13.3: Реакції циклоприєднання

Існують різноманітні реакції, за допомогою яких кільця утворюються шляхом додавання до подвійних або потрійних зв'язків. Особливо простим прикладом є додавання етена до 1,3-бутадієну для отримання циклогексену:

Це прототип реакції Дільса-Альдера, який виявився настільки цінним у синтезі, що завоював своїх першовідкривачів, О.Дільса і К.Олдера, Нобелівську премію з хімії в 1950 році.

Реакція Дільса-Альдера - це як додавання 1,4 або етена до 1,3-бутадієну, так і 1,2 додавання бутадієну до етена. Його можна назвати [4 + 2] циклододаванням і як таке призводить до утворення шестичленного кільця. Відомі багато інших циклодоповнення, такі як [2 + 2], інші типи [4 + 2], і [2 + 2 + 2], які дають різний розмір кілець. Нижче наведено кілька конкретних прикладів:

Синтетичне значення цих реакцій дуже велике, і, оскільки багато хто з них часто включають дієни, ми обговоримо їх загальні характеристики в цьому розділі. Найціннішою реакцією циклоприєднання майже напевно є реакція [4 + 2], або Дільса-Альдера, реакція і буде детально розглянута.

[4 + 2] Циклодоповнення

Є один дуже важливий момент, про який слід пам'ятати про реакцію Дільса-Альдера: реакція зазвичай добре протікає тільки тоді, коли компонент [2] замінюється електронно-притягуючими групами і компонент [4] замінюється електронно-донорськими групами, або зворотним. Найпоширенішим розташуванням є заміщення алкена (зазвичай його називають дієнофілом) на електронні привертають групи, такі як\(\ce{-CO_2H}\)\(\ce{-COR}\), або\(\ce{-C \equiv N}\). Наприклад,

Перелік більш реактивних дієнофілів, що несуть електронно-притягуючі групи, наведено в табл. 13-1. Етен та інші прості алкени, як правило, є бідними дієнофілами і реагують з 1,3-бутадієном лише в досить екстремальних умовах і при низькому врожайності.

Однак, коли дієн замінюється декількома електронно-притягуючими групами, такими як хлор або бром, електронно-донорські групи на діенофілі полегшують реакцію. Багато речовин, таких як 2-метилпропен, які діють як дієнофіли з гексахлорциклопентадієном, просто не піддаватимуться [4 + 2] додавання з самим циклопентадієном:

Таблиця 13-1: Реактивні дієнофіли з 1,3-бутадієном та подібними дієнами

Реакція Дільса-Альдера є дуже стереоспецифічною. Діен реагує в несприятливій конформації, в якій його подвійні зв'язки лежать в площині з тієї ж сторони (cis) єдиного зв'язку, що з'єднує їх. Ця s-cis (або цисоїдна) конформація потрібна для отримання стабільного продукту з подвійним зв'язком цис. Додавання етену до альтернативної та більш стабільної (трансоїдної) конформації дасть неможливо напружене транс-циклогексенове кільце. Можливі перехідні стани для реакції в кожній конформації слідують, і буде видно, що величезні молекулярні спотворення повинні мати місце, щоб дозволити додавання етена до трансоїдної конформації:

Циклічні дієни зазвичай реагують легше, ніж діени з відкритим ланцюгом, ймовірно, тому, що вони мають свої подвійні зв'язки, закріплені у належній конформації для [4 + 2] циклододавання, отже, ціна енергії досягнення конфігурації s-cis вже була виплачена:

Подальшими доказами стереоспецифічності в [4 + 2] доповненнях є те, що конфігурації дієна і діенофіла зберігаються в аддукті. Це означає, що реагенти (або доповнення) збираються разом, щоб дати надфаціальну добавку. Далі слідують два приклади, які намальовані, щоб підкреслити, як відбувається надфаціальне додавання. У першому прикладі диметилцис-бутадіоат додає до 1,3-бутадієну, щоб дати цис-заміщений циклогексен:

У другому прикладі видно, що надфаціальний підхід дієнофіла до вуглецю 2,5 транс, транс-2,4-гексадієну призводить до продукту з двома метильними групами на тій же стороні циклогексенового кільця:

(Використання моделей допоможе вам візуалізувати ці реакції та їх стереохімію.)

Існує ще одна особливість реакції Дільса-Альдера, яка стосується стереохімічної спрямованості додатків. На додаток цис-бутандіового ангідриду (малеїнового ангідриду) до циклопентадієну існує два можливі способи, якими дієн і діенофіл можуть зібратися разом для виробництва різних продуктів. Вони показані в рівняннях 13-3 і 13-4:

На практиці аддукт з\(^2\) конфігурацією ендо зазвичай є основним продуктом. Як правило, доповнення Дільса-Альдера, як правило, продовжують сприяти тій орієнтації, яка відповідає наявності подвійних зв'язків дієну та ненасичених замінників дієнофіла, найближчих один до одного. Це означає, що додавання за рівнянням 13-3 є більш сприятливим, ніж за рівнянням 13-4, але ступінь ендоекзостереоспецифічності не така висока, як ступінь стереоспецифічності надфаціального приєднання до дієну і діенофілу.

Є винятки з прихильної ендо стереохімії доповнень Дільса-Альдера. Деякі з цих винятків виникають через те, що реакція додавання є оборотною, дисоціація особливо важлива при високій температурі. Конфігурація екзо, як правило, більш стабільна, ніж ендо, і, враховуючи час для досягнення рівноваги (див. Розділ 10-4A), екзоізомер може бути основним аддуктом. Таким чином ендостереоспецифічність можна очікувати лише тоді, коли доповнення підлягають кінетичному контролю.

Реактивність дієнів в реакції Дільса-Альдера залежать від кількості та виду замінників, якими вони володіють. Чим більше замісників, або чим їх більше, на кінцях кон'югованої системи, тим повільніше буде реакція. Існує також помітна різниця в реакційній здатності з конфігурацією дієну. Таким чином, транс-1,3-пентадієн істотно менш реактивний по відношенню до даного діенофіла (наприклад, малеїнового ангідриду), ніж цис-1,3-пентадієн. Насправді суміш цис і транс-ізомерів можна розділити, скориставшись різницею в їх реакційній діяльності на циклоприєднання:

Механізм реакції Дільса-Альхи

Існує мало доказів підтримки простих радикальних або полярних механізмів (таких, як ми обговорювали раніше) для реакції Дільса-Альдера. В результаті багатьох досліджень реакція, здається, найкраще сформульована як процес, в якому зв'язки між дієном і дієнофілом формуються по суті одночасно:

На малюнку 13-1 можна сказати, що реакція слідує за кривою А, а не кривою B на ділянках енергії проти координати реакції. Хоча експериментально важко довести, що реакція узгоджена, ми побачимо в главі 21, що є теоретичні підстави очікувати, що це буде так, незважаючи на високий ступінь впорядкування (несприятлива ентропія, розділ 4-4B), що перехідний стан повинен мати для того, щоб всі беруть участь облігації можуть бути зроблені і розірвані відразу.

Рисунок 13-1: Схематичне зображення енергії та координати реакції для (A) узгодженої реакції та (B) ступінчастої реакції, що передбачає утворення нестійкого проміжного продукту. Крива B була намальована, щоб найвища енергетична точка (перехідний стан) прийшла до того, як утворюється проміжна. Для багатьох процесів найвища енергетична точка настає після того, як утворюється проміжна. Якщо найвища енергетична точка настає після того, як утворюється проміжна, то проміжна буде більш-менш в рівновазі з реагентами.

Ми вже обговорили кілька реакцій на додавання, які, здається, відбуваються узгоджено. До них відноситься додавання диіміду, озону та гідридів бору до алкенів (розділи 11-5, 11-7A та 11-6B). Узгоджені реакції, які мають циклічні перехідні стани, часто називають перициклічними реакціями. Інші приклади будуть розглянуті в наступних розділах.

A [4 + 2] Циклоприєднання

Раніше ми вказували, що діоксид сірки\(\left( \ce{SO_2} \right)\) та 1,3-бутадієн утворюють продукт циклододавання [4 + 1]:

Ця реакція є більш легко оборотною, ніж більшість реакцій Дільса-Альдера, і продукт значною мірою дисоціює з вихідними матеріалами при нагріванні до\(120^\text{o}\). Циклоаддукт - це ненасичений циклічний сульфон, який може бути гідрогенізований, щоб дати насичений циклічний сульфон, відомий як «сульфолан»:

Ця сполука широко використовується в нафтохімічній промисловості як селективний розчинник.

Оборотність\(\ce{SO_2}\) дієн-циклододавання робить його корисним при очищенні реактивних дієнів. 2-метил-1,3-бутадієн (ізопрен) очищується комерційно таким чином перед полімеризацією до каучуку (Розділ 13-4):

Ні 1,3-циклопентадієн, ні 1,3-циклогексадієн не реагують з діоксидом сірки, ймовірно, тому, що аддукти будуть занадто сильно напруженими:

Деякі [2 + 2] Циклодоповнення

Багато природних органічних сполук містять шестичленні вуглецеві кільця, але їх відносно мало з чотиричленними вуглецевими кільцями. Після зіткнення зі значною легкістю, з якою шестичленні кільця утворюються шляхом [4 + 2] циклододавання, ми могли б очікувати, що більш прості [2 + 2] циклодоповнення, щоб дати чотиричленні кільця, також повинні йти добре, за умови, що деформація не надто важка в продуктах. Насправді димеризація етена термодинамічно сприятлива:

Тим не менш, ця та багато інших [2 + 2] реакції циклоприєднання не відбуваються при простому нагріванні.

Однак є кілька винятків. Одним з них є димеризація тетрафторетена, що, мабуть, не дивно, враховуючи сприятливі термодинамічні параметри:

Дивно, що додавання\(\ce{CF_2=CF_2}\) до 1,3-бутадієну дає циклобутан, а не циклогексан, хоча продукт [2 + 2], ймовірно, є приблизно\(25 \: \text{kcal mol}^{-1}\) менш стабільним, ніж продукт [4 + 2]:

Такі [2 + 2] термічні добавки, як правило, обмежуються полігалоетенами і декількома речовинами з кумульованими подвійними зв'язками, такими як 1,2-пропадієн\(\left( \ce{CH_2=C=CH_2} \right)\) і кетени\(\left( \ce{R_2C=C=O} \right)\). Нижче наведено кілька прикладів:

Багато [2 + 2] циклодоповнення, які не відбуваються шляхом простого нагрівання можливих реагентів, можуть бути досягнуті опроміненням ультрафіолетовим світлом. Наступний приклад, [2 + 2] додавання 2-циклопентенону до циклопентену, відбувається фотохімічно, але не термічно:

У всіх таких фотохімічних циклодоповненнях енергія, необхідна для досягнення перехідного стану циклододавання, яка може становити\(100 \: \text{kcal mol}^{-1}\) або більше, набувається шляхом поглинання світла.

Термодинамічно несприятливі продукти циклоприєднання можуть утворюватися фотохімічним шляхом. Яскравим прикладом є фотохімічна конверсія норборнадіена в квадрициклін. Зворотна ця реакція може відбуватися при майже вибуховому насильстві в присутності відповідних металевих каталізаторів або при простому нагріванні:

Чому деякі [2 + 2] циклодоповнення відбуваються термічно, а інші фотохімічно? Що особливого в фтороалкенах і кумульованих діенах? Відповіді складні, але, схоже, більшість теплових [2 + 2] циклодоповнень, на відміну від циклодоповнень Дільса-Альдера [4 + 2], йдуть ступінчастими маршрутами (див. Розділ 21-11). Чому два типи термічного циклододавання мають різні механізми, буде розглянуто в розділах 21-10A та B.

\(^2\)Загалом, позначення endo або exo відноситься до конфігурації в мостових або поліциклічних кільцевих системах, таких як ті, що наведені в Рівняннях 13-3 та 13-4. Що стосується атомів мосту, то замінник є exo, якщо він знаходиться на тій же стороні, що і міст, або ендо, якщо він знаходиться на протилежній стороні. Подальші приклади:

При малюванні ендо- та екзоізомерів найкраще якнайближче представляти фактичні просторові відносини атомів. Циклогексанове кільце показано тут у формі човна (Розділ 12-3A), оскільки воно утримується в цій конфігурації метиленовою групою, яка з'єднує положення 1,4. Якщо ви цього не бачите, ми настійно рекомендуємо вам побудувати моделі.

Дописувачі та атрибуція

Template:ContribRoberts

• Лейн Морш (Університет штату Іллінойс Спрінгфілд)