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Como su nombre lo sugiere, una reacción anti-Markovnikov es una reacción de adición a alquenos que presenta una regioselectividad opuesta a la predicha por la regla de Markovnikov. Esto significa que, en el producto de la adición, el átomo de hidrógeno queda unido al átomo más sustituido (el que tenía originalmente menos hidrógenos), mientras que el nucleófilo queda enlazado al átomo menos sustituido.
Las reacciones de adición anti-Markovnikov son similares en cuanto a reactivos y productos a las reacciones que siguen una orientación Markovnikov; sin embargo, suelen ocurrir en condiciones diferentes y siempre siguen mecanismos de reacción muy diferentes. En particular, suelen ocurrir en presencia de peróxidos o de luz ultravioleta, por lo tanto siguiendo un mecanismo de reacción por radicales libres en lugar de un mecanismo por carbocationes, aunque hay ejemplos de reacciones anti-Markovnikov que no siguen un mecanismo de radicales libres.
La regla de Markovnikov
La regla de Markovnikov es la síntesis de una serie de observaciones experimentales llevadas a cabo en a finales del siglo XIX por el químico orgánico ruso Vladimir Markovnikov. Al estudiar las reacciones de hidrohalogenación de alquenos asimétricos, notó que la posición en la que quedaban unidas las dos mitades del haluro de hidrógeno no eran aleatorias, sino que presentaban cierta selectividad.
Las observaciones de Markovnikov mostraron que, en los casos de alquenos sustituidos, el hidrógeno del haluro original quedaba unido al átomo de carbono que formaba parte del enlace pi que tuviera una mayor cantidad de átomos de hidrógeno; mientras, el haluro, que actuaba como nucleófilo, quedaba unido en el átomo de carbono menos sustituido en la mayoría de los casos.
Estas observaciones se publicaron en 1870 como lo que hoy conocemos como la regla de Markovnikov. Esta regla no es exclusiva de las reacciones de hidrohalogenación de alquenos, sino de la mayoría de reacciones de adición electrofílica llevadas a cabo sobre esta clase de hidrocarburos. En este sentido, se ha descubierto que las reacciones de hidratación y de sulfonación de alquenos también suelen seguir la regla de Markovnikov bajo determinadas condiciones.
Justificación de la regla de Markovnikov
Para comprender mejor las reacciones anti-Markovnikov, es conveniente comprender por qué algunas reacciones siguen la selectividad de la regla Markovnikov. La razón tras esta regioselectividad la encontramos en el mecanismo de reacción. Cuando llevamos a cabo la hidrohalogenación (o también la hidratación) de un alqueno catalizada por un ácido prótico, el primer paso es una reacción ácido base en la que el alqueno actúa como base, proporcionando los dos electrones del enlace pi para unirse al protón del ácido.
Como consecuencia, el hidrógeno queda enlazado a uno de los carbonos mientras que el otro carbono del enlace pi queda en forma de un carbocatión:
Cuando el alqueno original es asimétrico, se pueden formar dos carbocationes diferentes, uno de los cuales se sustituye más que el otro. Como los carbocationes son más estables mientras más sustituidos estén, la reacción favorece la formación del carbocatión más sustituido, uniendo así al hidrógeno al carbono menos sustituido.
Durante el siguiente paso del mecanismo de reacción, el nucleófilo (que puede ser el halogenuro o una molécula de agua) ataca al carbocatión, quedando unido preferentemente al carbono más sustituido.
Un ejemplo típico de una reacción Markovnikov es la hidrobromación de alquenos utilizando bromuro de hidrógeno y algún catalizador ácido como ácido acético a baja temperatura.
Mecanismos de las reacciones anti-Markovnikov
Como se puede observar, la base de la regioselectividad de las reacciones de adición Markovnikov es el mecanismo de reacción, el cual sigue la estabilidad relativa de los carbocationes. Lo mismo ocurre, aunque de una manera diferente, con las primeras reacciones de adición anti-Markovnikov que se descubrieron.
Un ejemplo típico de una reacción anti-Markovnikov es la hidrobromación de alquenos en presencia de peróxidos. En estas condiciones, la reacción sigue un mecanismo de reacción completamente diferente al observado en la catálisis ácida.
Etapa 1: Iniciación – formación de radicales libres (Br·)
El primer paso de la reacción consiste en la formación de algunos radicales libres Br· por la reacción entre el peróxido y el bromuro de hidrógeno. Durante esta reacción ocurre la ruptura homolítica del enlace O-O del peróxido y del enlace H-Br, con la formación de dos radicales libres, uno de ellos siendo el radical Br·.
Alternativamente, la reacción también se puede iniciar por medio del uso de radiación ultravioleta, la cual es capaz de disociar la molécula de HBr en radicales libre bromo e hidrógeno y dar inicio a la reacción en cadena que lleva al producto anti-Markovnokov, como se verá en adelante.
Etapa 2: Propagación – ataque del radical libre al alqueno
Esta es la etapa determinante de la regioselectividad de las reacciones anti-Markovnikov. Los radicales Br· atacan al alqueno rompiendo homolíticamente el enlace pi y formando un segundo radical libre sobre un átomo de carbono. El enlace se puede romper en ambas direcciones, dando origen a dos posibles radicales libres con el átomo de bromo enlazado a carbonos distintos.
El intermediario preferido es el que sea más estable. Como la estabilidad de los radicales libres sigue el mismo orden que el de los carbocationes, es decir 3rio>2rio>1rio>>CH3·, entonces se formará el radical libre más sustituido en mayor proporción que el menos sustituido.
Etapa 3: Propagación – ataque del radical libre al HBr
Esta etapa de la reacción implica la reacción del radical libre recién formado con una segunda molécula de HBr, enlazándose así al átomo de hidrógeno y generando un segundo radical Br·.
Este segundo radical puede volver a reaccionar como en la etapa 2, continuando así la reacción sin necesidad de la intervención de otra molécula de peróxido, por lo que estos solo son necesarios para la iniciación de la reacción. Al ocurrir esta reacción, se obtiene el producto anti-Markovnikov de la reacción con el hidrógeno unido al carbono más sustituido y el bromo al menos sustituido.
Etapas adicionales – terminación de la cadena
En la etapa anterior ya se obtiene el producto principal de la reacción, sin embargo, la reacción continúa en cadena hasta que se agoten los reactivos y se consuman todos los radicales libres. Esto último solo ocurre cuando un radical libre se combina con otro radical libre para formar una molécula estable. Algunas posibles reacciones de terminación son:
Ejemplos de reacciones de adición anti-Markovnikov
Hidrobromación de 1-buteno en presencia de peróxidos
Esta reacción da como producto principal el bromuro de n-butilo en lugar del bromuro de sec-butilo que sería el producto predicho por la regla de Markovnikov.
Hidroboración-oxidación del 1-deceno
La hidratación catalizada por ácido del 1-deceno daría como producto el 2-decanol, ubicando el grupo hidroxilo en el carbono secundario. En cambio, la hidroboración-oxidación da como producto único el n-decanol, el cual es un alcohol primario, representando el producto anti-Markovnikov.
Referencias
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Fernández, G. (s. f.-a). Adición de HBr con peróxidos. Química Orgánica Org. https://www.quimicaorganica.org/reacciones-alquenos/357-adicion-de-hbr-con-peroxidos.html
Fernández, G. (s. f.-b). Regla de Markovnikov – Regioselectividad. Química Orgánica Org. https://www.quimicaorganica.org/reacciones-alquenos/351-regla-de-markovnikov-regioselectividad.html
Hidrohalogenación Adición Anti-Markovnikov y Alcance. (s. f.). tok.wiki. https://hmong.es/wiki/Hydrohalogenation
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Regla de Markovnikov. (s. f.). investigacion.izt.uam.mx. http://investigacion.izt.uam.mx/alva/markovnikov.html
Rodrigo, R. (2020, 1 noviembre). ▷ Adición de anti-Markovnikov a alquenos e hidroboración-oxidación. Estudyando. https://estudyando.com/adicion-de-anti-markovnikov-a-alquenos-e-hidroboracion-oxidacion/
