Riarrangiamento pinacolico: meccanismo, prodotti di reazione

Il riarrangiamento pinacolico o trasposizione pinacolica è una reazione organica catalizzata dagli acidi in cui un glicole (1,2-diolo) viene convertito in un composto carbonilico.

Il  termine di riarrangiamento molecolare è esteso a tutte le reazioni in cui avviene una migrazione di un gruppo da un atomo a un atomo ad esso adiacente. Esso viola il principio di minima variazione strutturale secondo il quale  le reazioni elementari non interessano mai un gran numero di specie.
Pertanto in queste reazioni solo un numero molto limitato di legami deve essere alterato, dal momento che la probabilità di rotture contemporanee di più legami è molto bassa.Il riarrangiamento pinacolico comporta uno spostamento di 1,2 del sostituente (gruppo H, alchilico o arilico) con formazione concomitante di un legame C -H o C -C α a un gruppo carbonilico.  

Il chimico tedesco Wilhelm Rudolph Fitting nel 1860 descrisse per la prima volta questa reazione. Il riarrangiamento pinacolico deve il suo nome alla trasformazione del pinacolo in pinacolone ovvero del 2,3-dimetil-2,3-butandiolo in 3,3-dimetil-2-butanone. . Fu Butlerov nel 1874 a scoprire la struttura del prodotto come 3,3-dimetil-2-butanone e a caratterizzarlo come conseguenza di un riarrangiamento dello scheletro di carbonio.

Poiché il diolo è simmetrico la protonazione di un ossigeno e la perdita di acqua avviene con la stessa probabilità su entrambi i gruppi –OH. Si quindi la conseguente formazione di un carbocatione terziario.

Meccanismo del riarrangiamento pinacolico

Avviene quindi uno shift 1,2 di un gruppo metilico che porta ad un carbocatione che presenta una maggiore stabilità rispetto al precedente in quanto tutti gli atomi hanno l’ottetto completo ed è stabilizzato per risonanza: oltre alla forma carbocationica vi è anche la forma  in cui l’intermedio presenta la carica sull’ossigeno. La deprotonazione di tale ossigeno ad opera dell’acqua porta alla formazione del chetone.

Consideriamo il caso del 2-metil-2,3-butandiolo che, rispetto al 2,3-dimetil-2,3-butandiolo non è simmetrico. Anche in questo caso la protonazione avviene sull’ossigeno con successiva perdita di acqua e formazione di un carbocatione; in questo caso, tuttavia, a differenza del caso precedente avviene  lo shift 1,2-  di un idruro con formazione del  carbocatione.

Il riarrangiamento  pinacolico è una trasposizione tipo Wagner-Meerwein, anche se l’andamento è reso diverso dalla maggiore stabilità del carbocatione intermedio.

Applicazioni

Nella reazione vi sono due fattori importanti ovvero l’acido utilizzato per avviare la reazione e la concentrazione a cui avviene la reazione. Con l’aumento della diluizione dell’acido e della base coniugata , si forma una percentuale maggiore di prodotti di eliminazione piuttosto che il prodotto di riarrangiamento. Quando si utilizzano acidi di Lewis anziché acidi protonici, si osservano spesso differenze nel percorso di reazione. 

Per massimizzare l’utilità sintetica dei riarrangiamenti  del pinacolo, è necessario escludere processi concorrenti e controllare sia la regio- che la stereo-selettività. I ​​due fattori che influenzano la regioselettività sono almeno marginalmente prevedibili e, in circostanze favorevoli, controllabili. Il controllo della stereoselettività è più problematico. A causa di queste complicazioni e delle difficoltà associate alla preparazione di dioli complessi il riarrangiamento  pinacolico non è stato ampiamente utilizzato nelle sintesi multistep, nonostante la sua capacità di generare alcune caratteristiche strutturali insolite.

Grazie alle particolari capacità poter dare luogo alla formazione di scheletri policiclici, centri di carbonio quaternario e nuclei spirociclici, la reazione di riarrangiamento del pinacolo è un mezzo potente ed efficace per formare gruppi funzionali carbonilici in una varietà di molecole diverse. 

Inoltre, i substrati con un gruppo alchenico, un anello furanico o una catena alchilica legata tra i due dioli sono stati studiati come espansione del riarrangiamento pinacolico. Beneficiando dello sviluppo continuo delle metodologie di catalisi, i riarrangiamenti del pinacolo dimostrano utilità sintetica nella preparazione di prodotti naturali, molecole bioattive e altri composti funzionalmente utili.