Homoaromaticidad

La homoaromaticidad, en química orgánica, se refiere a un caso especial de aromaticidad en el que la conjugación se interrumpe por un solo átomo de carbono con hibridación sp. Aunque este centro sp interrumpe la superposición continua de los orbitales p, que tradicionalmente se pensaba que era un requisito para la aromaticidad, todavía se observan para dichos compuestos una estabilidad termodinámica considerable y muchas de las propiedades espectroscópicas, magnéticas y químicas asociadas con los compuestos aromáticos. Esta discontinuidad formal aparentemente está unida por la superposición de orbitales p, manteniendo un ciclo contiguo de electrones π que es responsable de esta estabilidad química preservada.

El concepto de homoaromaticidad fue iniciado por Saul Winstein en 1959, impulsado por sus estudios del catión “tris-homociclopropenilo”. Desde la publicación del artículo de Winstein, se ha dedicado mucha investigación a comprender y clasificar estas moléculas, que representan una clase adicional de moléculas aromáticas incluidas en la definición cada vez más amplia de aromaticidad. Hasta la fecha, se sabe que existen compuestos homoaromáticos como especies catiónicas y aniónicas, y algunos estudios respaldan la existencia de moléculas homoaromáticas neutras, aunque estas son menos comunes. El catión 'homotropylium' (C ₈ H ₉) es quizás el ejemplo mejor estudiado de un compuesto homoaromático.

Visión general

Denominación

El término "homoaromaticidad" se deriva de la similitud estructural entre los compuestos homoaromáticos y los alquenos homoconjugados análogos observados previamente en la literatura. El Libro de oro de la IUPAC exige que se utilicen los prefijos Bis-, Tris-, etc. para describir compuestos homoaromáticos en los que dos, tres, etc. centros sp interrumpen por separado la conjugación del sistema aromático.

Historia

El concepto de homoaromaticidad tiene su origen en el debate sobre los iones de carbonio no clásicos que se produjo en la década de 1950. Saul Winstein, un famoso defensor del modelo iónico no clásico, describió por primera vez la homoaromaticidad mientras estudiaba el catión 3-biciclo[3.1.0]hexilo.

En una serie de experimentos de acetólisis, Winstein et al. observó que la reacción de solvólisis ocurrió empíricamente más rápido cuando el grupo saliente tosilo estaba en la posición ecuatorial. El grupo atribuyó esta diferencia en las velocidades de reacción a la asistencia anquimérica invocada por el isómero "cis". Este resultado apoyó así una estructura no clásica para el catión.

Winstein observó posteriormente que este modelo no clásico del catión 3-biciclo[3.1.0]hexilo es análogo al catión ciclopropenilo aromático previamente estudiado. Al igual que el catión ciclopropenilo, la carga positiva se deslocaliza en tres carbonos equivalentes que contienen dos electrones π. Esta configuración electrónica satisface la regla de Huckel (que requiere 4n+2 electrones π) para la aromaticidad. De hecho, Winstein notó que la única diferencia fundamental entre este catión propenilo aromático y su catión hexilo no clásico era el hecho de que, en el último ion, la conjugación se interrumpe por tres - CH₂- unidades. Por lo tanto, el grupo propuso el nombre "tris-homociclopropenilo", la contraparte tris-homo del catión ciclopropenilo.

Evidencia de homoaromaticidad

Criterio de homoaromaticidad

El criterio de aromaticidad ha evolucionado a medida que nuevos desarrollos e ideas continúan contribuyendo a nuestra comprensión de estas moléculas orgánicas notablemente estables. Por lo tanto, las características requeridas de estas moléculas han seguido siendo objeto de cierta controversia. Clásicamente, los compuestos aromáticos se definían como moléculas planas que poseen un sistema cíclicamente deslocalizado de (4n+2)π electrones, satisfaciendo la regla de Huckel. Lo que es más importante, se sabe que estos sistemas de anillos conjugados exhiben una enorme estabilidad termoquímica en relación con las predicciones basadas en estructuras de resonancia localizadas. Sucintamente, tres características importantes parecen caracterizar a los compuestos aromáticos:

1. estructura molecular (es decir, coplanaridad: todos los átomos contribuyentes en el mismo plano)
2. energética molecular (es decir, mayor estabilidad termodinámica)
3. propiedades espectroscópicas y magnéticas (es decir, corriente de anillo inducida por campo magnético)

Sin embargo, existen varias excepciones a estas reglas convencionales. Muchas moléculas, incluidas las especies de electrones 4nπ de Möbius, los estados de transición pericíclicos, las moléculas en las que los electrones deslocalizados circulan en el plano del anillo o a través de enlaces σ (en lugar de π), muchas moléculas sándwich de metales de transición y otras se han considerado aromáticas aunque de alguna manera se desvían. de los parámetros convencionales de aromaticidad.

En consecuencia, el criterio para la deslocalización homoaromática sigue siendo igualmente ambiguo y algo controvertido. El catión homotropylium (C ₈ H ₉), aunque no es el primer ejemplo de un compuesto homoaromático jamás descubierto, ha demostrado ser el más estudiado de los compuestos clasificados como homoaromáticos y, por lo tanto, a menudo se considera el ejemplo clásico de homoaromaticidad. A mediados de la década de 1980, se informaron más de 40 derivados sustituidos del catión homotropylium, lo que refleja la importancia de este ion en la formulación de nuestra comprensión de los compuestos homoaromáticos.

Evidencia temprana de homoaromaticidad

Después de que Winstein publicara informes iniciales de una estructura "homoaromática" para el catión tris-homociclopropenilo, muchos grupos comenzaron a informar observaciones de compuestos similares. Una de las moléculas mejor estudiadas es el catión homotropylium, cuyo compuesto original fue aislado por primera vez como una sal estable por Pettit, et al. en 1962, cuando el grupo hizo reaccionar ciclooctatraeno con ácidos fuertes. Gran parte de la evidencia inicial de la homoaromaticidad proviene de las observaciones de propiedades de RMN inusuales asociadas con esta molécula.

Estudios de espectroscopia de RMN

Mientras caracterizaban el compuesto resultante de la desprotonación de ciclooctatrieno por espectroscopía de RMN H, el grupo observó que la resonancia correspondiente a dos protones unidos al mismo carbono del puente de metileno exhibía un asombroso grado de separación en el desplazamiento químico.

A partir de esta observación, Pettit, et al. concluyó que la estructura clásica del catión ciclooctatrienilo debe ser incorrecta. En cambio, el grupo propuso la estructura del compuesto biciclo[5.1.0]octadienilo, con la teoría de que el enlace ciclopropano ubicado en el interior del anillo de ocho miembros debe estar sujeto a una deslocalización considerable, lo que explica la gran diferencia en el cambio químico observado. Tras una mayor consideración, Pettit se inclinó a representar el compuesto como el "ion homotropylium", que muestra el enlace "ciclopropano interno" totalmente reemplazado por la deslocalización de electrones. Esta estructura muestra cómo la deslocalización es cíclica e involucra 6 electrones π, de acuerdo con la regla de aromaticidad de Huckel. El campo magnético de la RMN podría inducir una corriente de anillo en el ion, responsable de las diferencias significativas en la resonancia entre los protones exo y endo de este puente de metileno. Petit, et al. enfatizó así la notable similitud entre este compuesto y el ion aromático tropylium, describiendo una nueva "homo-contrapartida" a una especie aromática ya conocida, precisamente como lo predijo Winstein.

Los estudios posteriores de RMN realizados por Winstein y otros buscaron evaluar las propiedades de los complejos de carbonilo metálico con el ion homotropylium. La comparación entre un complejo de molibdeno y un complejo de hierro resultó particularmente fructífera. Se esperaba que el tricarbonilo de molibdeno se coordinara con el catión homotropylium al aceptar 6 electrones π, preservando así las características homoaromáticas del complejo. Por el contrario, se esperaba que el tricarbonilo de hierro se coordinara con el catión aceptando solo 4 electrones π del ion homotropylium, creando un complejo en el que se localizan los electrones del catión. Los estudios de estos complejos por espectroscopía de RMN H mostraron una gran diferencia en los valores de desplazamiento químico para los protones de metileno del complejo de Mo, consistente con una estructura homoaromática.

Estudios de espectroscopia UV

Una pieza importante de evidencia temprana en apoyo de la estructura catiónica del homotropilio que no dependía de las propiedades magnéticas de la molécula implicó la adquisición de su espectro UV. Winstein et al. determinó que los máximos de absorción para el catión homotropylium exhibieron una longitud de onda considerablemente más corta que la que se precisaría para el catión ciclooctatrienilo clásico o el compuesto biciclo[5.1.0]octadienilo con el enlace ciclopropano interno completamente formado (y una estructura electrónica localizada). En cambio, el espectro UV se parecía más al del ion aromático tropilio. Otros cálculos permitieron a Winstein determinar que el orden de enlace entre los dos átomos de carbono adyacentes al puente de metileno exterior es comparable al del enlace π que separa los átomos de carbono correspondientes en el catión tropilio.Aunque este experimento demostró ser muy esclarecedor, los espectros UV generalmente se consideran malos indicadores de aromaticidad u homoaromaticidad.

Evidencia más reciente de homoaromaticidad

Más recientemente, se ha trabajado para investigar la estructura del ion homotropylium supuestamente homoaromático empleando varias otras técnicas experimentales y cálculos teóricos. Un estudio experimental clave involucró el análisis de un ion homotropylium sustituido por cristalografía de rayos X. Estos estudios cristalográficos se han utilizado para demostrar que la distancia internuclear entre los átomos en la base de la estructura del ciclopropenilo es más larga de lo que se esperaría para una molécula de ciclopropano normal, mientras que los enlaces externos parecen ser más cortos, lo que indica la participación del ciclopropano interno. bono a cargo de la deslocalización.

Descripción de orbitales moleculares

La explicación de los orbitales moleculares de la estabilidad de la homoaromaticidad ha sido ampliamente discutida con numerosas teorías diversas, en su mayoría centradas en el catión homotropenilio como referencia. RC Haddon propuso inicialmente un modelo de Mobius en el que los electrones externos del carbono (2) del puente de metileno hibridado sp retrodonan a los carbonos adyacentes para estabilizar la distancia C1-C3.

Teoría de los orbitales moleculares de perturbación

La homoaromaticidad se puede explicar mejor usando la Teoría Orbital Molecular de Perturbación (PMO) como se describe en un estudio de 1975 de Robert C. Haddon. El catión homotropenilio se puede considerar como una versión perturbada del catión tropenilio debido a la adición de un enlace homoconjugado que interfiere con la resonancia del catión original.

Efectos de primer orden

El factor más importante que influye en el carácter homoaromático es la adición de un único enlace homoconjugado en el compuesto aromático original. La ubicación del enlace homoconjugado no es importante ya que todas las especies homoaromáticas pueden derivar de compuestos aromáticos que poseen simetría y el mismo orden de enlace entre todos los carbonos. La inserción de un enlace homoconjugado perturba la densidad de electrones π en una cantidad δβ, que dependiendo del tamaño del anillo, debe ser mayor que 0 y menor que 1, donde 0 representa ninguna perturbación y 1 representa la pérdida total de aromaticidad (desestabilización equivalente a la forma de cadena abierta).Se cree que al aumentar el tamaño del anillo, la estabilización por resonancia de la homoaromaticidad se compensa con la tensión en la formación del puente homoconjugado. De hecho, el tamaño máximo del anillo para la homoaromaticidad es bastante bajo, ya que un anillo anuleno de 16 miembros favorece la formación del dicación aromático sobre el homocatión con puente tenso.

Efectos de segundo orden

Segundo enlace homoconjugado

Un efecto significativo de segundo orden en el modelo orbital molecular de perturbación de homoaromaticidad es la adición de un segundo enlace homoconjugado y su influencia en la estabilidad. El efecto suele ser una duplicación de la inestabilidad provocada por la adición de un solo enlace homoconjugado, aunque hay un término adicional que depende de la proximidad de los dos enlaces. Para minimizar δβ y así mantener el término de acoplamiento al mínimo, se forman compuestos bishomoaromáticos dependiendo de la conformación de mayor estabilidad por resonancia y menor impedimento estérico. La síntesis del catión 1,3-bishomotropenilio al protonar cis-biciclo[6.1.0]nona-2,4,6-trieno concuerda con los cálculos teóricos y maximiza la estabilidad al formar los dos puentes de metileno en el primer y tercer carbono.

Sustituyentes

La adición de un sustituyente a un compuesto homoaromático tiene una gran influencia sobre la estabilidad del compuesto. Dependiendo de las ubicaciones relativas del sustituyente y del enlace homoconjugado, el sustituyente puede tener un efecto estabilizador o desestabilizador. Esta interacción se demuestra mejor observando un catión de tropenilio sustituido. Si un grupo donador de electrones inductivamente se une al catión en la posición de carbono 1 o 3, tiene un efecto estabilizador, mejorando el carácter homoaromático del compuesto. Sin embargo, si este mismo sustituyente está unido al segundo o cuarto carbono, la interacción entre los sustituyentes en el puente homoconjugado tiene un efecto desestabilizador. Por lo tanto, la protonación de ciclooctatetraenos sustituidos con metilo o fenilo dará como resultado el isómero 1 del catión homotropenilio.

Ejemplos de compuestos homoaromáticos

Tras el descubrimiento de los primeros compuestos homoaromáticos, la investigación se centró en sintetizar nuevos compuestos homoaromáticos que posean una estabilidad similar a la de sus compuestos originales aromáticos. Hay varias clases de compuestos homoaromáticos, cada uno de los cuales ha sido predicho teóricamente y probado experimentalmente.

Homoaromáticos catiónicos

Las especies homoaromáticas más establecidas y conocidas son los compuestos homoaromáticos catiónicos. Como se indicó anteriormente, el catión homotropenilio es uno de los compuestos homoaromáticos más estudiados. Muchos compuestos catiónicos homoaromáticos utilizan como base un catión de ciclopropenilo, un catión de tropilio o un catión de ciclobutadieno, ya que estos compuestos exhiben un fuerte carácter aromático.

Además del catión homotropylium, otro compuesto homoaromático catiónico bien establecido es el catión norbornen-7-ilo, que ha demostrado ser fuertemente homoaromático, tanto teórica como experimentalmente.

Un caso intrigante de σ-bishomoaromaticidad se puede encontrar en las dicaciones de pagodanes. En estos sistemas de 4 centros y 2 electrones, la deslocalización ocurre en el plano que está definido por los cuatro átomos de carbono (el prototipo del fenómeno de σ-aromaticidad es el ciclopropano, que gana alrededor de 11,3 kcal mol de estabilidad a partir del efecto). Los dicaciones son accesibles por oxidación del pagodano o por oxidación del bis-seco-dodecaedradieno correspondiente:

La reducción de los correspondientes dianiones de seis electrones no ha sido posible hasta ahora.

Homoaromáticos neutros

Hay muchas clases de compuestos homoaromáticos neutros, aunque existe un gran debate sobre si realmente exhiben un carácter homoaromático o no. Una clase de homoaromáticos neutros se denominan monohomoaromáticos, uno de los cuales es el cicloheptatrieno, y se han sintetizado numerosos monohomoaromáticos complejos. Un ejemplo particular es un derivado fulleroide de 60 carbonos que tiene un solo puente de metileno. Los análisis de UV y NMR han demostrado que el carácter aromático de este fulleroide modificado no se altera por la adición de un enlace homoconjugado, por lo tanto, este compuesto es definitivamente homoaromático.

Bishomoaromáticos

Durante mucho tiempo se consideró que los mejores ejemplos de homoaromáticos neutros son los bishomoaromáticos como el barrileno y el semibullvaleno. Sintetizado por primera vez en 1966, el semibullvaleno tiene una estructura que debería prestarse bien a la homoaromaticidad, aunque ha habido mucho debate sobre si los derivados del semibullvaleno pueden proporcionar un compuesto homoaromático neutro en estado fundamental, verdaderamente deslocalizado o no. En un esfuerzo por estabilizar aún más la estructura de transición deslocalizada mediante la sustitución del semibullvaleno por grupos aceptores y donantes de electrones, se ha encontrado que la barrera de activación para este reordenamiento puede reducirse, pero no eliminarse.Sin embargo, con la introducción de la tensión del anillo en la molécula, destinada a desestabilizar la estructura del estado fundamental localizado mediante la adición estratégica de anulaciones cíclicas, se puede lograr una estructura del estado fundamental homoaromático deslocalizado.

De los homoaromáticos neutros, los compuestos que mejor se cree que exhiben homoaromaticidad neutra son compuestos que contienen boro de 1,2-diboretano y sus derivados. Se muestra que los diboretanos sustituidos tienen una estabilización mucho mayor en el estado deslocalizado que en el localizado, dando fuertes indicaciones de homoaromaticidad. Cuando los grupos donantes de electrones se unen a los dos átomos de boro, el compuesto favorece un modelo clásico con enlaces localizados. El carácter homoaromático se ve mejor cuando los grupos atractores de electrones están unidos a los átomos de boro, lo que hace que el compuesto adopte una estructura deslocalizada no clásica.

Trishomoaromáticos

Como sugiere el nombre, los trishomoaromáticos se definen como aquellos que contienen un puente de metileno adicional en comparación con los bishomoaromáticos, por lo que contienen tres de estos puentes homoconjugados en total. Al igual que el semibullvaleno, todavía hay mucho debate sobre el alcance del carácter homoaromático de los trishomoaromáticos. Si bien teóricamente son homoaromáticos, estos compuestos muestran una estabilización de no más del 5% del benceno debido a la deslocalización.

Homoaromáticos aniónicos

A diferencia de los compuestos homoaromáticos neutros, se acepta ampliamente que los homoaromáticos aniónicos exhiben homoaromaticidad "verdadera". Estos compuestos aniónicos a menudo se preparan a partir de sus compuestos originales neutros mediante la reducción de metal de litio. Los derivados de 1,2-diboretanida muestran un fuerte carácter homoaromático a través de su enlace de dos electrones de tres átomos (boro, boro, carbono), que contiene enlaces CB más cortos que en el análogo neutro clásico. Estos 1,2-diboretanides se pueden expandir a tamaños de anillo más grandes con diferentes sustituyentes y todos contienen algún grado de homoaromaticidad.

La homoaromaticidad aniónica también se puede ver en compuestos dianiónicos de bis-diazeno, que contienen un centro de cuatro átomos (cuatro nitrógenos) y seis electrones. Los resultados del experimento han mostrado el acortamiento de la distancia nitrógeno-nitrógeno transanular, lo que demuestra que el bis-diazeno dianiónico es un tipo de compuesto bishomoaromático aniónico. La característica peculiar de estos sistemas es que la deslocalización cíclica de electrones tiene lugar en el plano σ definido por los cuatro nitrógenos. Estos bis-diazeno-dianiones son, por lo tanto, los primeros ejemplos de σ-bishomoaromaticidad de 4 centros y 6 electrones. Los correspondientes sistemas σ-bishomoaromáticos de 2 electrones se realizaron en forma de dicaciones de pagodano (ver arriba).

Antihomoaromaticidad

También hay informes de compuestos antihomoaromáticos. Así como los compuestos aromáticos exhiben una estabilidad excepcional, los compuestos antiaromáticos, que se desvían de la regla de Huckel y contienen un circuito cerrado de electrones 4n π, son relativamente inestables. El catión biciclo [3.2.1] octa-3,6-dien-2-ilo con puente contiene solo 4 electrones π y, por lo tanto, es "bishomoantiaromático". Una serie de cálculos teóricos confirman que, de hecho, es menos estable que el catión alilo correspondiente.

De manera similar, un catión biciclo[3.2.1]octa-3,6-dien-2-ilo sustituido (el catión 2-(4'-Fluorofenil) biciclo[3.2.1]oct-3,6-dien-2-ilo) también demostró ser un antiaromato en comparación con su catión alilo correspondiente, corroborado por cálculos teóricos y por análisis de RMN.