Las reacciones pericíclicas se caracterizan por un estado de transición cíclico concertado donde la formación y ruptura de enlaces ocurren simultáneamente. Transcurren sin intermediarios iónicos ni radicalarios y están gobernadas por la simetría de los orbitales moleculares más que por la polaridad del disolvente o efectos catalíticos. Las tres clases principales son las cicloadiciones, las reacciones electrocíclicas y los reordenamientos sigmatrópicos. Sus resultados estereoquímicos son predecibles mediante las reglas de Woodward-Hoffmann, desarrolladas por R.B. Woodward y Roald Hoffmann, por las cuales Hoffmann compartió el Premio Nobel de 1981.
Teoría de Orbitales Moleculares Frontera
Las reglas de Woodward-Hoffmann se aplican más fácilmente usando la teoría de orbitales moleculares frontera (FMO), que considera la interacción entre el orbital molecular ocupado más alto (HOMO) de un componente y el orbital molecular desocupado más bajo (LUMO) del otro. Una reacción pericíclica está permitida térmicamente cuando los orbitales que interactúan tienen la misma simetría (solapamiento constructivo) y fotoquímicamente permitida cuando su simetría es opuesta. Las reacciones térmicas están controladas por la simetría orbital del estado fundamental, mientras que las reacciones fotoquímicas están controladas por la simetría orbital del estado excitado.
Reacciones Electrocíclicas
Las reacciones electrocíclicas implican la apertura o cierre de un anillo de un polieno conjugado. La estereoquímica está determinada por si la reacción procede mediante movimiento conrotatorio (rotación en dirección opuesta) o disrotatorio (rotación en la misma dirección). Para reacciones electrocíclicas térmicas, los sistemas con 4n electrones π experimentan cierre de anillo conrotatorio, mientras que aquellos con 4n+2 electrones π experimentan cierre disrotatorio. Lo contrario se aplica en condiciones fotoquímicas. Esta regla se demuestra elegantemente mediante la apertura térmica del anillo del ciclobuteno (4π, conrotatorio, dando (E,E)-butadieno) versus la del 1,3-ciclohexadieno (6π, disrotatorio, dando (Z,Z)-hexatrieno).
Cicloadiciones
Las cicloadiciones combinan dos moléculas insaturadas para formar un anillo. La reacción de Diels-Alder (cicloadición [4+2]) está permitida térmicamente en condiciones de demanda electrónica normal (HOMO del dieno interactuando con LUMO del dienófilo). La cicloadición [2+2] (formando un ciclobutano) está prohibida térmicamente pero permitida fotoquímicamente, procediendo a través del estado excitado donde la coincidencia de simetría HOMO-LUMO se invierte. La cicloadición 1,3-dipolar es una variante [4+2] versátil utilizada extensamente para la síntesis de heterociclos de cinco miembros, con aplicaciones en química click (cicloadición azida-alquino catalizada por Cu).
Reordenamientos Sigmatrópicos
Los reordenamientos sigmatrópicos implican la migración de un enlace σ a través de un sistema π con reorganización concomitante de los enlaces π. El reordenamiento [3,3]-sigmatrópico es la subclase sintéticamente más importante. El reordenamiento de Cope convierte un 1,5-dieno en otro 1,5-dieno, y la variante oxi-Cope (donde hay un grupo hidroxilo en C3) procede mucho más rápido debido a la aceleración por alcóxido. El reordenamiento de Claisen transforma un éter alílico vinílico en un compuesto carbonílico γ,δ-insaturado y se usa ampliamente en la síntesis de productos naturales. El reordenamiento [2,3]-sigmatrópico incluye el reordenamiento de Wittig y el reordenamiento de Sommelet-Hauser.
Reacciones Quelotrópicas y Aplicaciones
Las reacciones quelotrópicas son una subclase de cicloadiciones donde ambos nuevos enlaces se forman en el mismo átomo. La extrusión de dióxido de azufre desde sulfolenos (una reacción retro-quelotrópica) es un método para generar dienos in situ para reacciones de Diels-Alder. La conservación de la simetría orbital, fundamento de las reglas de Woodward-Hoffmann, hizo posible la síntesis total de la vitamina B₁₂ — uno de los logros emblemáticos en química orgánica. Las reacciones pericíclicas son valoradas por su estereoquímica predecible, economía atómica y formación mínima de subproductos, lo que las hace ideales para la síntesis de moléculas complejas.
