Inducción asimétrica: regla de Cram, modelo de Felkin, modelo de Felkin-Ahn y selectividad anti-Felkin

¿Qué es la inducción asimétrica?

Un compuesto químico puede diferir de otros compuestos por tener diferentes elementos o por unir esos elementos en diferentes órdenes. Pero incluso si dos compuestos tienen exactamente los mismos elementos unidos en el mismo orden, aún puede haber diferencias entre ellos. Las diferencias están en la orientación 3D de los enlaces. ¿Los bonos sobresalen o están al revés? Este tipo de diferencias entre dos compuestos se denominan estereoisómeros. Dos tipos de estereoisómeros son los enantiómeros y los diastereómeros. Los enantiómeros son cuando dos compuestos son imágenes especulares no superponibles, como nuestras manos. Los diastereómeros se producen cuando dos compuestos tienen diferentes orientaciones 3D pero no son imágenes especulares entre sí.

Muchas reacciones químicas darán como resultado enantiómeros y diastereómeros en proporciones bastante iguales. Pero las reacciones químicas que prefieren un enantiómero o diastereómero sobre otro se denominan inducción asimétrica. Algunas reglas para la inducción asimétrica incluyen:

• La regla de Cram
• modelo felkin
• Modelo Felkin-Ahn
• Selectividad anti-Felkin

La regla de Cram

La regla de Cram explica que cuando ocurre una inducción asimétrica, un lado de la molécula está bloqueado por grupos voluminosos y la reacción ocurrirá preferentemente en el otro lado de la molécula. Esto crea productos en los que los grupos unidos están preferentemente en un único lado 3D de la molécula; por tanto, se produce una inducción asimétrica.

Echemos un vistazo a un ejemplo de esta regla. Cuando un aldehído reacciona con bromuro de fenilmagnesio, esto agrega el grupo fenilo al aldehído, reduciendo el aldehído a un alcohol. Siempre que la molécula no se vea obstaculizada por grupos voluminosos, el fenilo se puede agregar al frente o a la parte posterior de la molécula, creando ambos diastereómeros. Pero, cuando el carbono vecino (el carbono alfa) contiene grupos voluminosos, el fenilo se agregará preferentemente al lado opuesto de la molécula.

Esto ocurre con el aldehído 2-Metilpentanal cuando reacciona con bromuro de fenilmagnesio. La reacción coloca preferentemente al fenilo en el lado opuesto de la molécula que el grupo R (la cadena de carbono). El grupo R es demasiado voluminoso para que el grupo fenilo (que también es un grupo grande) se una a la molécula en esa ubicación.

Piense en esta regla como en una casa con una puerta delantera y otra trasera. Si alguien necesita entrar a la casa, pero la puerta principal está bloqueada por un refrigerador gigante, la persona preferirá entrar a la casa por la puerta trasera. Podrían intentar meterse alrededor del frigorífico, pero es mucho más fácil entrar por la puerta trasera.

Modelo Felkin

La regla de Cram es una excelente manera de pensar inicialmente en la inducción asimétrica, pero no siempre predice con precisión cómo ocurrirán las reacciones. A veces, las reacciones colocarán a los dos grupos en el mismo lado de la molécula debido a la tensión torsional. Con el ejemplo de la casa, si la puerta trasera requiere que pases junto a alguien que no te agrada, lo que te genera mucha presión, entonces es posible que prefieras entrar por la puerta principal, incluso con el refrigerador allí. El modelo de Felkin intenta predecir mejor cómo ocurrirán las reacciones y cuándo la reacción preferirá el frente frente al revés.

El modelo de Felkin se puede ver mejor utilizando una proyección de Newman. Una proyección de Newman observa el enlace entre el carbono carbonilo y el carbono alfa y alinea las uniones de cada carbono para mostrar cómo se alinean entre sí. La tensión de torsión se produce cuando dos accesorios de gran tamaño se alinean uno al lado del otro.

En el modelo Cram, la tensión torsional se produce cuando el nucleófilo se añade entre el grupo R grande y el hidrógeno. El nucleófilo empuja hacia el hidrógeno, ejerciendo presión sobre el enlace. En el modelo de Felkin, el nucleófilo siempre se añade entre el pequeño grupo R y el hidrógeno.

Modelo Felkin-Ahn

Una limitación del modelo Felkin es que predice el producto intermedio incorrecto para los aldehídos. El modelo de Felkin-Ahn amplía el modelo de Felkin al explicar mejor cómo reaccionarán los aldehídos.

En primer lugar, el modelo de Felkin-Ahn señala que el nucleófilo atacará en un ángulo de enlace de 107 grados, no de 90 grados. Por lo tanto, debe estar a 107 grados del enlace carbono-oxígeno. Si observamos la proyección de Newman del intermedio predicho por Felkin, veamos qué opciones tiene el nucleófilo para atacar. A 107 grados del oxígeno, el nucleófilo ataca entre el hidrógeno y el pequeño grupo R o entre los dos grupos R. Sabemos que el nucleófilo preferiría estar entre el hidrógeno y el pequeño grupo R. Pero a 107 grados, el nucleófilo termina mucho más cerca del pequeño grupo R en lugar del átomo de hidrógeno.

Ahora veamos el intermedio observado. Las dos opciones para situar al nucleófilo entre los 107 grados del oxígeno son entre el grupo R grande y el hidrógeno o entre el grupo R pequeño y el átomo de hidrógeno. Nuevamente, el nucleófilo preferirá atacar entre el pequeño grupo R y el hidrógeno. Pero en esta orientación, 107 grados hace que el nucleófilo ataque más cerca del átomo de hidrógeno más pequeño; ésta es una orientación muy preferida.

Selectividad anti-Felkin

Si bien el modelo de Felkin-Ahn hace un buen trabajo al predecir la mayoría de las reacciones sin aldehídos, existe una excepción. Si el carbono alfa tiene un sustituyente que puede quelar un metal (como un grupo OR), entonces la reacción observada será la opuesta a la predicha por el modelo de Felkin. Esto se debe a que el grupo OR (el grupo R grande) interactuará con el oxígeno del carbonilo, estabilizando la orientación opuesta.

Resumen de la lección

La inducción asimétrica es cuando una reacción prefiere un diastereómero o enantiómero sobre otro. Hay cuatro reglas principales que se utilizan para explicar cómo algunas reacciones sufren una inducción asimétrica; estos son:

• Regla de Cram: la reacción siempre pondrá al nucleófilo en el lado opuesto como el sustituyente más grande en el carbono alfa.
• Modelo de Felkin: la reacción alineará el sustituyente más pequeño del carbonilo entre los dos grupos R, como se ve en una proyección de Newman.
• Modelo de Felkin-Ahn: los aldehídos colocan el oxígeno carbonílico entre los dos grupos R en lugar del hidrógeno como lo predice el modelo de Felkin porque esto alinea la mejor orientación para que el nucleófilo ataque en un ángulo de 107 grados con respecto al oxígeno.
• Selectividad anti-Felkin: si un grupo R en el carbono alfa puede quelar metales, como con un grupo OR, entonces se formará el producto opuesto al predicho por el modelo Felkin.

Cada una de estas reglas ayuda a comprender lo que ocurre en las reacciones para producir un diastereómero o enantiómero sobre otros posibles productos.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador