-carbono son más largos que los enlaces carbono-carbono, por lo que no están tan impedidos estéricamente.
• Se necesitan bases para desprotonar el grupo hidroxilo y lidiar con cualquier cloruro de hidrógeno (HCl) producido.
• Ahora se forma el trimetilsilil éter y se protege el grupo hidroxilo.

Una vez que se completan las reacciones con los otros grupos funcionales, el grupo trimetilsililo se puede eliminar y el grupo hidroxilo volverá. El trimetilsililo es un buen grupo saliente, por lo que la eliminación se realiza fácilmente. La eliminación del grupo trimetilsililo se logra mediante un paso de eliminación que implica la adición de un ion fluoruro o un ácido fuerte.

El fluoruro de tetrabutilamonio (TBAF) es una fuente de iones de fluoruro comúnmente utilizada en este paso de desprotección. El ion fluoruro formará un enlace fluoruro-silicio, que es más fuerte que el enlace oxígeno-silicio, por lo que se elimina el grupo trimetilsililo. Este método de eliminación solo romperá el enlace silicio-oxígeno y no afectará otras partes del compuesto orgánico. El grupo trimetilsililo actuará como grupo saliente y el grupo hidroxilo volverá al compuesto orgánico. Los grupos trimetilsililo son grupos protectores de alcohol con muchas aplicaciones en síntesis orgánica. Los siguientes son ejemplos del uso de los grupos de protección trimetilsililo en reacciones orgánicas.

Reacción de Grignard con un reactivo de Grignard que contiene un grupo hidroxilo

En una reacción de Grignard con un aldehído o una cetona, un reactivo de Grignard puede preparar lo que permitirá una funcionalidad adicional en el producto final de Grignard. El uso de un grupo protector de trimetilsililo permitirá que los haluros de alquilo que tienen grupos funcionales de alcohol se usen como reactivos de Grignard. A continuación se detalla un esquema de los pasos necesarios para el uso de haluros de alquilo con funciones alcohol en la reacción de Grignard.

• Cuando se necesita un reactivo de Grignard que contenga un grupo funcional de alcohol, se requiere un grupo protector de trimetilsililo. Antes de la producción del reactivo de Grignard, se hace reaccionar TMSCl con el compuesto que contiene alcohol para crear el trimetilsilil éter.
  • El 3-bromo-1-propanol reacciona con TMSCl en trietilamina para producir BrCH ₂ CH ₂ CH ₂ OSi(CH ₃ ) ₃ como el éter trimetilsilílico.
• Luego, el reactivo de Grignard se puede preparar utilizando magnesio y éter dietílico. Se puede hacer reaccionar un aldehído o una cetona con el reactivo de Grignard protegido, seguido de un tratamiento acuoso.
• El último paso es la eliminación del grupo protector mediante tratamiento con TBAF.
• Este producto final es un diol debido al grupo funcional de alcohol producido en la reacción de Grignard y al grupo hidroxilo original. No solo el producto es un diol, también existe el crecimiento del esqueleto de carbono por la adición del nuevo grupo R por la reacción de Grignard.

Carboxilación con reactivos protegidos con trimetilsililo para formar compuestos de ácido carboxílico con un grupo hidroxilo

El trimetilsililo se puede usar para proteger los grupos funcionales de alcohol presentes en un haluro de alquilo de modo que estos haluros de alquilo se puedan usar como reactivos de Grignard. Estos reactivos de Grignard se pueden usar en una reacción de Grignard que involucra dióxido de carbono para producir un ácido carboxílico como el producto de Grignard. A continuación se describen los pasos necesarios para preparar ácidos carboxílicos con un grupo funcional de alcohol utilizando trimetilsililo como grupo protector.

• Los reactivos de Grignard se pueden preparar utilizando haluros de alquilo que tienen éteres de trimetilsililo.
• Estos reactivos de Grignard pueden reaccionar con dióxido de carbono y tratarse con un tratamiento acuoso ácido para producir compuestos de ácido carboxílico con un grupo hidroxilo.
• En el segundo paso de esta reacción de Grignard, las condiciones ácidas eliminarán el grupo protector, por lo que no se necesita una fuente de iones de fluoruro.
• El producto final es un ácido carboxílico con grupos funcionales de alcohol y un esqueleto de carbono más largo.

Reacción de Grignard con un aldehído o cetona que contiene un grupo hidroxilo

El uso de trimetilsililo como grupo protector no se limita solo al reactivo de Grignard en una reacción de Grignard. Los aldehídos o cetonas que contienen un grupo funcional de alcohol se pueden usar en la reacción de Grignard empleando un grupo protector de trimetilsililo. Los siguientes pasos generales son necesarios para este proceso de transformación.

• TMSCl se puede usar para proteger un grupo funcional de alcohol en un aldehído o cetona antes de usarlo en la reacción de Grignard.
  • La 5-hidroxi-2-butanona puede reaccionar con TMSCl en trietilamina para proteger el grupo funcional alcohol presente en este compuesto. Este paso de protección producirá CH ₃ COCH ₂ CH ₂ OSi (CH ₃ ) ₃, que luego puede usarse en la reacción de Grignard.
• Después de la reacción con un reactivo de Grignard, el éter trimetilsilílico se puede eliminar usando un paso de tratamiento acuoso ácido.
• Esto deja el producto final como un diol con un esqueleto de carbono más largo.

Reacciones de alquilación con alquinos que contienen un grupo hidroxilo

Los grupos protectores de trimetilsililo no se limitan solo a la reacción de Grignard. Estos grupos protectores pueden usarse en reacciones de alquilación con alquinos. A continuación se describen los pasos necesarios para realizar con éxito una reacción de alquilación con un alquino que contiene un grupo funcional de alcohol.

• Los alquinos con un grupo alcohol se pueden proteger usando trimetilsililo.
  • But-3yn-1-ol reaccionará con TMSCl en trietilamina para producir CHCCH ₂ CH ₂ OSi (CH ₃ ) ₃, que es el compuesto alquino protegido.
• Cuando el grupo hidroxilo está protegido, este alquino se puede usar en la reacción de alquilación sin producir productos secundarios no deseados.
• El alquino terminal se puede desprotonar con amida de sodio (NaNH ₂ ) y luego hacerlo reaccionar con un haluro de metilo o de alquilo primario. En esta reacción, el grupo alquilo del haluro de alquilo se agrega al carbono terminal del triple enlace carbono-carbono.
• El tratamiento con una fuente de iones de fluoruro desprotegerá el grupo hidroxilo y el producto final es un alquino con una cadena de carbono más larga y un grupo funcional de alcohol.

El grupo hidroxilo de un ácido carboxílico se puede proteger usando un grupo trimetilsililo. Este método de protección genera un éster trimetilsilílico. Usar TMSCl para proteger un grupo funcional de ácido carboxílico es menos práctico. El trimetilsililo utilizado como grupo protector para los ácidos carboxílicos es más sensible a las condiciones de reacción y deja el enlace carbonilo desprotegido. Un método más beneficioso utilizado en la síntesis orgánica es producir el ácido carboxílico al final de una síntesis de reacción múltiple.

Resumen de la lección

Un trimetilsililo es un grupo protector, que es un derivado de un grupo funcional existente en un compuesto orgánico que se puede eliminar fácilmente al final de una síntesis orgánica. Estos grupos protectores se usan comúnmente para proteger los grupos hidroxilo, como los de los alcoholes. El cloruro de trimetilsililo reacciona con un compuesto que contiene un grupo funcional de alcohol en presencia de una base para formar un éter de sililo. Estos éteres de sililo son similares a los éteres normales porque ambos compuestos son químicamente inertes. El proceso químico de generar el éter de sililo ocurre a través de un SN2-silicio(SN2-Si), similar al proceso SN2 pero formando un enlace oxígeno-silicio. Los grupos trimetilsililo se eliminan fácilmente mediante tratamiento con condiciones ácidas o fuentes de iones de fluoruro.

La formación de trimetilsilil éteres para proteger los grupos hidroxilo se usa en muchas reacciones orgánicas, como Grignard y la alquilación con alquinos. Ambas reacciones hacen crecer el esqueleto de carbono de un compuesto orgánico, y la aplicación de grupos protectores permite la creación de compuestos orgánicos más complejos. El trimetilsililo puede proteger tanto al haluro de alquilo utilizado para fabricar el reactivo de Grignard como al aldehído o cetona que reacciona en la reacción de Grignard. El uso de trimetilsililo como grupo protector abre muchas puertas en la síntesis de compuestos orgánicos únicos y complejos.