Efecto solvente y del sustiyente sobre el equilibrio y la cinética de tautomerización ceto-enólica de 4-X-2Hidroxiacetofenonas

YAMINA A. DÁVILA; MARIA C. ALMANDOZ; MATIAS I. SANCHO; SONIA E. BLANCO

Tucumán, Argentina

Congreso; XXVII Congreso Argentino de Química; 2008

Asociación Química Argentina, Universidad Nacional de San Luis

En la ocurrencia de diversos procesos de interés en Química y Biología, la identificación y caracterización de equilibrios tautoméricos es de importancia fundamental. Por este motivo, el tautomerismo de numerosos compuestos orgánicos constituye el principal objetivo de continuos estudios que hacen uso de métodos de variada naturaleza, entre ellos los métodos teóricos químico-cuánticos. Las energías de solvatación de los tautómeros involucrados en un cierto equilibrio pueden variar significativamente y consecuentemente, constituir un factor determinante del comportamiento fisicoquímico de tales sistemas. Este hecho pone de manifiesto la relevancia de disponer de un modelo de campo de reacción electrostático que sea útil, para describir adecuadamente, la estabilidad de tautómeros en solución y asimismo, para calcular las constantes de equilibrio tautoméricas pertinentes.En general, el esqueleto molecular de moléculas cíclicas es bastante compacto y rígido. Por consiguiente, una representación esférica para la cavidad del soluto es una buena aproximación para estos sistemas. En cambio, el campo de reacción de moléculas flexibles conformacionalmente, suele ser notablemente más complejo. Para explicar la influencia del solvente y de los sustituyentes sobre la cinética y el equilibrio de tautomerización de 4-Sustituidas-2-Hidroxi-Acetofenonas, en este trabajo se realizó un estudio teórico aplicando el método B3LYP/6-31G(d) que hace uso del modelo SCIPCM.Las acetofenonas utilizadas en los cálculos realizados fueron las siguientes: 2-hidroxi-acetofenona (1), 2-hidroxi-4-fluor-acetofenona (2), 2-hidroxi-4-cloro-acetofenona (3), 2-hidroxi-4-nitro-acetofenona (4), 2-hidroxi-4-metoxi-acetofenona (5), 2,4-dihidroxi-acetofenona (6) y 2-hidroxi-4-amino-acetofenona (7). Las estructuras de los tautómeros y estados de transición estudiados fueron optimizadas con el método B3LYP/6-31G(d) utilizando el programa Gaussian 03. Para analizar el efecto solvente, las constantes de equilibrio tautomérico se calcularon en agua (H2O), metanol (MeOH) y etanol (EtOH) utilizando el modelo SCIPCM.En la Figura 1 se esquematiza la reacción estudiada, tomando como ejemplo el compuesto 1. En esta Figura, el tautómero C corresponde a la forma ceto mientras que E representa al enol y TS es el correspondiente estado de transición. Esta reacción está caracterizada por su correspondiente constante de equilibrio tautomérico KT y por una constante de velocidad k1.La constante de equilibrio KT puede ser calculada conociendo el DGº de la reacción, por medio de la ecuación de van´t Hoff:Donde R es la constante universal de los gases y T es la temperatura absoluta. Por otra parte, la constante de velocidad k1 puede calculares con los valores de DG#(diferencia entre la energía de Gibbs del TS con la del tautómero C), haciendo uso de la teoría del Estado de Transición:Donde kB es la constante de Boltzman y h es la constante de Planck.Para analizar el efecto del sustituyente sobre el equilibrio y la cinética del tautomerismo estudiado, se utilizó la constante de Hammett del sustituyente en posición para (sigmaP). A continuación se detallan las relaciones obtenidas entre el Ln KT y el Ln k1 con la constante de Hammett σP:Estudio en el equilibrio:Estudio CinéticoDe las ecuaciones (3-5) se observa que la constante σP se correlaciona muy bien con el Ln KT en los tres solventes analizados. Asimismo, las pendientes de las rectas obtenidas son positivas, con lo cual se puede concluir que se ve favorecido el desplazamiento del equilibrio planteado hacia la derecha (tautómero E) cuando en posición 4 se encuentran grupos atractores de electrones, como lo son el grupo F, Cl y NO2 (compuestos 2, 3 y 4). El efecto opuesto es provocado por grupos dadores de electrones en posición para (compuestos 5, 6 y 7). Por otra parte, de las ecuaciones (6-8) se observa que los sustituyentes producen un efecto opuesto sobre la velocidad de la reacción del que producen sobre equilibrio tautomérico. Es decir, son los sustituyentes dadores de electrones los que favorecen la velocidad de tautomerización, mientras que los grupos atractores de electrones la retardan. Esto se evidencia por las pendientes negativas obtenidas de las relaciones entre Ln k1 y sigmaP.Los resultados obtenidos con los métodos teóricos utilizados indican que el equilibrio de tautomerización ceto-enólico de las 4-Sustituidas-2-Hidroxi-Acetofenonas se ve afectado por la naturaleza del sustituyente, donde los grupos atractores de electrones en posición 4 estabilizan al enol de manera más eficaz que los grupos dadores de electrones, y por lo tanto favorecen el equilibrio planteado. De forma contraria, los grupos dadores de electrones favorecen la velocidad de tautomerización, ya que provocan una mayor estabilización de los correspondientes TS. Los resultados obtenidos son muy similares en los tres solventes analizados, con lo cual el efecto que éstos producen en la reacción es de proporción mucho menor con respecto al efecto ejercido por los sustituyentes.