Електроциклични реакции — дефиниция, механизъм и правила на Удуърд–Хофман
Електроциклични реакции: дефиниция, механизъм и правила на Удуърд–Хофман — ясен преглед на стереоспецифичност, торквоселективност и термични/фотоиндуцирани процеси.
В органичната химия електроцикличната реакция е вид перициклична реакция на пренареждане, при която линейна система от π-електрони формира (или обратното — разрушава) σ-връзка, водеща до затваряне или отваряне на пръстен. По същество електроцикличната реакция включва координирано, молекулно-орбитално управлявано завъртане на краищата на π-системата, така че новата σ-връзка да бъде образувана с подходяща симетрия на орбиталите. Реакцията е електроциклична, ако резултатът е превръщане на една пи-връзка в една сигма-връзка или обратното.
- електроцикличните реакции се задвижват от светлина (фотоиндуцирани) или топлина (термични);
- начинът на реакция (конротационен срещу дистротационен) се определя от броя на π-електроните в частта с повече π-връзки и от това дали реакцията е термична или фотохимична;
- една електроциклична реакция може да затвори пръстен (електроциклиране) или да отвори пръстен;
- стереоспецифичността се определя от образуването на коротаторно или дистротаторно преходно състояние, както е предвидено от правилата на Удуърд-Хофман;
- електроцикличните реакции са стереоспецифични и често стереоселективни — крайният стереохимичен резултат може да бъде предвиден чрез симетрията на молекулните орбитали.
Механизъм и правилa на Удуърд–Хофман
Основният принцип, който управлява електроцикличните реакции, е правилото на Удуърд–Хофман за запазване на симетрията на молекулните орбитали. Съществено е да се броят π-електроните в системата и да се определи дали броят попада в класа 4n или 4n+2 (n — цяло число). Общото правило за затваряне/отваряне на пръстен е:
- За термични реакции: система с 4n π-електрона протича чрез конротационен (conrotatory) режим; система с 4n+2 π-електрона — чрез дистротационен (disrotatory) режим.
- За фотохимични (фотоиндуцирани) реакции правилата са обърнати: 4n → дистротационно, 4n+2 → конротационно.
Тези правила произтичат от това коя молекулна орбитала (обикновено HOMO — най-високо заета молекулна орбитала при термични процеси, или LUMO/HOMO* при фотонизация) диктува симетрията на крайните лобове, които трябва да се припокрият при образуването на новата σ-връзка. Ако съответстващите лобове имат съвпадащи фази, образуването на връзката е позволено (термодинамично и симетрично благоприятно); ако фазите са несъвместими, процесът е забранен по симетрични причини или ще премине чрез по-високоенергетичен път.
Метод на граничната орбиталност (FMO)
Методът на граничната орбиталност (frontier molecular orbital, FMO) дава интуитивно обяснение: при термично отваряне/затваряне на пръстен ключова е HOMO на участващата π-система. Новата σ-връзка ще се образува по такъв начин, че лобовете на получената π-система да имат същата симетрия (фази) като лобовете в HOMO. Това определя дали краищата трябва да се въртят в една и съща посока (коротационно) или в противоположни посоки (дистротационно).
Торквоселективност и стереоспецифичност
Торквоселективността описва предпочитана посока на въртене на заместителите при електроциклично затваряне или отваряне — тя влияе върху това дали единият енантиеомер ще се получава в по-голямо количество от другия. Дори когато процесът е коротационен или дисротационен по симетрични причини, заместителите и техните взаимодействия (стерични, електронни или чрез взаимодействие с катализатор) могат да предизвикат частично или пълно предпочитание на едната посока на въртене. Това е важен инструмент за стереоконтрол в синтетичната органична химия.
Примери
Реакцията на циклизация на Назаров е пример за електроциклична реакция, при която се затваря пръстен. При нея дивинилкетоните се превръщат в циклопентенони чрез 4π електроциклизация на активирания (карбокатионен) пентатенилов фрагмент, обикновено под действието на киселина или Льоисова киселина. Тази трансформация е широко използвана в органичния синтез за построяване на циклопентанови рамки и показва как катализаторите и заредените междинни форми влияят на механизма.
Конкретен илюстративен пример от малки молекули е термичното отваряне на пръстена на 3,4-диметилциклобутен (включено в оригиналния текст):
При термично отваряне на циклобутен (система с 4 π-електрона) процесът протича по конротационен път (съгласно правилата: 4n → конротационно за термичен процес). Това води до специфични стереохимични продукти: от цис-изомера се получава само цис,транс-2,4-хексадиен, докато от транс-изомера се дава транс,транс-дийен. Обяснението чрез граничните орбитали показва, че σ-връзката се „счупва“ по начин, при който образуваните p-орбитали имат еднакви фази, съответстващи на HOMO на продукта (бутадиен), и това е възможно само чрез конротационно отваряне:
В общия случай стереоспецифичността на резултата зависи от това дали реакцията протича чрез коротационен или дисоротационен процес и от режима на въртене на заместителите. Използването на каталитични системи, интеракции между заместители и условия (температура, светлина) позволява на химиците да контролират тези параметри и да предвидят или насочат синтеза към желан стереоизомер.
Значение и приложения
Химиците ценят електроцикличните реакции, защото те предлагат чисти примери за приложение на теорията за молекулните орбитали и за запазване на симетрията при химични трансформации. Те са полезни в синтеза за изграждане на циклични системи с контролирана стереохимия (например в природни продукти и фармацевтични синтези) и служат като тестови случаи за теоретични модели и компютърни методи.
Кратко резюме на правилата за бърза ориентация:
- Термично: 4n π → конротационно; 4n+2 π → дистротационно.
- Фотохимично: 4n π → дистротационно; 4n+2 π → конротационно.
Тези принципи, заедно с анализа на HOMO/LUMO и факторите, определящи торквоселективността, позволяват предсказуем контрол върху продуктите на електроцикличните реакции и ги правят ценен инструмент в съвременната органична химия.
Правила на Удуърд-Хофман
Правилата на Удуърд-Хофман се отнасят до запазването на орбиталната симетрия при електроциклични реакции.
Корелационните диаграми свързват молекулните орбитали на реагента с тези на продукта със същата симетрия. Корелационните диаграми могат да бъдат съставени за двата процеса.
Тези корелационни диаграми показват, че само коротаторното отваряне на пръстена на 3,4-диметилциклобутен е "симетрично разрешено", докато само дистротаторното отваряне на пръстена на 5,6-диметилциклохекса-1,3-диен е "симетрично разрешено". Това е така, защото само в тези случаи в преходното състояние ще се получи максимално припокриване на орбитите. Освен това образуваният продукт ще бъде в основно състояние, а не във възбудено състояние.
Гранична теория на молекулните орбитали
Теорията за молекулните орбитали на границата предвижда, че връзката сигма в пръстена ще се отвори по такъв начин, че получените р-орбитали ще имат същата симетрия като HOMO на продукта.
Горната схема показва два примера. За 5,6-диметилциклохекса-1,3-диен (горният ред на диаграмата) само дистротационен режим би довел до р-орбитали със същата симетрия като HOMO на хексатриен. Двете р-орбитали се въртят в противоположни посоки. За 3,4-диметилциклобутена (долният ред на схемата) само конротаторният режим би довел до р-орбитали със същата симетрия като HOMO на бутадиен. Р-орибталите се въртят в една и съща посока.
Електроциклиране във възбудено състояние
Светлината може да придвижи електрон до възбудено състояние, което заема по-висока орбитала. Възбуденият електрон ще заеме LUMO, което има по-високо енергийно ниво от старата орбитала на електрона. Ако светлината отвори пръстена на 3,4-диметилциклобутен, в резултат на това електроциклирането ще се осъществи в дистротационен режим вместо в котротационен. Корелационната диаграма за разрешената реакция на отваряне на пръстен във възбудено състояние показва защо:
Само дистротационен режим, при който симетрията около равнината на отражение се запазва през цялата реакция, би довел до максимално припокриване на орбитите в преходното състояние. Също така, отново, това би довело до образуване на продукт, който е във възбудено състояние със стабилност, сравнима с възбуденото състояние на реагиращото съединение.
Електроциклични реакции в биологични системи
Електроцикличните реакции се срещат често в природата. Една от най-често срещаните такива реакции в природата е биосинтезата на витамин D3.
Първата стъпка е свързана с отваряне на пръстена на 7-дехидрохолестерола от светлина, за да се образува превитамин D3. Това е фотохимично индуцирана конротаторна електроциклична реакция. Втората стъпка е [1,7]-хидридно изместване, за да се получи витамин D3.
Друг пример за това е предложеният биосинтез на аранотин, оксипин, който се среща в природата, и свързаните с него съединения.
Фенилаланинът се използва за получаване на дикетопиперазин (не е показано). След това ензими епоксидират дикетопиперазина, за да се получи аренов оксид. Той се подлага на реакция на електроциклиране с отваряне на 6π дистротационен пръстен, за да се получи нециклиран оксипин. След второто епоксидиране на пръстена близкият нуклеофилен азот атакува електрофилния въглерод, образувайки петчленен пръстен. Получената пръстенова система е често срещана пръстенова система, която се среща в аранотина и свързаните с него съединения.
Бензоноркарадиеновият дитерпеноид (А) се пренарежда в бензоциклохептатриеновия дитерпеноид изосалвипуберлин (Б) чрез изваряване на разтвор на метиленхлорид. Тази трансформация може да се разглежда като дистротаторна електроциклична реакция, последвана от две надфазови 1,5-сигматропни водородни премествания, както е показано по-долу:
Обхват
Пример за електроциклична реакция е конротационното термично пръстеновидно отваряне на бензоциклобутан. Продуктът на реакцията е много нестабилен ортохинодиметан. Тази молекула може да бъде уловена в ендодобавяне със силен диенофил, например малеинов анхидрид, до адукта на Диелс-Алдер. Установено е, че химическият добив при отварянето на пръстена на бензоциклобутана, представен в схема 2, зависи от естеството на заместителя R. При реакционен разтворител като толуол и температура на реакцията 110 °C добивът се увеличава, като се преминава от метил към изобутилметил и триметилсилилметил. Повишената скорост на реакцията за триметилизиловото съединение може да се обясни със силициевата хиперконюгация, тъй като връзката βC-Si отслабва връзката C-C на циклобутана, като отдава електрони.
Открита е биомиметична електроциклична каскадна реакция във връзка с изолирането и синтеза на някои ендиандринови киселини:
Въпроси и отговори
В: Какво представлява електроцикличната реакция?
О: Електроцикличната реакция е вид перициклична реакция на пренареждане, при която резултатът е превръщането на една пи-връзка в една сигма-връзка или на една сигма-връзка в пи-връзка.
В: Как се управляват електроцикличните реакции?
О: Електроцикличните реакции се предизвикват от светлина (фотоиндуцирани) или топлина (термични).
В: Как броят на пи-електроните влияе на електроцикличната реакция?
О: Броят на пи-електроните влияе върху начина на реакция при електроциклична реакция.
В: Какво се случва по време на процеса на електроциклизация?
О.: По време на процеса на електроциклиране пръстенът може да бъде затворен.
В: Какво определя стереоспецифичността при електроциклична реакция?
О.: Стереоспецифичността при електроциклична реакция се определя от образуването на коротаторно или дистротаторно преходно състояние, както е предвидено от правилата на Удуърд-Хофман.
В: Какво е торквоселективност по отношение на електроциклична реакция?
О: Торквоселективността се отнася до посоката, в която се въртят заместителите по време на електроциклична реакция, която може да доведе до получаване на енантиомерни продукти, ако протича чрез конротационен процес, и до излишък на енантиомери, ако протича чрез торквоселективен процес.
Въпрос: Какъв пример илюстрира как методът на граничните орбитали обяснява как работи това?
О:Реакцията на термично отваряне на пръстена на 3,4-диметилциклобутен представлява пример, който илюстрира как методът на граничните орбитали обяснява как това работи. Връзката сигма ще се отвори по такъв начин, че получените р-орбитали да имат същата симетрия като най-високо заетата молекулна орбитала (HOMO) на продукта (бутадиен). Това се случва само при котротационно отваряне на пръстена, което води до противоположни знаци за двата лоба в прекъснатите краища на пръстена, докато при дистротационно отваряне ще се образува антивръзка.
обискирам