Diidrossilazione degli alcheni: dioli cis con osmio e permanganato

La diidrossilazione aggiunge due gruppi ossidrile a un alchene, uno per ciascun carbonio del doppio legame, dando un 1,2-diolo (un glicole). La caratteristica chiave è la stereochimica: i due ossidrili si legano dalla stessa faccia, quindi il prodotto è un diolo cis. Il reattivo di riferimento è il tetrossido di osmio; un’alternativa più economica è il permanganato diluito e freddo.

Vediamo come si forma il diolo attraverso un intermedio ciclico, perché l’addizione è syn, il ruolo del permanganato e le versioni catalitiche e asimmetriche.

Due ossidrili dalla stessa faccia

Nel doppio legame entrambi i carboni ricevono un OH. Poiché i due ossigeni provengono dallo stesso reattivo e si legano simultaneamente, finiscono sulla stessa faccia dell’ex doppio legame: si parla di addizione syn e il prodotto è un 1,2-diolo cis. Questa è la differenza fondamentale rispetto all’apertura di un epossido, che porta invece a un diolo trans.

L’intermedio ciclico

Il tetrossido di osmio si lega al doppio legame formando un estere osmico ciclico a cinque termini, in cui l’osmio è legato a entrambi gli ossigeni che diventeranno gli ossidrili. È questo anello a costringere i due ossigeni a stare dalla stessa parte. La successiva idrolisi rompe i legami con l’osmio e libera il diolo cis. La geometria del prodotto è quindi decisa nel momento in cui si forma l’anello.

C=C  +  OsO₄  →  estere osmico ciclico  → idrolisi   diolo cis  (due OH dalla stessa faccia)

L’alternativa con il permanganato

Il tetrossido di osmio è efficace ma costoso e tossico. Un’alternativa è il permanganato di potassio usato a freddo e in soluzione diluita e basica: anch’esso dà il diolo cis attraverso un intermedio ciclico analogo. Bisogna però fare attenzione alle condizioni: a caldo o concentrato, il permanganato non si ferma al diolo ma rompe completamente il doppio legame, ossidando fino a chetoni e acidi carbossilici. La temperatura e la concentrazione decidono l’esito.

Versioni catalitiche e asimmetriche

Per ovviare al costo e alla tossicità dell’osmio si usano quantità catalitiche di tetrossido di osmio insieme a un ossidante che lo rigenera in continuo: così ne basta pochissimo. Esiste inoltre una versione asimmetrica, condotta in presenza di leganti chirali, che permette di ottenere prevalentemente uno dei due possibili dioli enantiomeri. È uno strumento importante nella sintesi di molecole otticamente attive ed è legato ai contributi premiati con il Nobel per la catalisi asimmetrica.

A che cosa serve

La diidrossilazione introduce in un colpo solo due funzioni ossidrile con stereochimica cis definita, una cosa difficile da ottenere per altre vie. I dioli così prodotti sono intermedi utili e compaiono nella sintesi di numerosi prodotti naturali e principi attivi. Insieme all’epossidazione, che dà il diolo trans, completa il controllo sulla stereochimica dei 1,2-dioli. Sceglierne una o l’altra significa decidere se i due ossidrili adiacenti debbano trovarsi dalla stessa parte o da parti opposte, una distinzione che può cambiare radicalmente le proprietà e la reattività del prodotto finale.

Quadro d’insieme

La diidrossilazione aggiunge due ossidrili sulla stessa faccia di un alchene, dando un diolo cis attraverso un estere ciclico dell’osmio (o del manganese). Controllando reattivo e condizioni si sceglie tra diolo e scissione completa, e con i leganti chirali si controlla anche la configurazione: una reazione precisa e molto usata.

Domande frequenti

Perché la diidrossilazione dà un diolo cis?

Perché i due ossidrili provengono dallo stesso reattivo e si legano simultaneamente, attraverso un intermedio ciclico a cinque termini che li costringe a restare dalla stessa faccia del doppio legame. Si tratta quindi di un’addizione syn, e il prodotto è un 1,2-diolo cis. È la stereochimica opposta a quella ottenuta aprendo un epossido con acqua, che dà un diolo trans.

Qual è il ruolo dell’estere osmico ciclico?

È l’intermedio chiave. Il tetrossido di osmio si lega ai due carboni del doppio legame formando un anello a cinque termini in cui l’osmio tiene insieme entrambi gli ossigeni destinati a diventare ossidrili. Questo anello impone la geometria cis; la successiva idrolisi rompe i legami con l’osmio e libera il diolo. La stereochimica del prodotto è dunque decisa al momento della formazione dell’anello.

Si può usare il permanganato al posto dell’osmio?

Sì, il permanganato di potassio a freddo, diluito e in ambiente basico dà anch’esso il diolo cis, attraverso un intermedio ciclico analogo, ed è più economico e meno tossico dell’osmio. Bisogna però controllare le condizioni: a caldo o concentrato il permanganato non si ferma al diolo, ma ossida più a fondo scindendo il doppio legame in chetoni e acidi carbossilici.

Come si riduce l’uso del costoso tetrossido di osmio?

Impiegandolo in quantità catalitiche insieme a un secondo ossidante che lo rigenera continuamente: dopo aver formato il diolo, l’osmio ridotto viene riossidato e torna a reagire, così ne serve pochissimo. Questa strategia abbatte costi e quantità di reattivo tossico da maneggiare, ed è il modo abituale con cui la reazione viene condotta nei laboratori moderni.

Si può controllare quale enantiomero del diolo si forma?

Sì, con la diidrossilazione asimmetrica: conducendo la reazione in presenza di leganti chirali si orienta l’addizione su una faccia preferenziale del doppio legame e si ottiene prevalentemente uno dei due dioli enantiomeri. È uno strumento prezioso per la sintesi di molecole otticamente attive, ed è tra i metodi legati ai contributi premiati con il Nobel per la catalisi asimmetrica.