Ativação cooperativa de substrato pelo metal e pela tirosina redox ativa em transformação catalítica do tipo radical mediada por GOase

Uma estratégia ligada ao conceito anterior é usar diretamente as propriedades redox não inocentes de um próprio substrato.105a,b A idéia é que a transferência de elétrons para ou a partir de um substrato ativo redox impõe um comportamento intrínseco radicalar a este mesmo substrato, o que geralmente leva a uma típica reatividade radicalar útil nas etapas elementares subsequentes em um ciclo catalítico. Essa abordagem efetivamente leva a espécies radicais centradas no

substrato que muitas vezes têm uma reatividade e seletividade completamente diferentes em comparação com intermediários análogos. O conceito é bem ilustrado pelo mecanismo catalítico recentemente descrito para reações de transferência de carbeno catalisadas por Co(II)porfirinatos (CoP).20

2.4 Transferência de Carbenos Radicais por Co(II)porfirinatos

Os radicais carbeno pode ser formados por redução de um elétron de carbenos do tipo Fischer usando um agente redutor externo ou diretamente a partir de um complexo de metal de transição de camada aberta, em particular complexos de cobalto(II) de baixo spin usando diazocompostos como fonte de carbeno. Os radicais cobalto(III)-carbeno encontram aplicações catalíticas em reações de ciclopropanação,20 dentre uma variedade de outras reações catalíticas radicalares.109

Dentre a ampla variedade de sistemas catalíticos para produção de anéis ciclopropano, os sistemas catalíticos baseados em metaloporfirinas são únicos devido à sua excelente seletividade e alta rotatividade (turnover number, TON). As metaloporfirinas foram utilizadas pela primeira vez com esta finalidade por Callot110 com porfirinatos de ródio, o que mais tarde foi significativamente expandido por Kodadek.111 Woo112 mostrou que as porfirinas de ósmio também podem catalisar a ciclopropanação de alcenos, embora com menos eficiência. Subsequentemente, Kodadek e Woo relataram que as porfirinas de ferro são catalisadores ativos para a ciclopropanação de alcenos seletiva e estereoquimicamente.113 Anos depois as atividades catalíticas de ciclopropanação assimétrica de porfirinas de rutênio foram divulgadas por Che et al., dentre outros.114

Os grupos de Zhang20a e Cenini20b publicaram de forma independente que CoP mediam reações de transferência de carbenos formados a partir de diazoacetatos a olefinas terminais para formar derivados de ciclopropanos em rendimentos elevados. O grupo de Zhang inicialmente relatou que porfirinas de cobalto, ferro e rutênio podem catalisar a olefinação seletiva de aldeídos e cetonas com diazocompostos na presença de trifenilfosfina.115 O mecanismo proposto foi associado à transferência de carbeno da porfirina de cobalto para a trifenilfosfina. Já o grupo de Cenini inicialmente revelou a atividade catalítica de CoP em reações de aminação de olefinas109j e ligações C-H benzílicas109k,l com azidas aromáticas como agentes aminantes. Em seguida, os grupos de Zhang e Cenini revelaram que as

porfirinas de cobalto são de fato catalisadores eficientes e gerais para a ciclopropanação diastereosseletiva e assimétrica de uma variedade de olefinas. As reações podem ser realizadas one-pot, sem a necessidade de adição lenta de diazocompostos e com alcenos como reagentes limitantes, um protocolo prático que é atípico quando comparado aos sistemas de metaloporfirina previamente relatados. Sob essas condições práticas, foi demonstrado que CoP são catalisadores superiores em comparação com as porfirinas de ferro, rutênio e ródio, já que a comum reação colateral de dimerização dos carbenoides foi minimizada dentro do sistema baseado em CoP.20 Além disso, foi demonstrado que a diastereosseletividade pode ser ajustada pelo uso de diferentes ligantes porfirina ou pela adição de certos aditivos, fornecendo ciclopropanos trans ou cis dominantes.20c Os autores inicialmente supuseram que essa catálise prossegue por um mecanismo similar ao proposto para outros sistemas de metaloporfirina. Esforços foram feitos para elucidar a natureza do intermediário metal-carbenoide através de estudos de cristalografia de raios-X e RMN. Vários intermediários foram observados por RMN de 1

H e 13C quando CoTPP foi reagido com excesso de EDA na ausência de um substrato alceno. A complexidade e multiplicidade dos intermediários, no entanto, impediu a atribuição definitiva da natureza estrutural do intermediário.

Outra característica intrigante dos sistemas baseados em CoP é a sua eficácia na ciclopropanação de olefinas eletrodeficientes.20g Essa diferente reatividade sugere algum caráter nucleofílico em seu intermediário metal- carbenoide. Isso é inesperado, pois em análogos baseados em Rh ou Cu seria esperada a formação de carbenos eletrofílicos (tipo Fisher). De Bruin e colaborares fizeram um estudo mais aprofundado da natureza do intermediário metal-carbenoide em CoP.20d De forma geral, os carbeno podem ligar-se ao centro metálico de duas maneiras: (1) coordenação clássica do carbono do carbeno unicamente ao metal de transição, onde geralmente se pensa que este "carbeno terminal" resulta em uma ligação dupla metal-carbono; e (2) como um "carbeno em ponte" entre o metal e um nitrogênio de pirrolato do porfirinato (Figura 2.7). O intermediário cobalto-carbenoide foi detectados por infravermelho de forma independente pelos grupos de Yamada116 e Cenini,20b embora com uma frequência de estiramento de carbonila diferentes. Enquanto Yamada, por meio de cálculos DFT, atribuiu o resultado a formação de ligações simples de carbono-cobalto propondo que esta espécie tenha densidade de

vizinha, Cenini atribuiu à espécie carbeno em ponte que julgou ser o intermediário ativo na reação de ciclopropanação.

Figura 2.7 – Possíveis formas de coordenação do carbeno em complexos de metaloporfirinas.

Para os complexos de Ir(II), de Bruin e colaboradores demonstraram, experimental e computacionalmente, que os ligantes de carbeno gerados a partir de diazoésteres como EDA e em metais de transição do grupo 8 de camada aberta spin baixo, de fato, comportam-se como ligantes redox não inocentes.117 Em analogia, as espécies proposta "carbeno terminal" de Co(II)porfirinato talvez não seriam verdadeiros "carbenos" no sentido clássico, mas sim "radicais de carbeno" centrados no carbono.20d

O grupo de Bruin detectou que a adição de 4,0 eq de EDA a uma solução de CoTPP em tolueno leva ao desaparecimento instantâneo de seus sinais de EPR (Figura 2.8). Porém estudos realizados pelo grupo de Cenini20b por análises de RMN 1

H demostram que este intermediário é paramagnético. Dessa forma, o silenciamento dos sinais de EPR não deve estar relacionado à formação de espécies diamagnéticas Co(III)TPP-EDA. Para interpretar o espectro EPR o mesmo foi dividido em parte I, II e III. A região II está relacionada a ligantes de carbono campo forte (como CO, isocianetos) para CoP, enquanto que I está relacionada a coordenação de ligante de campo fraco (como água). Portanto, I foi atribuído à coordenação do EDA à CoP via carbono, carbonila ou dinitrogênio e II pode ser atribuído ao carbeno em ponte. Já a região III é indicativa de radical orgânico. Os autores interpretaram que as formas isoméricas carbeno em ponte e carbeno terminal coexistem em equilíbrio na solução. Os cálculos de DFT realizados pelo grupo de Bruin corroboraram com esses resultados. De acordo com os cálculos DFT, o carbeno em ponte é um radical centrado no metal com o elétron desemparelhado residindo no orbital 3dz2, em boa concordância com os resultados experimentais de EPR. No outro isômero, o elétron desemparelhado reside principalmente no carbono do carbeno e é ligeiramente delocalizado sobre os

átomos vizinhos de cobalto e oxigênio, concordando bem com a região III do espectro EPR. Assim, os "carbenos terminais" são melhores descritos como radicais centrados em carbono (ou "radicais de carbeno") em vez de grupos reais de carbeno de metal de transição no sentido clássico. As espécies II e III representam um interessante exemplo de equilíbrio entre dois isômeros redox. O carbeno em ponte II é um complexo baseado em Co(II) d7, enquanto que o carbeno terminal III é Co(III)

d6 com o elétron desemparelhado localizado no ligante. 20d

Figura 2.8 – Componentes individuais simuladas I, II e III para o espectro de EPR para Co(II)porfirinato após adição de EDA.20d

Vários outros ânions de radicais de carbeno do grupo 6 foram relatados como tendo caráter de radical de carbono nucleofílico e se submetem a dimerização, acoplamento com alquenos e reações de abstração de átomos de hidrogênio.118 A energia do orbital dz2 é superior à energia do orbital molecular * do carbono e do orbital dyz do cobalto, resultando numa transferência eletrônica intramolecular do cobalto para o carbeno (Esquema 2.25). O orbital molecular antiligante * semipreenchido diminui substancialmente a ordem de ligação Co-C. Por isso, a espécie “carbeno” perde o caráter típico de Fischer, ganha reatividade radical incomum e torna-se mais nucleofílica. O caráter radical da camada aberta com discreta densidade de spin não emparelhado no carbono "carbeno", é uma diferença importante em relação a qualquer tipo de descrição de carbeno tipo Fischer e Schrock de camada fechada.20d

Esquema 2.25 – Comportamento REDOX não inocente para CoP explicado de forma simplificada por