A Diels-éger reakció

A Diels-éger reakció félelmetes

ma bemutatunk egy reakciót, amelyet a szerves kémia leghasznosabb és legerősebb reakciójának tartok: a Diels-éger reakciónak.

Tartalomjegyzék

  1. vegyészek egyhangúlag egyetértenek: a Diels-éger reakció félelmetes
  2. a Diels-éger reakció
  3. ne legyen Underwhelmed!
  4. Az Alapvető Minta a Diels-Alder Reakció
  5. A Nyíl-Toló Mechanizmus a Diels-Alder
  6. Négy Legfontosabb Dolog, amit jó Tudni A Diels-Alder Reakció
  7. Négy Kulcsfontosságú Dolgokat, 1. Rész: A Dién Kell Konjugált
  8. Négy Kulcsfontosságú Dolgok, 2. Rész: A Dién Kell Az s-cisz Felépítésű
  9. Négy Kulcsfontosságú Dolgok, 3. Rész: Substituents A Dién Vagy Dienophile NEM Érintik A Bond-Képző / Kötvény-Breaking Minta A Diels-Alder
  10. Négy Kulcsfontosságú Dolgokat, 4. Rész. A helyettesítők azonban befolyásolják a Diels-éger sebességét. Az arány a DIENOFIL és elektron-donorok EWG-jével nő a dién
  11. Megjegyzések
  12. 1. függelék: mi a helyzet a többi Gyűrűmérettel?
  13. 2. függelék: a Diels-Alder reakció három látványos példája
  14. (haladó) referenciák és további olvasás

1. A vegyészek egyhangúlag egyetértenek: a Diels-Alder reakció félelmetes

, de ne vegyen rá véletlenszerű blogger szavát. Íme három kiemelkedő vegyész véleménye erről a reakcióról.

2. A Diels-Alder reakció

OK. Készen állsz rá?

készüljön fel.

itt van:

A munkám itt történik, emberek.

lecke vége!

3. Ne légy Underwhelmed!

… várj. Nem csodálkozol? Nem vagy lenyűgözve? Nem fújt el a puszta ereje és szépsége ennek a hihetetlenül erős folyamat?

meg van bocsátva. Az igazat megvallva, én egy kicsit underwhelmed magam, amikor megtanulta ezt a reakciót vissza undergrad. .

Ez azért van, mert oktatók (magamat is beleértve), inkább kezdjük a legtöbb unalmas, egyszerű, kézen fogva példák lehetséges, hogy a fő minta át, azzal az eredménnyel, hogy a hallgatók miss lássam az igazán látványos esetekben.

szóval, bármennyire is szeretném kezdeni ezeket a bonyolult és nagyon szép példákat a Diels-éger … kezdjük, ahogy a hagyomány diktálja, a sekély végén a medence.

nézzük meg közelebbről ezt a rendkívül fontos reakciót. Első:

  • az alapvető kötések alakult/kötvények törött minta
  • az egyszerű nyíl toló mechanizmus

az alapvető minta A Diels-éger reakció

a Diels-éger reakció összehozza két komponenst.

  • az egyik részt “diénnek” nevezzük, amely két szomszédos (azaz konjugált) pi kötésből áll.
  • a második komponens az úgynevezett “dienophile”, azaz” diene-szerető”, és legalább egy PI-kötés.

milyen kötések alakulnak ki, és milyen kötések törnek itt?

figyeljen erre a kulcsmintára, mert újra és újra megismétli önmagát.

valójában minden Diels-éger, amelyről megtudjuk, követi ezt a mintát.

három pi kötés van törve; két sigma kötés és egy PI kötés alakul ki. Minden. Egyedülálló. Idő.

az eredmény az, hogy egy új hattagú gyűrű alakul ki. (Minden … Egyetlen…. Idő! )

A Diels-éger nyilazó mechanizmusa

a szokásos preferenciám az, hogy a mechanizmusokat addig tartsam, amíg néhány kísérleti tényen át nem mentünk, de itt kivételt teszek.

kétféle módon lehet felhívni az elektronok áramlását( mindkettő helyes): az óramutató járásával megegyező irányban és az óramutató járásával ellentétes irányban.

ezt az elektronáramlást három nyíllal ábrázolom, amelyeket a, B és C jelzéssel jelöltem.

látnia kell, hogy három C–C pi kötés van megszakítva, és három új C–C kötés alakul ki (2 C-C sigma kötés és egy C-C pi kötés) függetlenül attól, hogy az elektron áramlása az óramutató járásával megegyező vagy az óramutató járásával ellentétes irányban halad-e.

6. Négy Kulcsfontosságú Dolog, amit jó Tudni A Diels-Alder Reakció

Miután megnézte az elektron áramlás, valamint a minta kötvények formájában, majd szünet, folytassuk néhány nagyon alapvető kérdés a Diels-Alder.

Itt négy fő pontot:

  1. A Dién Kell Konjugált
  2. A Dién Kell Az s-cisz felépítésű
  3. Substituents NEM Változik a minta kötvények alakult/kötvények törött…
  4. … de befolyásolja az árfolyam!

négy kulcsfontosságú dolog, 1. rész: A Diént konjugálni kell

a diént konjugálni kell, hogy részt vegyen egy Diels-éger reakcióban. Nincs konjugáció, nincs Diels-éger. Tehát míg az 1,3-butadién könnyen megy keresztül a Diel-éger reakción, az 1,4 pentadién (lent) nem.

(Ha nem világos, hogy mi minősül” konjugált ” diénnek, érdemes meglátogatni ezt a bejegyzést.)

négy kulcsfontosságú dolog, 2. rész: a Diénnek az s-cis konformációban kell lennie

nem elegendő ahhoz, hogy a dién pi-kötései szomszédosak legyenek; a két C-C pi kötésnek konformációt kell elfogadnia, ahol ugyanabban a síkban vannak (azaz lapos).

de még ez sem elegendő. A diénnek olyan konformációt kell elfogadnia, amelyben a két pi-kötés a központi C-C egységes kötéshez van orientálva, hogy a Diels-éger bekövetkezzen. Más szóval, a diénnek az S-cis konformációban kell lennie!

például az alábbi Diels-éger csak akkor fordul elő, ha a butadién az S-cis konformációban van, soha nem pedig az s-transz-ban.

miért? Egy szóval, geometria. Az s-transz konformációban a dién két vége közötti rést (kb. 3,7 Å távolságra) a dienofil nem tudja áthidalni (kb. 1,3 Å hosszú). Ez csak az S-cis konformációban lehetséges.

sok példa van a diénekre, amelyek “zárolva vannak” az s-transz konformációban, mivel az s-cis konformációhoz való forgatás C-C kötések szakadását igényelné. Ezek a diének nem mennek át a Diels-Égeren.

négy kulcsfontosságú dolog, 3. rész: A dién vagy Dienofil szubsztituensei nem befolyásolják a Diels-éger

Kötésképző/Kötéstörési mintázatát, ha a diénhez vagy a dienofilhez szubsztituenseket adnak, az nem befolyásolja a Diels-éger kötésképző/kötéstörési mintáját.

például húzzunk rá egy (piros) CH3 csoportot a butadién C-1-jére, és vázoljuk fel ugyanazt a reakciót az etilénnel.
így fog kinézni a termék:

vegye figyelembe, hogy a kötések mintája pontosan ugyanaz, mint maga a butadiene esetében! A minta nem követeli meg, hogy a szubsztituensek bármelyik kötése megszakadjon, tehát mindegyiket érintetlenül tartjuk.

ugyanez igaz a C-2 helyettesítésére is. A kötések mintája azonos.

bár először nehéz lehet látni, ugyanez igaz a sokkal bonyolultabb példákra is, amelyek közül több látható ebben a függelékben . A dién minden extra káposzta nem változtatja meg az alapvető reakciómintát.

minden, amit a diénről mondtunk, a dienofilra is vonatkozik. A dienofil helyettesítői nem befolyásolják a kötések kialakulásának és törésének kulcsmintáját. A helyettesítők csak jönnek az útra.

lehet, hogy csoda: lehet kombinálni helyettesítés a dién és dienophile? Azt meghiszem! Ugyanaz a minta, mint korábban.

megismétlődésének kockázata mellett hadd mondjam el újra. A Diels-éger mintázata szerint három pi kötést kell feltörni, és két egykötést és egy PI kötést kell alkotni, ami egy hattagú gyűrűt eredményez. A dién/dienofil helyettesítőinek bármilyen kötése nem szakad meg. Ezek a helyettesítők pontosan ugyanazok maradnak.

négy kulcsfontosságú dolog, 4. rész. A helyettesítők befolyásolják a Diels-éger sebességét. Az EWG-k a dienofil és elektron-donorok arányát növelik a dién

– en, míg a szubsztituensek nem változtathatják meg a Diel-éger reakció alapvető mintáját, nagymértékben befolyásolhatják annak sebességét.

amint kiderül, a Diels-éger sebessége nagyságrendekkel gyorsabb, ha például a dienofilon elektron-kivonó csoport van, például az eténen lévő hidrogén helyettesítése a CN (nitril) elektronkivonó csoporttal a reakciósebesség körülbelül 105 növekedését eredményezi. .

egyéb közös elektron kivonó funkcionális csoportok, amelyek felgyorsítják a dienofilek Diel-éger reakcióját, az aldehidek, ketonok és észterek. Röviden, A Pi-kötéssel konjugált bármely funkcionális csoport, amely pi-akceptorként működhet, felgyorsítja a Diels-éger reakciót egy tipikus diénnel.

a dién elektronban gazdagabbá tétele szintén növeli az arányt. Az “elektronban gazdag” alatt minden olyan szubsztituenst értek, amely elektronsűrűséget adhat a diénnek. Az alkilcsoportok (mint például a metil és az etil) az egyik példa, csakúgy, mint a pi donorok, például az oxigén és a nitrogén.

például egy metil-csoport hozzáadása a butadiénhez növeli a reakciósebességet 3-as faktorral több mint 100-ra, a dienofiltől függően .

következik: ciklikus diének és Dienofilek

sok diák küzd a Diels-éger reakciók ciklikus diénekkel és dienofilekkel történő előállításával. Azt terveztem, hogy ebben a bejegyzésben foglalkozom ezzel a témával, de ez túl hosszú. Akkor majd legközelebb megbeszéljük.

köszönhetően Tom Struble segítséget ebben a bejegyzésben.

Megjegyzések

céljainkhoz csak a normál elektron igényű Égerreakciókról beszélünk, elektronban gazdag diénnel és elektronszegény dienofilnel. Vannak azonban példák a Diels-éger reakciókra, amelyek elektronszegény diénekkel és elektronban gazdag dienofilekkel járnak. Ezek az úgynevezett inverz-elektron kereslet Diels éger reakciók.

Megjegyzés-Ezek a számok valójában a ciklopentadiénre vonatkoznak, nem a butadiénre, de a relatív arányoknak hasonlónak kell lenniük. A kísérleti adatokat lásd Carey és Sundberg a vagy közvetlenül a szakirodalom, itt. (Német)

1. függelék: Mi A Helyzet Más Gyűrűméretekkel?

néhány “buta” kérdés a Diels-Égerről, amelyek valójában jó kérdések

1. Ez a fajta reakció “Diénre” és “Dienofilra” korlátozódik, vagy felhasználható más méretű gyűrűk készítésére is?

nagy kérdés. Eddig a pontig hozzászoktunk a magas töltésű nukleofilekhez és elektrofilekhez.

a Diels-éger a “periciklikus reakciók” nevű reakciócsalád része, ahol a két reakciókomponens viszonylag nem poláris, és általában nem megy keresztül töltött intermediereken, például karbocationokon

specifikusan, maga a Diels-éger reakció hattagú gyűrűket és csak hattagú gyűrűket készít. A reakció előfordulásához dién és dienofil szükséges. Ezért a Diels-Égert gyakran cikloaddíciónak nevezik.

vannak más típusú cikloadditions? Igen – bár közel sem olyan gyakori vagy fontos, mint a cikloaddition.

például kíváncsi lehet: mi történik, ha nincs diene? Két alkén kombinálható egy négytagú gyűrű készítéséhez?

ugyanolyan körülmények között, mint a Diels-éger (azaz csak hővel), nem.

azonban lehetséges, hogy két alként kombináljunk egy ciklobutánba, ha (és csak ha) erős ultraibolya (UV) fényt alkalmazunk.

ezt cikloaddíciónak nevezik.

miért van szükség UV-fényre itt, de nem a Diels-éger esetében? Nagy kérdés! Ennek köze van az orbitális szimmetriához, és hamarosan odaérünk.

hasonló vonalak mentén: mi van, ha nincs dienofil? Két dién reagálhat?

dienofil hiányában a dién melegítése azonos körülmények között nem ad nyolc tagú gyűrűt (ez egyébként cikloaddíció lenne).

valójában az történik, hogy egy dién egy Diels-éger reakcióban alkénnel egyesül, hattagú gyűrűt alkotva.

a lényeg, amit itt próbálok megfogalmazni, hogy egy dién + alkén kombinációja, amely hattagú gyűrűt ad, különösen fontos és kedvelt.

2. A Dienofilnek Alkénnek Kell Lennie?

a dienofilnek nem kell kifejezetten alkénnek lennie; az egyetlen követelmény az, hogy pi kötést tartalmaz. Például alkin is lehet. Például a dimetil-acetilén-dekarboxilát (DMAD) kiváló dienofil, a C-C pi kötés törése után alkén marad. Még az N=N pi kötések is részt vehetnek a Diels-éger reakciókban, mindaddig, amíg elektronszegény csoportokhoz kapcsolódnak, például dietilazodikarboxilátban (halott). Igen, van egy halott reagens.

továbbá vannak példák a Diels-éger reakciókban részt vevő C=O kötésekre, bár ez az inverz-elektron igényű Diels-éger reakció területére kerül,egy olyan téma, amelyet még nem is tárgyalunk.

2. függelék: a Diels-Alder reakció három látványos példája

haladó téma.

számtalan példa van arra, hogy a Diels-Alder reakciót a természetes termékek szintetizálására használják. Az alábbiakban hármat választottam.

a példák bonyolultnak tűnnek egy kezdő számára – és azok. A lényeg azonban az, hogy a kötések mintája, amelyek ezen reakciók mindegyikében kialakulnak és törnek, nem különbözik a jó öreg butadién és etilén mintájától.

Tetrodotoxin (Kishi, 1972)

Ez körülbelül három év intenzív képzési engedély megszerzése, hogy készítsen gömbhal (Fugu) Japánban. Miért van ez? Mivel a gömbhal mája és más kiválasztott szervei tartalmazzák a halálos idegméreg tetrodotoxint, és óriási gyakorlatra van szükség ahhoz, hogy megtanuljuk, hogyan kell filét készíteni anélkül, hogy megfertőznénk a húst.

A Tetrodotoxin csodálatosan összetett szerkezetű. A Harvard Egyetem Yoshito Kishi csoportja először 1972-ben szintetizálta a tetrodotoxint egy Diels-éger segítségével, hogy beállítsa a sztereokémiát a mag 6 tagú gyűrűjében.

próbálja meg átnézni a komplexitást, hogy az itt kialakuló és törő kötésekre összpontosítson: látnia kell, hogy pontosan ugyanazok, mint azok, amelyek a butadién etilénnel való reakciójában alakulnak ki és törnek.

a Diels-éger jelentősége itt az, hogy beállította a C-5 és C-6 karbonok sztereokémiáját (pirossal jelölve), és konkáv “cisz-dekalin” struktúrát hozott létre, amely lehetővé tette Kishi csoportjának, hogy később beállítsa a molekula többi királis központját (összesen 7). Ez a klasszikus stratégia, amelyet Woodward úttörő, lehetővé tette egy kísértetiesen összetett molekula szintézisét abban az időben, amikor nagyon kevés módszer volt az aszimmetrikus szintézisre.

lehet, hogy vajon mi az SnCl4 számára. Ez egy Lewis-sav, ami katalizálja a butadién és a dienofil reakcióját. A Lewis-sav katalízis nemcsak gyorsabbá teszi a reakciót, hanem szelektívebbé is teszi. Ma nem foglalkozunk ezzel a témával.

tetraciklin (Myers and Charest, 2005)

talán hallottál a tetraciklin antibiotikumról? Andrew G. Myers, a Harvard Egyetem kutatócsoportja kifejlesztett egy platformot a tetraciklin antibiotikumok változatos választékának szintézisére, amely a Diels-Alder reakcióra támaszkodik.

mi teszi a Diels-éger olyan hasznos itt? Két dolog. Először a sztereokémiát C-5-re állítja be (Piros számozással – nem IUPAC számozással). Másodszor, sokkal fontosabb, hogy a Diels-éger lehetővé teszi, hogy két nagyon összetett fragmentumot összekapcsoljunk nagyon kiszámítható módon.

A Gyógyszerkémikusok általában számos különböző analógot készítenek egy ígéretes gyógyszerjelöltről, és biológiai körülmények között tesztelik őket, hogy melyik végzi a legjobban. A tetraciklin-szintézis Diels-Alder stratégiájának szépsége az, hogy konvergens; komplex diént és komplex dienofilt lehet készíteni, majd később összehozni őket.

Ez a tetraciklin szintézis stratégiája egy nyilvánosan működő vállalat (Tetrafáz) alapja, amely jelenleg kezeléseket hoz a klinikára.

iso-Odoratin (Newhouse and Schuppe, 2017)

a Diels-éger nem valami dohos régi reakció, amely a tankönyvek hátsó oldalaira korlátozódik. Ez nagyon része a jelenlegi, élvonalbeli kémiai kutatásoknak. Csak hogy bebizonyítsuk, hogy ez nem valami reakció, ami a múltban van eltemetve, íme egy példa ez év januárjától, az ISO-szagatin (és más molekulák) szintéziséről Tim Newhouse csoportja a Yale-en.

vegye figyelembe, hogy mint minden korábbi esetben a Diels-éger, a kötések mintája azonos.

a dién ebben az esetben rendkívül elektronban gazdag, mind oxigénnel, mind nitrogénnel rendelkezik (erős pi donorok egyaránt!) közvetlenül kapcsolódik a pi rendszerhez.

pontosan miért C-4 kötések C-5 és nem C-4 C-6 (a regioszelektivitás, más szóval) egy nagy kérdés. Ezt időben megbeszéljük.

(Advanced) referenciák és további olvasmányok

Ez a reakció sokoldalúsága miatt hatalmas mennyiségű kutatást eredményezett. Az itt felsorolt papírok reprezentatívak, de alig karcolják meg az ezen a területen végzett munka felületét.

  1. Synthesen in der hydroaromatischen Reihe
    Otto Diels és Kurt Alder
    Lieb. Ann. Chem. 1928, 460 (1), 98-122
    DOI: 10.1002/jlac.19284600106
    ezt a reakciót a felfedezőiről, Dielsről és Égerről nevezték el, aki 1950-ben kémiai Nobel-díjat kapott ezért a munkáért. Ebben a dolgozatban azt állítják, hogy területüket teljes szintézisben alkalmazzák reakciójukban, kijelentve: “kifejezetten fenntartjuk magunknak az általunk kifejlesztett reakció alkalmazását az ilyen problémák megoldására”.
  2. a Diels-Alder reakció mechanizmusa
    R. B. Woodward, Thomas J. Katz
    tetraéder 1959, 5 (1), 70-89
    DOI: 10.1016/0040-4020(59)80072-7
    Prof. R. B. Woodward a szerves kémia legendás alakja volt, és ez a tanulmány különböző elméleteket ír le a Diels-Alder reakció mechanizmusáról.
  3. Diels-éger reakciók inverz elektronszükséglettel. II. benzamidin reakció π-hiányos heteroaromatikus vegyületekkel
    P. Figeys, A. Mathy
    Tet. Lett. 1981, 22(15), 1393-1396
    DOI: 10.1016/S0040-4039 (01)90330-2
    a normál Diels-Alder reakció akkor a legjobb, ha a dién elektronban gazdag és a dienofil elektronszegény. Bizonyos esetekben azonban az ellenkező polaritás lehetséges, ezeket a reakciókat inverz elektron-igényű Diels-éger reakcióknak nevezik.
  4. a Diels-Alder reakció teljes szintézisben
    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:: AID-ANIE1668>3.0.CO;2-Z
    Prof. K. C. Nicolaou (Rice) a természetes termékek teljes szintézisének jelenlegi vezetője, és ez a felülvizsgálat a Diels-Alder reakció alkalmazásait foglalja magában ezen a területen.
  5. Diels-éger reakciók hidrofób gyorsulása
    Darryl C. Rideout és Ronald Breslow
    Journal of the American Chemical Society 1980, 102 (26), 7816-7817
    DOI: 10.1021/ja00546a048
    Ez a kiadvány Prof. Breslow (Columbia) jelentős, mivel leírja a Diels-éger reakció szokatlan gyorsulását, amikor vízben hajtják végre. Ezt a hidrofób hatásnak tulajdonítják, egy entróp hatás, amely közelebb kényszeríti a reagenseket.
  6. hasznos dién a Diels-Alder reakció
    S. Danishefsky és T. Kitahara
    Journal of the American Chemical Society 1974, 96 (25), 7807-7808
    DOI: 10.1021/ja00832a031
    Ez a tanulmány leírja a szintézis és hasznosságát funkcionális és reaktív dién Diels-Alder reakciók. Ez a dién ma már közismert nevén “Danishefsky diene” után alkotója, Prof. S. Danishefsky (most Columbia U.).
  7. új stratégiák a szerves Katalízishez: Az Első Nagyon Enantioselective Organokatalitikus Diels−Alder Reakció
    Kateri A. Ahrendt, Christopher J. Borths, David W. C. MacMillan
    Journal of the American Chemical Society 2000, 122 (17), 4243-4244
    DOI: 10.1021/ja000092s
    Enantioselective Diels-Alder reakció is lehetséges, valamint az aktív kutatási terület. Ez a tanulmány Prof. Dave MacMillan (most Princeton) azt mutatja, hogyan lehet használni organokatalízis elérni enantioszelektív Diels-éger reakció keresztül királis iminium ion közbenső.
  8. az orbitális szimmetria megőrzése
    Roald Hoffmann és Robert B. Woodward
    Accounts of Chemical Research 1968, 1 (1), 17-22
    DOI: 10.1021/ar50001a003
    Ez egy rendkívül fontos papír. Az orbitális szimmetria megőrzése lehetővé teszi a periciklikus reakciók (például a Diels-Alder reakció) sztereokémiájának előrejelzését. Ez a dolgozat egy nagy bevezetés a téma az alkotók, és bevezeti a vonatkozó kifejezések (suprafacial, antarafacial, synrotatory, conrotatory, stb .. ). Hoffmann professzor 1981-ben kapta meg a kémiai Nobel-díjat ezért a munkáért, és kétségtelenül megosztotta volna Prof. Woodward abban az évben (ami Woodward második Nobel-díja lett volna), ha nem halt volna meg az előző évben.
  9. ENANTIOSZELEKTÍV, katalitikus DIELS-éger reakció: (1S-endo)-3-(BICIKLOHEPT-5-én-2-ILKARBONIL)-2-OXAZOLIDINON
    S. Pikul és E. J. Corey
    Org. Szintetizátor. 1993, 71, 30
    DOI: 10.15227 / orgsyn.071.0030
    Ez a Nobel-díjas Prof. E. J. Corey (Harvard) által végzett eljárás aszimmetrikus Diels-éger reakciót mutat királis Al katalizátor segítségével.

Vélemény, hozzászólás?

Az e-mail-címet nem tesszük közzé. A kötelező mezőket * karakterrel jelöltük