Reacciones Acopladas

¿Cómo se definen las reacciones de acoplamiento?

¿Qué es una reacción de acoplamiento?

Consideremos una reacción química, en la que dos reactantes, A y B, se combinan para formar dos productos, C e I :

$$A+B \rightleftarrows C+I$$

Observa que la reacción es reversible. Esta reacción puede ser forzada a continuar para producir otros productos si la especie I, a la que nos referiremos como intermedio, es consumida por una reacción posterior.

$$I+D \rightleftarrows E+F$$

Ahora, formemos una cadena de reacción más larga en la que el producto, I, se convierta ahora en un intermedio de la reacción y reaccione a su vez con otro reactante, D, dando lugar a la formación de los productos, E y F, a lo largo de la cadena de reacción:

Figura 1: Cadena de reacción

Digamos que la energía libre de Gibbs para la primera parte de la reacción es mayor que cero, ΔG > 0. Entonces, esta parte de la reacción es termodinámicamente desfavorable porque, ΔG > 0, es positiva para esta reacción. Lo que esto significa es que esta parte de la reacción no es espontánea, o que la reacción se moverá hacia el lado de los productos sólo con la aportación de energía libre.

Observa que el intermediario, I, acopla las dos reacciones. Esto es lo que entendemos por reacción de acoplamiento: un intermediario, I, pasa de ser un producto en una reacción anterior a ser un reactivo en la siguiente reacción de una cadena de reacciones. En muchos casos, las reacciones acopladas utilizan una reacción termodinámicamente favorecida para impulsar una reacción desfavorable.

Ejemplo de reacción de acoplamiento

Consideremos ahora la siguiente reacción que produce yoduro, I ^-, a partir de peróxido de hidrógeno, _H2O2, y ácido sulfúrico, _H2SO4. En primer lugar, se prepara una solución acuosa que contenga peróxido de hidrógeno, ácido sulfúrico y almidón. En otro vaso de precipitados, se prepara una solución acuosa de yodo y tiosulfato. A continuación, se mezclan las dos soluciones:

Figura 2: Reacción del reloj de yodo

En primer lugar, observamos que el ácido sulfúrico es la fuente de los dos protones ácidos, H ⁺, en el lado izquierdo de la primera reacción. Observa también, en la reacción anterior, que el yodo, _I2, es un intermediario de la primera reacción. En la segunda reacción, el intermedio es el yoduro, I ^-, que a su vez se convierte en uno de los reactantes de la primera reacción. En particular, en la segunda reacción, el yodo se reconvierte en yoduro, I ^-, mediante tiosulfato, ^S2O32-. Cuando se agota el tiosulfato, ^S2O32-, , la reacción se detiene.

El almidón se añade a la reacción al principio como indicador de color que se vuelve azul oscuro en presencia de una cantidad suficiente de yoduro, I ^-.

¿Por qué estas reacciones acopladas se denominan reacciones de reloj de yodo? La reacción se conoce como reacción de reloj porque las concentraciones de los ingredientes iniciales afectan al tiempo que tarda la solución en volverse azul oscuro.

Cuando se mezclan las soluciones, las dos reacciones se producen simultáneamente. La primera reacción del reloj del yodo es mucho más lenta que la segunda. Como consecuencia, la segunda reacción hace que el yodo, _I2, se consuma más rápidamente de lo que se produce. El retraso que experimenta el tiosulfato, ^S2O32-, mientras espera a que se produzca más yodo en la primera reacción es la causa del retraso observado para que el almidón se vuelva azul oscuro.

Reacciones de acoplamiento cruzado

Hablemos ahora de las reacciones de acoplamiento cruzado. Pero, antes, debes familiarizarte con los siguientes términos:

¿Cuál es el papel del ATP en las reacciones acopladas?

• El trifosfato de adenosina (ATP) es una sustancia bioquímica importante.

• Tu cuerpo funciona gracias a la energía liberada durante la hidrólisis del ATP.

• La síntesis de ATP está catalizada por diversas enzimas de tu cuerpo.

• De hecho, tu cuerpo produce e hidroliza aproximadamente tu propio peso corporal en ATP cada día en un esfuerzo por mantener la vida.

La hidrólisis del trifosfato de adenosina (ATP) es unejemplo dereacción de acoplamiento cruzado.

Consideremos el cambio de energía libre de Gibbs asociado a la hidrólisis del ATP. La ecuación de la energía libre de Gibbs se aplica a sistemas termodinámicos que están en equilibrio químico y también a temperatura y presión constantes. Matemáticamente:

$$G=H-TS$$

Donde la energía libre de Gibbs es G, la entalpía es H, la temperatura del sistema es T y la entropía del sistema es, S. Al igual que ocurre con la entalpía H, la energía libre de Gibbs y la entropía del sistema no pueden medirse directamente. Sólo puede medirse la diferencia de la energía libre de Gibbs para cualquier sistema:

$$\Delta{G}=\Delta{H}-T\Delta{S}$$

Donde la diferencia de energía libre de Gibbs es ΔG, la diferencia de entalpía es ΔH, la temperatura del sistema es T, y la diferencia de entropía del sistema es ΔS. Para más detalles, consulta el artículo "Energía libre de Gibbs".

Considera la hidrólisis del ATP:

$$ATP+H_2O \arrowright ADP-OH+P_i+H^+$$

donde los productos son difosfato de adenosina, ADP-OH, fosfato inorgánico, _Pi, y un ion hidronio, ^H+. La energía libre de Gibbs liberada durante esta reacción es

$$\Delta{G}=-31\frac{kJ}{mol}$$

Ahora te preguntarás: "¿Cómo participan los portadores de energía en las reacciones acopladas?". Los intermediarios que acoplan las reacciones son los portadores de energía que actúan pasando de una reacción a otra en una cadena de reacciones.

Figura 3: Glucólisis acoplada a la síntesis de proteínas.

Como se muestra en el ejemplo anterior, la termodinámica de la hidrólisis del ATP tiene una importancia fundamental para la vida misma. La termodinámica muestra que la hidrólisis del ATP libera una gran cantidad de energía libre que el cuerpo utiliza para impulsar las reacciones metabólicas que mantienen la vida.

Reacción de acoplamiento de aminas

¿Qué es una reacción de acoplamiento cruzado de aminas? Una reacción de acoplamiento cruzado de aminas consiste en una reacción entre una amina y una molécula orgánica:

• Una molécula orgánica es una molécula basada en el carbono.

• Una amina es una molécula orgánica que contiene un grupo amino, _-NH2.

• En química orgánica, las reacciones típicas de acoplamiento cruzado de aminas implican la combinación de dos moléculas orgánicas, normalmente catalizadas por un catalizador organometálico.

Un método muy utilizado para producir materiales de partida farmacéuticamente útiles utiliza una serie de reacciones basadas en la aminación de Buchwald-Hartwig.

Pero, ¿qué es la aminación de Buchwald-Hartwig?

• La aminaciónBuchwald-Hartwig consiste en la unión de dos fragmentos en una reacción de acoplamiento cruzado de aminas.

• Las dos moléculas orgánicas suelen ser un haluro de arilo y una amina.

• El catalizador utilizado en este tipo de reacción de acoplamiento cruzado de aminas suele ser un catalizador organometálico a base de paladio.

• La reacción de animación de Buchwald-Hartwig utiliza un catalizador a base de paladio para aumentar la velocidad de una reacción de acoplamiento cruzado entre haluros de arilo y aminas que da lugar a la formación de un enlace carbono-nitrógeno (-C-N-).

Consideremos ahora un ejemplo concreto de la reacción de aminación de Buchwald-Hartwig, en la que un aril-bromuro (reactante) produce una amina aril-terciaria (producto):

Figura 5: Reacción de aminación de Buchwald-Hartwig.

Donde, las distintas partes son:

Figura 6: Grupos funcionales, reacción de aminación de Buchwald-Hartwig

El mecanismo de reacción global de esta reacción de acoplamiento cruzado, que es bastante complejo (no cubriremos todos los detalles), implica el siguiente ciclo catalítico:

Figura 7: Ciclo catalítico, reacción de aminación de Buchwald-Hartwig.

Consideremos sólo los compuestos marcados con cuadrados de color. El cuadrado negro corresponde al siguiente complejo:

Figura 8: Complejo de paladio en la reacción de aminación de Buchwald-Hartwig

Aquí observamos que los centros metálicos reactivos del paladio, Pd, están rodeados de grupos funcionales que bloquean el acceso a estos átomos reactivos. Esta propiedad de bloquear las vías de acceso a los centros reactivos se denomina impedimento estérico. Observamos además que una vez que este complejo entra en equilibrio, \(L_2Pd(X_2)_2PdL_2 \leftrightarrows L_2Pd \leftrightarrows LPd\), donde:

Figura 9: Fórmulas ampliadas de los compuestos de Pd en equilibrio

A medida que avanzamos en el sentido de las agujas del reloj a lo largo del ciclo catalítico, observa la adición del aril-bromuro al catalizador de paladio:

Figura 10: Fórmula ampliada del aril-bromuro

A medida que avanzamos en el sentido de las agujas del reloj a lo largo del ciclo catalítico, vemos la adición de la siguiente base que actúa como nucleófilo que extrae un protón del complejo catalítico:

Figura 11: Fórmula ampliada de la base

Por último, la adición de la base da lugar a la síntesis del producto final:

Figura 12: Fórmula ampliada del producto final

Reacción de acoplamiento de Ullmann

La reacción de acoplamiento de Ullman es una reacción de acoplamiento cruzado catalizada por cobre entre dos moléculas de yodobenceno. Un yodobenceno es un anillo de benceno unido a un átomo de yodo. Entre las moléculas de yodobenceno se forman productos de condensación. Así, el yodobenceno puede reaccionar con otro yodobenceno, en presencia de un catalizador a base de cobre, para formar el producto de condensación bifenilo.

Figura 13: Ejemplo de reacción de acoplamiento de Ullmann.