Diels-Alder Reaksjon

Diels-Alder Reaksjon Er Kjempebra

I Dag vil vi introdusere en reaksjon jeg anser for å være den mest nyttige og kraftig reaksjon i alle organisk kjemi: diels-Alder reaksjon.

Innholdsfortegnelse

  1. Kjemikere Er Enstemmig Enige: Diels-Alder-Reaksjonen Er Fantastisk
  2. Diels-Alder-Reaksjonen
  3. Ikke Bli Imponert!Fire Viktige Ting å Vite om Diels-Alder Reaksjon
  4. Fire Viktige Ting, Del 1: Dien Må Være Konjugert
  5. Fire Viktige Ting, Del 2: Dien Må Være i s-cis Konformasjon
  6. Fire Viktige Ting, Del 3: Substituenter På Dien Eller Dien.dienophile påvirker ikke Bond-forming / Bond-Breaking Mønster av diels-alder
  7. fire viktige Ting, Del 4. Substituenter Påvirker Imidlertid Hastigheten på Diels-Alderen. Frekvensen Økes MED EWGS På Dienofile Og Elektrondonorer på Dien
  8. Notater
  9. Vedlegg 1:Hva Med Andre Ringstørrelser?Vedlegg 2: Tre Spektakulære Eksempler på Diels-Alder Reaksjon
  10. (Avansert) Referanser og Videre Lesing

1. Kjemikere Er Enstemmig Enige: Diels-Alder-Reaksjonen er Fantastisk

, men ikke ta noen tilfeldig blogger ord for det. Her er tre eminente kjemikere mening om denne reaksjonen.

2. Diels-Alder Reaksjonen

OK. Er du klar til å se det?

Forbered deg selv.

Her er det:

Mitt arbeid er gjort her, folkens.

Leksjon over!

3. Ikke Bli Imponert!

…vent. Du er ikke overrasket? Du er ikke imponert? Du er ikke blåst bort av den rene kraften og skjønnheten i denne utrolig kraftige prosessen?

du er tilgitt. Sannhet bli fortalt, jeg var litt imponert meg selv når lært denne reaksjonen tilbake i undergrad. .det er fordi instruktører (inkludert meg selv) har en tendens til å starte med de mest kjedelige, enkle håndholdte eksemplene som er mulige for å få hovedmønsteret over, med det resultat at elevene går glipp av å se de virkelig spektakulære tilfellene.Så, så mye som jeg vil starte med disse komplekse Og veldig vakre eksemplene På Diels-Alderen … vi starter, som tradisjonen tilsier, i den grunne enden av bassenget.

La oss se nærmere på denne ekstremt viktige reaksjonen. Første:

  • de grunnleggende bindingene dannet/obligasjoner brutt mønster
  • den enkle pilen skyve mekanisme

Den Grunnleggende Mønster Av Diels-Alder Reaksjon

En diels-Alder reaksjon bringer sammen to komponenter.

  • En del vi kaller «dien», som består av to tilstøtende (dvs.konjugerte) pi-bindinger.
  • Den andre komponenten kalles «dienophile», som er å si» dien-kjærlig», og har minst en pi-binding.

Hvilke obligasjoner danner, og hvilke obligasjoner bryter her?

Vær oppmerksom på dette nøkkelmønsteret, fordi det gjentar seg selv, om og om igjen og om igjen.

faktisk vil hver Diels-Alder som vi lærer om, følge dette mønsteret.

Tre pi-bindinger brytes; to sigma-bindinger og en pi-bindinger dannes. Hver. Enkel. Tid.

resultatet er at en ny seksleddet ring dannes. (Hver… Enkelt…. Tid! )

Pil-Pushing Mekanismen Av Diels-Alder

min vanlige preferanse er å holde ut på mekanismer før vi har gått gjennom noen eksperimentelle fakta, men her vil jeg gjøre et unntak.

Det er to måter å tegne strømmen av elektroner( begge korrekte): med urviseren og mot urviseren.denne strømmen av elektroner er avbildet med tre piler, som Jeg har merket A, B og C. Vær oppmerksom på hvilke bindinger som dannes og brytes i hver pil.

Du bør kunne se at tre C – c pi-bindinger er brutt, og tre nye C-C-bindinger dannes (2 C-c sigma-bindinger og en C-c pi-binding) uansett om elektronstrømmen fortsetter med urviseren eller mot urviseren.

6. Fire Viktige Ting å Vite om Diels-Alder Reaksjonen

Etter å ha sett på elektronstrømmen og mønsteret av bindinger som danner og bryter, la oss fortsette med noen svært grunnleggende spørsmål om Diels-Alderen.

Her er fire hovedpunkter:

  1. Dienen Må Være Konjugert
  2. Dienen Må Være i s-cis konformasjon
  3. Substituenter Endrer ikke mønsteret av obligasjoner dannet/obligasjoner brutt…
  4. … men de påvirker hastigheten!

Fire Viktige Ting, Del 1: Dienen må Konjugeres

dienen må konjugeres for å delta i en Diels-Alder reaksjon. Ingen konjugering, Ingen Diels-Alder. Så mens 1,3-butadien lett gjennomgår diels-Alder-reaksjonen, gjør 1,4 pentadien (under) ikke.

(hvis du ikke er klar over hva som utgjør en» konjugert » dien, vil du kanskje besøke dette innlegget.)

Fire Viktige Ting, Del 2: Dienen Må Være i s-cis-Konformasjonen

det er ikke nok for pi-bindingene til dienen å være tilstøtende; De to C – c pi-bindingene må vedta en konformasjon der de er i samme plan (dvs.flat).

men selv det er ikke tilstrekkelig. Dien må vedta en konformasjon der de to pi-bindingene er orientert cis til den sentrale C – c enkeltbindingen for At Diels-Alderen skal oppstå. Med andre ord, dien må være i s-cis konformasjon!

For eksempel Forekommer Diels-Alderen nedenfor bare når butadien er i s-cis-konformasjonen,og aldri i s-trans.

Hvorfor? I et ord, geometri. I s-trans-konformasjonen kan ikke gapet mellom de to endene av dien (omtrent 3,7 Å fra hverandre) brolegges av dienophile (omtrent 1,3 Å lang). Dette er bare mulig i s-cis-konformasjonen.Det er mange eksempler på diener som er «låst» i s-trans-konformasjonen, siden rotasjon til s-cis-konformasjonen ville kreve brudd på C-C-bindinger. Disse dienene kan ikke gjennomgå Diels-Alderen.

Fire Viktige Ting, Del 3: Substituenter På Dien Eller Dienofil Påvirker IKKE Bindingsdannende / Bindingsbrytende Mønster av Diels-Alder

Tilsetning av substituenter til enten dien eller dienofil påvirker ikke bindingsdannende / bindingsbrytende mønster Av Diels-Alder.

la Oss for eksempel ta EN CH3-gruppe (i rødt) På c-1 av butadien og skissere den samme reaksjonen med etylen.
dette er hva produktet vil se ut:

Merk at mønsteret av bindinger som danner og bryter er nøyaktig det samme som for butadien selv! Mønsteret krever ikke at noen av obligasjonene til substituentene brytes, så vi holder dem alle intakte.

det samme gjelder for substitusjon Ved C-2. Mønsteret av obligasjoner som danner og bryter er identisk.

Selv om det kan være vanskelig å se først, gjelder det samme for mye mer kompliserte eksempler, hvorav flere er vist i dette vedlegget . All ekstra kål på dien endrer ikke det essensielle reaksjonsmønsteret.

Alt vi nettopp sa om dien gjelder også for dienofilen. Substituenter på dienophile påvirker ikke nøkkelmønsteret av bindinger som danner og bryter. Substituents bare komme sammen for turen.

du lurer kanskje på: kan vi kombinere substitusjon på dien og dienofil? Du satser! Det er samme mønster som før.

med fare for å gjenta meg selv, la meg si dette igjen. Mønsteret til Diels-Alderen krever å bryte tre pi-bindinger og danne to enkeltbindinger og en pi-binding, noe som resulterer i en seksleddet ring. Eventuelle bindinger til substituentene på dien / dienofilen bryter IKKE. Disse substituentene forblir nøyaktig det samme.

Fire Viktige Ting, Del 4. Substituenter Påvirker Frekvensen Av Diels-Alder. Frekvensen Økes MED EWGS På Dienofile Og Elektrondonorer på Dien

mens substituenter ikke kan endre det essensielle mønsteret Av diels-Alderreaksjonen, kan de i stor grad påvirke hastigheten.

som det viser seg frekvensen Av Diels-Or er størrelsesordener raskere hvis det er en elektron-uttak gruppe på dienophile For eksempel erstatte et hydrogen på eten med elektron-uttak gruppe CN (en nitril) resulterer i omtrent en 105 økning i reaksjonshastigheten. .

Andre vanlige elektron trekke funksjonelle grupper som vil akselerere Diels Alder reaksjon av dienofile inkluderer aldehyder, ketoner og estere. Kort sagt, enhver funksjonell gruppe konjugert med pi-bindingen som kan fungere som en pi-akseptor, vil akselerere En diels-Alderreaksjon med en typisk dien.

Å Gjøre dien mer elektron-rik øker også hastigheten. Med «elektron-rik» mener jeg enhver substituent som kan donere elektrontetthet til dien. Alkylgrupper (som metyl og etyl) er et eksempel, som pi-donorer som oksygen og nitrogen.

for eksempel vil tilsetning av en metylgruppe på butadien øke reaksjonshastigheten med en faktor på 3 til mer enn 100, avhengig av dienofilen .

Neste opp: Sykliske Diener og Dienofiler

mange studenter sliter med å tegne produktene Av diels-Alderreaksjoner med sykliske diener og dienofiler. Jeg hadde tenkt å ta opp dette emnet i dette innlegget, men det blir for lang. Så vi dekker det neste gang.

Takk Til Tom Struble for hjelp med dette innlegget.

Notater

for vårt formål vil vi bare diskutere normale elektron etterspørsel Diels Or reaksjoner, med et elektron-rik dien og et elektron-dårlig dienophile. Imidlertid er det eksempler På Diels-Alderreaksjoner som fortsetter med elektronfattige diener og elektronrike dienofiler. Disse er kjent som inverse-elektron etterspørsel Diels Alder reaksjoner.

Merk – disse tallene gjelder faktisk for cyklopentadien, ikke butadien, men de relative ratene skal være like. For eksperimentelle data se Carey Og Sundberg A eller direkte fra litteraturen, her. (Tysk)

Vedlegg 1: Hva Med Andre Ringstørrelser?

Noen «Dumme» Spørsmål om Diels-Alderen Som Faktisk Er Gode Spørsmål

1. Er Denne Typen Reaksjon Begrenset Til En «Dien» og En «Dienofil», eller kan den brukes til å lage andre størrelser av ringer også?

Flott spørsmål. Opp til dette punktet har vi vært vant til å se høyt ladede nukleofiler og elektrofiler.Diels-Alder er en del av en familie av reaksjoner kalt «pericykliske reaksjoner» der de to reaksjonskomponentene er relativt ikke-polare og vanligvis ikke går gjennom ladede mellomprodukter som karbokasjoner. En dien og en dienofil er nødvendig for at reaksjonen skal oppstå. Av den grunn Diels-Alder kalles ofte en cycloaddition.

Er det andre typer sykloaddisjoner? Ja – selv om de ikke er nesten like vanlige eller viktige som cycloaddition.

for eksempel kan du lure på: hva skjer hvis det ikke er diene? Kan to alkener kombineres for å lage en fire-ledd ring?

under de samme forholdene Som Diels-Alderen (dvs.bare med varme), nei.

det Er imidlertid mulig å få to alkener til å kombinere til en cyklobutan, hvis (og bare hvis) sterkt ultrafiolett (UV) lys påføres.

dette kalles en cycloaddition.

HVORFOR ER UV-lys nødvendig her, Men ikke For Diels-Alderen? Flott spørsmål! Det har å gjøre med orbital symmetri, og vi kommer til det snart nok.

Langs lignende linjer: hva om det ikke er dienofil? Kan to diener reagere?

i fravær av en dienofil gir oppvarming av en dien under de samme forhold ikke en åtte leddring (det ville forresten være en sykloaddisjon).

Det som faktisk skjer er at en dien kombinerer med en alken i En Diels-Alderreaksjon, og danner en seksleddet ring.

poenget jeg prøver å gjøre her er at kombinasjonen av en dien + alken som gir en seksleddet ring er spesielt viktig og favorisert.

2. Må Dienofilen Være En Alken?

dienofilen trenger ikke å være en alken spesifikt; det eneste kravet er at den inneholder en pi-binding. Det kan også være en alkyne, for eksempel. For eksempel er dimetylacetylendekarboksylat (DMAD) en utmerket dienofil, og etter brudd på C-C pi-bindingen forblir en alken. Selv n = n pi-bindinger kan delta i Diels-Alderreaksjoner, så lenge de er festet til elektronfattige grupper, som i dietylazodikarboksylat (DØD). Ja, det er et reagens kalt DØDT. Videre er det eksempler På C=O-bindinger som deltar i Diels-Alder-reaksjoner, selv om dette kommer inn i territoriet til den inverse elektron-etterspørselen Diels-Alder-reaksjonen, et emne vi ikke engang er i nærheten av å diskutere ennå.

Vedlegg 2: Tre Spektakulære Eksempler På Diels-Alder Reaksjon

Avansert emne.

Det finnes utallige eksempler På Diels-Alder reaksjon som brukes for synteser av naturlige produkter. Jeg valgte tre nedenfor.

eksemplene vil se komplekse ut til en nybegynner-og de er. Men nøkkelpunktet jeg vil hamre hjem er at mønsteret av bindinger som danner og bryter i alle disse reaksjonene, IKKE ER ANNERLEDES enn mønsteret vi ser med god ol ‘ butadien og etylen.

Tetrodotoxin (Kishi, 1972)

Det tar omtrent tre år med intens trening for å få lisens til å forberede pufferfish (Fugu) I Japan. Hvorfor det? Fordi leveren og andre utvalgte organer av pufferfish inneholder det dødelige nervetoksinet tetrodotoxin, og det tar enorm praksis å lære å lage fileter uten å forurense kjøttet.

Tetrodotoxin har en fantastisk kompleks struktur. Gruppen Av Yoshito Kishi ved Harvard University syntetiserte først tetrodotoxin tilbake i 1972 ved hjelp av En Diels-Alder for å sette stereokjemi i kjernen 6-leddringen.

Prøv å se forbi kompleksiteten for å fokusere på obligasjonene som danner og bryter her: du bør kunne se at de er nøyaktig de samme som de som danner og bryter i reaksjonen av butadien med etylen.betydningen Av Diels-Alderen her er at den satte stereokjemi Av C-5 og C-6 karbonene (merket i rødt), og dannet en konkav» cis-dekalin » – struktur som tillot Kishis gruppe å deretter sette resten av de kirale sentrene i molekylet (7 totalt). Denne klassiske strategien, utviklet Av Woodward, tillot syntesen av et skremmende komplekst molekyl på en tid hvor det var svært få metoder for asymmetrisk syntese.

du lurer kanskje på Hva SnCl4 er for. Det Er En Lewis-syre som katalyserer reaksjonen mellom butadien og dienofilen. Ikke Bare Gjør Lewis syrekatalyse reaksjonen raskere, men det gjør det også mer selektivt. Ikke et tema vi kommer inn på i dag.

Tetracyklin (Myers and Charest, 2005)

Kanskje du har hørt om antibiotika tetracyklin? Forskergruppen Til Andrew G. Myers fra Harvard University utviklet en plattform for syntese av et mangfoldig utvalg av tetracyklin-antibiotika som er avhengig Av Diels-Alder-reaksjonen.

Hva gjør Diels-Alderen så nyttig her? To ting. Først setter den stereokjemi På C-5 (nummerert i rødt-ikke iupac nummerering). For det andre, og langt viktigere, er At Diels-Alderen tillater en å koble sammen to svært komplekse fragmenter på en svært forutsigbar måte.

Medisinske kjemikere lager ofte et stort antall forskjellige analoger av en lovende legemiddelkandidat og tester dem under biologiske forhold for å se hvilken som utfører det beste. Skjønnheten I diels-Alderstrategien i tetracyklinsyntesen er at den er konvergent; man kan lage en kompleks dien og en kompleks dienofil og deretter bringe dem sammen på et sent stadium.denne strategien for tetracyklinsyntese er grunnlaget for et børsnotert selskap (Tetraphase) som for tiden bringer behandlinger til klinikken.

iso-Odoratin (Newhouse and Schuppe, 2017)

Diels-Alderen er ikke noen muggen gammel reaksjon som er begrenset til baksiden av lærebøker. Det er veldig mye en del av dagens, banebrytende kjemisk forskning. Bare for å demonstrere at dette ikke er noen reaksjon som er begravet i fortiden, her er et eksempel fra januar i år, syntesen av iso-odoratin (Og andre molekyler) av Gruppen Tim Newhouse På Yale.

Merk at Som i alle tidligere tilfeller Av Diels-Alderen er mønsteret av bindinger som danner og bryter identiske.

dien i dette tilfellet er ekstremt elektron-rik, og har både oksygen og nitrogen (sterke pi-givere begge!) direkte bundet til pi-systemet.Nøyaktig Hvorfor C-4 bindinger Med C-5 og Ikke C-4 Med C-6 (regioselektiviteten, med andre ord) er et stort spørsmål. Vi tar opp dette med tiden.

(Avanserte) Referanser og Videre Lesing

denne reaksjonen har skapt en enorm mengde forskning på grunn av sin allsidighet. Papirene som er oppført her er representative, men knapt riper overflaten av arbeidet som er gjort i dette området.

  1. Synthesen in der hydroaromatischen Reihe
    Otto Diels and Kurt Alder
    Lieb. Anne. Chem. 1928, 460 (1), 98-122
    DOI: 10.1002 / jlac.19284600106
    denne reaksjonen er oppkalt etter sin oppdager, Diels og Or, som fikk Nobelprisen i Kjemi i 1950 for dette arbeidet. I dette papiret hevder de deres territorium ved å anvende deres reaksjon i total syntese ,og sier «vi forbeholder oss eksplisitt anvendelsen av reaksjonen utviklet av oss til løsningen av slike problemer».
  2. mekanismen Av diels-Or reaksjon
    R. B. Woodward, Thomas J. Katz
    Tetraeder 1959, 5 (1), 70-89
    DOI: 10.1016/0040-4020(59)80072-7
    Prof. R. B. Woodward var en legendarisk figur i organisk kjemi, og denne artikkelen beskriver ulike teorier om mekanismen Av diels-Or reaksjon.
  3. Diels-alder reaksjoner med invers elektron etterspørsel. II. reaksjonen av benzamidin med π-mangelfulle heteroaromatiske forbindelser
    P. Figeys, A. Mathy
    Tet. Lett. 1981, 22(15), 1393-1396
    DOI: 10.1016/S0040-4039 (01) 90330-2
    den normale diels-Alder reaksjon fortsetter best når dien er elektron-rik og dienophile elektron-dårlig. I visse tilfeller er imidlertid motsatt polaritet mulig, og disse reaksjonene er kjent som inverse elektron-etterspørsel Diels-Alder reaksjoner.
  4. Diels–Alder Reaksjon I Total Syntese
    C. Nicolaou, Scott A. Snyder, Tamsyn Montagnon, Georgios Vassilikogiannakis
    Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41 (10), 1668-1698
    DOI: 10.1002/1521-3773(20020517)41:10<1668:: HJELP-ANIE1668>3.0.CO; 2-Z
    Prof. K. C. Nicolaou (Rice) er en nåværende leder innen naturlig produkt total syntese, og denne anmeldelsen dekker anvendelsene Av diels-Alder-reaksjonen i dette området.
  5. Hydrofob akselerasjon Av Diels-Alder reaksjoner
    Darryl C. Rideout og Ronald Breslow
    Journal Of American Chemical Society 1980, 102 (26), 7816-7817
    DOI: 10.1021 / ja00546a048
    denne publikasjonen Av Prof. Breslow (Columbia) er signifikant da den beskriver en uvanlig hastighet akselerasjon Av diels-Alder reaksjonen når den utføres i vann. Dette tilskrives den hydrofobe effekten, en entropisk effekt som tvinger reaktantene nærmere sammen.
  6. Nyttig dien For diels-Alder reaksjon
    S. Danishefsky Og T. Kitahara
    Journal Of American Chemical Society 1974, 96 (25), 7807-7808
    DOI: 10.1021 / ja00832a031
    denne artikkelen beskriver syntese og nytten av en functionalized og reaktiv dien for diels-Alder reaksjoner. Denne dien er nå kjent som «Danishefskys diene» etter sin skaper, Prof. S. Danishefsky(nå Ved Columbia U.).
  7. Nye Strategier For Organisk Katalyse: Den Første Svært Enantioselective Organocatalytic Diels−Alder Reaksjon
    Kateri A. Ahrendt, Christopher J. Borths, Og David W. C. MacMillan
    Journal Of American Chemical Society 2000, 122 (17), 4243-4244
    DOI: 10.1021/ja000092s
    Enantioselective diels-Alder reaksjoner er også mulig og er et aktivt område av forskning. Dette papiret Av Prof. Dave MacMillan (Nå Ved Princeton) viser hvordan man kan bruke organokatalyse for å oppnå en enantioselektiv Diels-Alderreaksjon via et chiralt iminiumion mellomliggende.
  8. Bevaring av orbital symmetri
    Roald Hoffmann Og Robert B. Woodward
    Kontoer Av Kjemisk Forskning 1968, 1 (1), 17-22
    DOI: 10.1021 / ar50001a003
    dette er en svært viktig papir. Bevaring av orbitalsymmetri gjør det mulig å forutsi stereokjemi av perikykliske reaksjoner (Som diels-Alder-reaksjonen). Dette papiret er en flott introduksjon til emnet av sine skapere og introduserer relevante termer (suprafacial, antarafacial, synrotatory, conrotatory, etc.). Prof. Hoffmann mottok Nobelprisen I Kjemi i 1981 for dette arbeidet, og ville utvilsomt ha delt Det Med Prof. Woodward det året (som ville vært Woodwards andre Nobel) hvis han ikke hadde gått tidlig året før.
  9. ENANTIOSELEKTIV, KATALYTISK DIELS-ALDER REAKSJON: (1s-endo) – 3-(BICYCLOHEPT-5-EN-2-YLCARBONYL)-2-OKSAZOLIDINON
    S. Pikul Og E. J. Corey
    Org. Synth. 1993, 71, 30
    DOI: 10.15227 / orgsyn.071.0030
    Denne prosedyren Av Nobelprisvinner Prof. Ej Corey (Harvard) demonstrerer en asymmetrisk Diels-Alder reaksjon ved hjelp av en kiral al katalysator.

Legg igjen en kommentar

Din e-postadresse vil ikke bli publisert. Obligatoriske felt er merket med *