Реакцията на Дилс-Алдер — определение, механизъм и приложения

Реакцията на Диелс-Алдер (DA) е химична реакция между органични съединения. Реакцията води до образуване на ново шестоъгълно съединение. То се нарича циклохексен. Конюгиран диен се свързва с алкен, за да се получи циклохексенът. Това съединение прилича на пръстен.

Тази реакция е открита от Ото Дилс и Курт Алдер през 1928 г. През 1950 г. те получават Нобелова награда за химия за работата си по тази реакция. Реакцията на DA е много полезна, тъй като означава, че циклохексените могат да се произвеждат с много малко енергия. Циклохексените се използват за създаване на сложни органични молекули. Една от първите употреби на реакцията DA е била за производство на инсектициди.

При реакцията DA се получава ново хексагонално пръстеновидно съединение. Съединение с две двойни връзки, които се намират на един въглероден атом разстояние една от друга, се свързва с друго съединение с поне една двойна връзка. Реакцията DA може да се осъществи и ако някои от атомите в новообразувания пръстен не са въглеродни. Някои от DA реакциите са обратими. Реакцията, предизвикана по време на това разпадане на цикличната система, се нарича ретро-Дилс-Алдер. Тези ретро-Дилс-Алдерови съединения често се наблюдават, когато се анализират чрез масспектрометрия.

Някои химици наричат реакцията на Диелс-Алдер "Мона Лиза" на органичните реакции. Подобно на простата усмивка на картината, реакцията може да е много по-сложна, отколкото химиците са открили досега.

Луисовите киселини (AlCl3, ZnCl2 и др.) действат като катализатори на реакцията.

Как работи реакцията: механизъм и ключови характеристики

Реакцията на Диелс–Алдер е класически пример за перициклична и концертна реакция. Това означава, че връзките се образуват едновременно в един преходен стадий, без да се формират устойчиви йонни или радикални междинни продукти при типични условия. Математически и орбитално явлението се описва чрез взаимодействие между HOMO на диена и LUMO на диенофила.

• Тип: [4+2] циклоаддиция — четири π-електрона от диена и два π-електрона от диенофила образуват шестчленен пръстен.
• Стереоспецифичност: конфигурацията (цис/транс) на заместителите в изходните съединения обикновено се запазва в продукта — реакцията е стереоспецифична.
• Ендо/ексо селективност: при много системи доминира ендо-продуктът (правило на ендо), което се обяснява с вторични орбитални взаимодействия между заместителите на диенофила и π-системата на диена.
• Реактивност: електроно-донорни заместители на диена и електроно-отнемащи заместители на диенофила ускоряват процеса (благоприятно HOMO–LUMO взаимодействие).

Регио- и стереохимия — как да предскажем продукта

Региоизомери се определят от електронните ефекти на заместителите и взаимодействието между полюсите на HOMO (на диена) и LUMO (на диенофила). Общо правило:

• Донорни групи върху диена и акцепторни върху диенофила водят до определена ориентация на новите връзки (наричано понякога "ортонумерация" на заместителите).
• Стереохимията е зададена от начина на подход на диена към диенофила — подходът в ендо положение често е термодинамично или кинетично предпочитан.

Варианти на реакцията

• Хетеро-Дилс–Алдер: когато единият партньор съдържа хетероатом (O, N и др.), се образуват кислород- или азот-съдържащи циклични системи.
• Инверсна (inverse) Diels–Alder: при която диенът е електронно беден, а диенофилът — по-богат; този вариант е важен в някои синтетични стратегии.
• Асиметрични (enantioselective) версии: чрез използване на хирални катализатори — хирални луисови киселини или органокатализатори — може да се получават оптически активни продукти с висока енантиеселективност.

Типични примери и лабораторни детайли

Един от класическите примери е реакцията между циклопентаден и maleic anhydride, която дава характерен ендо-аддукт. Много диени (като циклопен-таден) се димеризират при стайна температура и често трябва да се "счупят" (crack) преди употреба.

Условията на реакцията могат да варират от стайна температура до повишени температури в зависимост от реактивността на субстратите. Реакцията често протича в неполярни или умерено полярни разтворители; някои каталитични варианти позволяват провеждане при по-ниски температури.

Катализатори и ускоряване

Както е посочено по-горе, Луисовите киселини (AlCl3, ZnCl2 и др.) действат като катализатори на реакцията. Те обикновено координират към диенофила, снижавайки неговия LUMO и улеснявайки взаимодействието с HOMO на диена. Други често използвани катализатори са BF3·Et2O, TiCl4, медни и други метални соли, както и хирални комплекси за асиметрично каталитично провеждане.

Приложения в синтеза и индустрията

• Ключова реакция в тоталната синтеза на природни продукти и медикаменти (например при изграждане на сложни циклични рамки като стероли, терапенои и други).
• Производство на агрохимикали (инсектициди) — исторически една от първите практични употреби.
• Материални науки: използва се за синтеза на мономери и полимери, кръстосани връзки и фотополимери.
• Ретросинтетична стратегия: много синтетични планове разчитат на обратимостта (ретро-Дилс–Алдер) за разкриване на по-прости фрагменти при анализ и мас-спектрален разпад.

Ретро-Дилс–Алдер и аналитика

Ретро-Дилс–Алдер представлява обратимия процес — разкъсване на шестчленния пръстен до диен и диенофил. Този процес може да бъде термично индуциран или да стане част от разграждането при масспектрометричен анализ. В синтезата ретро-DA понякога се използва целенасочено за освобождаване на реактивни фрагменти или за отстраняване на временно защитни групи.

Ограничения и специални случаи

Въпреки широката си полезност, реакцията има и ограничения: силно стерично затруднение по веригата на подхода може да блокира образуването на продукта; някои заместители могат да насърчат конкурентни странични реакции; в редки случаи механизъм може да премине в стъпаловиден процес с радикални или йонни междинни продукти при екстремни условия.

Заключение

Реакцията на Дилс–Алдер е един от най-важните инструменти в органичната химия за създаване на шестчленни пръстени с висока степен на контрол върху стерео- и региоизомерията. Нейните варианти, катализатори и обратими аспекти правят DA незаменима както в академичната синтеза на естествени продукти, така и в промишленото производство на активни вещества и материали.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява реакцията на Диелс-Алдер?

В: Кой е открил реакцията DA?

В: Какво са получили за работата си по тази реакция?

В: За какво се използват циклохексените?

В: Как при реакцията DA се получава съединение с форма на шестоъгълен пръстен?

Въпрос: Възвратими ли са някои DA реакции?

В: Какви катализатори могат да се използват за ускоряване на реакцията DA?

Търсене по буква