Diels-Alder reaktion

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 28. januar 2021; verifikation kræver 1 redigering .

Diels-Alder-reaktionen (diensyntese) er en [4+2]-cycloadditionsreaktion af dienofiler og konjugerede diener til dannelse af en seks-leddet ring.

Cykliske og acykliske konjugerede diener , enyner −C=C−C≡C− eller deres heteroanaloger - forbindelser med fragmenter −С=С−С=О, −С=С−С≡N indgår i reaktionen. Dienofiler er normalt alkener og alkyner med en multipelbinding aktiveret af elektrontiltrækkende substituenter. Forbindelser, der indeholder dobbeltbindinger med et heteroatom , kan også fungere som dienofiler , for eksempel >С=О, >С=N−, −CN, −N=О, −S=O, −N=N− [1] .

Historie

I 1902 udførte kandidatstuderende W. Albrecht i I. Thieles laboratorium en reaktion mellem cyclopentadien og benzoquinon for at opnå en konjugeret polyen, men i stedet for det forventede kondensationsprodukt blev der opnået to diketoner - produkterne af tilsætningen af et eller to molekyler af cyclopentadien til dobbeltbindingerne af quinon. Strukturen af ​​de opnåede stoffer blev ikke fastlagt, og reaktionen blev ikke videreudviklet i dette laboratorium [2] .

Også forløbet af Diels-Alder-reaktionen blev observeret i 1910 af S. V. Lebedev (under dimeriseringen af ​​isopren ), og i 1920 af G. von Euler og C. Josephson (under interaktionen mellem isopren og benzoquinon) [2] .

En systematisk undersøgelse af reaktionen mellem 1,3 - diener og konjugerede ketoner blev præsenteret af Otto Diels og Kurt Alder i 1928 i tidsskriftet Justus Liebigs Annalen der Chemie . Forfatterne af artiklen gav vidnesbyrd om reaktionens generelle karakter og påpegede også med tillid muligheden for dens anvendelse i syntesen af ​​naturlige forbindelser, mens de anførte [2] :

Vi forbeholder os udtrykkeligt retten til at bruge den reaktion, vi har opdaget, til at løse disse syntetiske problemer.

I årene efter opdagelsen blev de vigtigste love for reaktionen undersøgt og et bredt område af dens anvendelighed blev vist, og forfatterne til opdagelsen blev tildelt Nobelprisen i kemi i 1950 [2] .

Mekanisme

Diels-Alder-reaktionen er en samordnet [4+2] -cycloaddition , der forekommer mellem en 1,3 - dien og en umættet forbindelse , en dienofil. Typisk indeholder dienen en elektrondonerende substituent, mens dienofilen indeholder en elektrontiltrækkende gruppe. Den omvendte version er mindre almindelig, når dienofilen er en elektronberiget forbindelse [3] .

Med hensyn til grænseorbitalteori kan reaktionen opfattes som interaktionen mellem den højest besatte molekylære orbital (HOMO) af den elektrondonerende dien og den laveste ledige molekylære orbital (LUMO) af dienofilen. I tilfælde af den omvendte variant interagerer LUMO af dien og HOMO af dienofil. Af denne grund har en ændring i substituenter i reagenserne en modsat effekt på forløbet af de klassiske og omvendte varianter af reaktionen. For eksempel accelererer den klassiske Diels-Alder-reaktion med en stigning i dienes donorkapacitet, mens den omvendte tværtimod bremses [3] .

Reagensaktivitet

Diens

For at deltage i [4+2]-cycloadditionsreaktionen tager dienen en plan s - cis - konformation , hvor begge dobbeltbindinger er på samme side af den enkelte C-C-binding [4] .

En af de mest aktive diener er cyclopentadien-1,3 , hvori s-cis- konformationen er fikseret. I tilfælde af 1,3-butadien er reaktionshastigheden mærkbart langsommere, da den eksisterer som to rotamerer ( s-cis og s-trans ). Imidlertid er overgangsenergien mellem disse konformationer lav, så butadien kan bruges som dienofil i Diels-Alder-reaktionen. 1-Alkyl-substituerede diener reagerer med forskellige hastigheder afhængigt af konfigurationen af ​​dobbeltbindingen. Så E - piperylen reagerer ret aktivt med maleinsyreanhydrid , mens for Z - isomeren er udbyttet kun 4% (efter 24 timer ved 100 ° C). Denne adfærd forklares af den ugunstige s-cis- konformation for Z - piperylen. I tilfælde af diener, som findes i den faste s-trans konformation, bliver Diels-Alder-reaktionen umulig. For eksempel, i modsætning til aktivt α - phellandrene , indgår β-phellandrene slet ikke i cycloaddition med maleinsyreanhydrid [4] .

Dienofiler

De mest aktive dienofiler er alkener og alkyner med elektrontiltrækkende substituenter (α,β-umættede aldehyder , ketoner , carboxylsyrer og deres derivater, vinylsulfoner, nitroalkener). Med en stigning i antallet af acceptorgrupper opstår en stigning i dienofilens aktivitet. Så i reaktionen med cyclopentadien er 1,1-dicyanethylen 4,5·10 4 gange mere aktiv end acrylonitril (monocyanethylen). Tetracyanoethylen er endnu mere aktivt og bruges derfor ofte i praksis som en "fælde" for molekyler, der er dannet in situ med et 1,3-dien-fragment [4] .

Ofte anvendes disubstituerede alkener og alkyner som dienofiler, for eksempel maleinsyre , dens estere, acetylendicarboxylsyre , p - benzoquinon og andre forbindelser. Umættede kulbrinter indføres også i Diels-Alder-reaktionen, selvom de er meget mindre aktive og kun reagerer, når de opvarmes. Især reaktionerne af ethylen og acetylen med cyclopentadien kan bruges til at syntetisere norbornen og norbornadien [4] .

Til syntese af benzannelerede forbindelser anvendes dehydrobenzen som dienofil , opnået in situ fra o - bromfluorbenzen under påvirkning af magnesium eller ved diazotering af anthranilsyre [4] .

Regioselektivitet af reaktionen

Når usymmetriske reagenser indføres i Diels-Alder-reaktionen, observeres regioselektiv dannelse af cycloadditionsprodukter. Så i reaktionen af ​​1-substituerede diener med usymmetriske alkener dannes der overvejende produkter, hvor substituenter er placeret ved nabocarbonatomer (de såkaldte " ortho "-produkter), og produkter med 1,3-substitution (" meta " produkter) fås i mindre mængder. Dette mønster observeres for en række substituenter i dienmolekylet såvel som forskellige dienofiler. For at forklare det kan man overveje fordelingen af ​​ladninger i reaktantmolekylerne, der opstår under påvirkning af substituenter. Ifølge denne model skulle selektiviteten af ​​reaktionen stige med en stigning i donorevnen af ​​substituenten i dien og acceptorevnen af ​​substituenten i dienofilen [5] .

I reaktionerne af 2-substituerede diener er det generelle mønster dannelsen af ​​" para " produkter, hvilket også kan forklares ud fra polariseringen af ​​reagenserne [5] .

I tilfælde af disubstituerede og polysubstituerede diener bliver situationen mere kompliceret, og reaktionerne forløber mindre selektivt og forudsigeligt [5] .

Stereokemi af reaktionen

Da Diels-Alder-reaktionen forløber som en samordnet proces gennem en cyklisk overgangstilstand , er konfigurationen af ​​reaktionsproduktet bestemt af konfigurationen af ​​startreaktanterne. Således dannes cis -produkter fra ( Z )-alkener , og trans -produkter fra ( E ) -alkener [5] . Et lignende princip gælder for substituenter i position 1 og 4 af dien: hvis konfigurationerne af de to dobbeltbindinger af dien er ens, så er disse substituenter i cis - position i produktet [6] .

Det er blevet observeret, at reaktionen af ​​cykliske diener med forskellige dienofiler hovedsageligt frembringer en af ​​de to mulige diastereomerer med endosubstituenter på dienofilen. Forholdet mellem endo- og exo - isomerer kan antage forskellige værdier (fra 3:2 til 20:1). Dette mønster kaldes Alders endo -regel. Endo -reglen er også opfyldt for reaktioner, der involverer acykliske 1,4-disubstituerede diener. De observerede resultater forklares af sekundære orbitale interaktioner, der opstår, når acceptorgruppen af ​​dienofilen nærmer sig C2- og C3-atomerne i dien. Disse interaktioner stabiliserer overgangstilstanden og fremmer dannelsen af ​​et endoprodukt [ 5] .

Lewis-syrekatalyse

I lang tid troede man, at ingen katalysatorer virkede på reaktionen , men i 1960 blev det vist, at reaktionen mellem anthracen og maleinsyreanhydrid accelereres betydeligt i nærvær af aluminiumchlorid AlCl3 . I nærværelse af en katalysator fortsætter den øjeblikkeligt ved stuetemperatur, mens den i den ikke-katalytiske version er påkrævet kogning i xylen (140 °C) i 72 timer. Derudover øger brugen af ​​en katalysator reaktionens regioselektivitet og forholdet mellem endo- og exo - isomerer [7] .

Virkningen af ​​Lewis-syrer som katalysatorer forklares ved deres evne til at danne komplekser med dienofiler, på grund af hvilken energien af ​​dienofilens LUMO falder, og forskellen mellem energierne af den interagerende LUMO af dienofilen og HOMO af dienerne falder. Dette faktum fører til en kraftig stigning i reaktionshastigheden . Katalysatorens indflydelse på reaktionens selektivitet observeres på grund af ændringen i værdierne af orbitalkoefficienterne i dienofilen og den stigende forskel i styrken af ​​orbitalinteraktionerne i implementeringen af ​​alternative overgangstilstande, der fører til isomere produkter [7] .

På grund af sine fordele er den katalytiske Diels-Alder-reaktion meget udbredt i laboratoriesyntesen af ​​forskellige organiske forbindelser [7] .

Stereoselektiv Diels-Alder reaktion

De første undersøgelser af stereoselektive varianter af Diels-Alder-reaktionen var baseret på brugen af ​​chirale dienofiler, især estere af umættede carboxylsyrer med chirale alkoholer . Samtidig blev det fundet, at reaktionsbetingelserne i høj grad påvirker reaktionens stereoselektivitet . For eksempel forløb reaktionen mellem butadien og (–)-dimethylfumarat ved opvarmning med lav stereoselektivitet, og brugen af ​​AlCl 3 -katalysatoren førte til et produkt med en optisk renhed på 72-76 % [8] .

En produktiv tilgang på dette område var brugen af ​​Evans' oxazolidinmetodologi, hvor α,β-umættede N - acyloxazolidinoner fungerede som dienofiler. Ifølge den foreslåede model danner disse reagenser chelater med Lewis-syre ((C 2 H 5 ) 2 AlCl), hvor en af ​​siderne er rumligt blokeret af en substituent i oxazolidinon, som bestemmer reaktionens stereoselektivitet. Derudover kan de resulterende produkter nedbrydes ved regenerering af oxazolidinonfragmenter. Denne og lignende tilgange, hvor diener og dienofiler indeholdt fjernelige chirale hjælpegrupper, er blevet brugt i syntesen af ​​mange naturlige forbindelser [8] .

Senere blev effektiviteten af ​​at bruge chirale Lewis-syrer som asymmetriske induktorer vist. En af de effektive katalysatorer viste sig at være ( R , R )-dichlor-2-naphthylcyclohexylboran. Dets anvendelse i reaktionen af ​​cyclopentadien og methylestere af akryl- , croton- eller fumarsyrer fører til et produkt med et enantiomert overskud på 86-97%. Omfattende forskning er blevet afsat til brugen af ​​chirale oxazoborolidiner syntetiseret ud fra naturlige aminosyrer [8] .

I biokemi

[4+2]-cycloadditionsreaktioner forekommer i den sekundære metabolisme af forskellige organismer. Diels-Alder-reaktionerne, der forekommer i den levende natur, er relateret til processerne for biosyntese af polyketider , isoprenoider , phenylpropanoider samt alkaloider og andre produkter af blandet biosyntese. De enzymer, der katalyserer disse reaktioner, dilsalderaser, er enten proteiner eller RNA . Muligheden for enzymatisk katalyse for reaktioner af denne type synes at være et meget spændende aspekt, eftersom den høje lighed mellem strukturen af ​​overgangstilstanden og reaktionsproduktet ( addukt ) antyder kompetitiv inhibering af sidstnævnte af det specifikke enzym, der katalyserer reaktionen. Faktisk inhiberes de resulterende monoklonale antistoffer , der udviser meget specifik dilsalderaseaktivitet, som forventet af reaktionsproduktet. Katalyse af ribozymer er lavspecifik, den nødvendige del af det aktive ribozym er den koordinerede overgangsmetalion , derfor antages det, at katalyse af ribonukleinsyre ligner katalyse af Lewis-syre. Det antages, at studiet af biosyntetiske Diels-Alder-reaktioner kan føre til opdagelsen af ​​nye mekanismer for enzymatisk katalyse. Det er muligt, at dienkomponenten og dienofilen, der indgår i reaktionen, destabiliseres af torsionsdeformationer , hvilket bidrager til et fald i aktiveringsenergien og det effektive reaktionsforløb under fysiologiske forhold [9] .

I øjeblikket er dilsalderaser af stor interesse og bliver aktivt undersøgt.

Ansøgning

Reaktionen bruges til at fremstille polycykliske forbindelser, herunder steroider . Ved hjælp af reaktionen er det også muligt at opnå mange organiske chlorpesticider af cyclodien-serien: aldrin og dets derivater, heptachlor , nonachlor , chlordan , mirex , etc. [10] .

Se også

Noter

  1. Chemical Encyclopedia. I fem bind / Kap. udg. I. L. Knunyants. - Soviet Encyclopedia, 1990. - T. 2. - S. 54-55. — ISBN 5-85270-035-5 .
  2. 1 2 3 4 Smith, Dillman, del 1, 2009 , s. 605-607.
  3. 1 2 Smith, Dillman, del 1, 2009 , s. 607-609.
  4. 1 2 3 4 5 Smith, Dillman, del 1, 2009 , s. 609-612.
  5. 1 2 3 4 5 Smith, Dillman, del 1, 2009 , s. 612-618.
  6. Sauer E. Mechanism of the Diels-Alder-reaktion  // Advances in Chemistry. - 1969. - T. 38 , nr. 4 . - S. 624-661 .
  7. 1 2 3 Smith, Dillman, del 1, 2009 , s. 618-621.
  8. 1 2 3 Smith, Dillman, del 1, 2009 , s. 621-631.
  9. Emily M. Stocking og Robert M. Williams. Kemi og biologi af biosyntetiske Diels-Alder reaktioner. (Anmeldelse)  (eng.)  // Angewandte Chemie International Edition: Scientific journal. - 2003. - Bd. 42 , nr. 27 . - P. 3078-3115 . - doi : 10.1002/anie.200200534 . — PMID 12866094 .
  10. Skadelige stoffer i industrien. Håndbog for kemikere, ingeniører og læger. Ed. 7., pr. og yderligere I tre bind. Bind I. Organiske stoffer. Ed. hædret aktivitet naturvidenskab prof. N.V. Lazareva og Dr. honning. Videnskaber E. N. Levina. L., "Kemi", 1976. 592 sider, 27 tabeller, bibliografi - 1850 titler.

Litteratur

originale værker Russisksprogede kilder