Cikloaddīcija (cikloadikcija) — pericikliskas ciklizācijas definīcija

Cikloadikcija — skaidra pericikliskas ciklizācijas definīcija, mehānisms un [4+2]/[3+2] piemēri (Dilsa–Aldera, 1,3-dipolārā). Pericikliska ķīmija vienkārši un precīzi.

Autors: Leandro Alegsa

Cikloadikcija ir ķīmiska reakcija starp reaģējošām vielām ar dubultsaitēm, kas tiek aizstātas ar gredzena struktūru. Tā ir pericikliska ķīmiska reakcija, kurā "divas vai vairākas nepiesātinātas molekulas (vai vienas un tās pašas molekulas daļas) apvienojas, veidojot ciklisko aduktu, kurā notiek neto saites daudzuma samazināšanās". Tā ir ciklizācijas reakcija: tā veido jaunu atomu gredzenu.

Cikloadikācijas sauc pēc to molekulu pamatizmēra, kuras tiek savienotas. Tādējādi Dilsa-Aldera reakcija būtu [4 + 2]cikloadikcija, bet 1,3-dipolārā cikloadikcija - [3 + 2]cikloadikcija. Šāda veida reakcija ir nepolāra pievienošanas reakcija.

Paplašināts skaidrojums

Cikloadikcija parasti norisinās kā pericikliska, t.i., koncertēta elektronu pārvietošanās pa noslēgtu gredzenu pārejas stāvokli. Tas nozīmē, ka saites veidošanās un sadalīšanās notiek vienlaikus, bez parciālas vienas saites garozas starpposma. Tomēr pastāv arī pakāpeniskas vai radikālas alternatīvas, īpaši, ja reakcijas ķēde ir elektroniski vai steriski pakļauta šķelšanai.

Klasifikācija un piemēri

  • [4 + 2] cikloadikcijas — klasiskais piemērs ir Dilsa-Aldera reakcija, kas savieno dīēnu (4 π-elektroni) un dienofilu (2 π-elektroni), veidojot sešcilindru gredzenu.
  • [3 + 2] cikloadikcijas — 1,3-dipola cikloadikcijas, piemēram, azomethīna ylide vai nitriloksīdu pievienošanās, veido piecu locekļu gredzenus.
  • [2 + 2] cikloadikcijas — parasti termiski aizliegtas kā koncertētas reakcijas (sakarā ar orbītu simetriju), bet var norisināties fotokemiski vai caur stepwise mehānismiem.
  • Hetero-cikloadikcijas — ja vienā vai abos reaģentos ir heteroatomi (O, N, S), rodas heterocikliskie produkti.
  • Intramolekulāras cikloadikcijas — reaģenti ir vienā molekulā, kas bieži vada ātru un stereospecifisku gredzenu veidošanos (piem., makrocikli vai daudzcikliskas struktūras).

Orbītu simetrija un Woodward–Hoffmann noteikumi

Cikloadikcijas bieži izskaidro, izmantojot Frontier Molecular Orbital (FMO) teoriju un Woodward–Hoffmann orbītu simetrijas principus. Galvenais arguments ir, vai reakcijas nozīmīgākās orbītas (HOMO un LUMO) mijiedarbojas tā, lai pārejas stāvoklis būtu simetrijiski atļauts. Piemēram:

  • [4 + 2] termiski koncertēts ceļš parasti ir atļauts (suprafacial pieeja dienam) — tāpēc Dilsa-Aldera reakcijas termiski notiek viegli.
  • [2 + 2] termiski suprafacial → suprafacial ceļš ir orbītiāli aizliegts, bet fotokemiski ekscitācija var mainīt orbītu aizpildījumu un ļaut reakcijai noritēt.
  • Suprafacial vs antarafacial — attiecas uz to, kā elektronu bloki pievienojas pie dubultsaites virs/zem molekulas plāna; lielākajās organiskajās molekulās antarafacial pieeja ir steriski neizpildāma, tādēļ reakcijas bieži nav iespējamas bez fotonikas vai īpašiem apstākļiem.

Stereoķīmija un reģio-izvēle

Cikloadikcijas parasti ir ļoti stereospecifiskas un bieži saglabā sākotnējo dublētu saišu konfigurāciju produktā. Tipiski aspekti:

  • Endo/Exo selektivitāte Dilsa–Aldera reakcijās — endo-produkti bieži dominē termiskajos nosacījumos (Alder endo likums), jo tie izmanto papildu sekundāras orbītu mijiedarbības.
  • Regioselectivitāte (kāda daļa viena reaģenta savienojas ar kuras daļas otru) prognozējama, izmantojot FMO — elektronbagātīgie un elektroniem pievilcīgie substituenti nosaka, kur notiks pievienošanās.
  • Ar enantiomēru selektivitāti var panākt, lietojot ķirālus katalizatorus (piem., ķirālas Lewis skābes), kas ir svarīgi farmaceitisko savienojumu sintēzē.

Katalīze, nosacījumi un praktiskie aspekti

  • Lewis skābes (AlCl3, BF3, TiCl4 u.c.) bieži paātrina Dilsa–Aldera un citus cikloadikcijas, pazeminot dienofila LUMO enerģiju.
  • Dažkārt izmanto fotokemiju, lai aktivizētu reakciju, īpaši, ja termiski koncertēts ceļš ir orbītiāli aizliegts.
  • Solventi: izvēle ietekmē reakcijas ātrumu un selektivitāti — nepolāri vai viegli polarizējami šķīdinātāji ir bieži lietoti, bet polaritāte var mainīt FMO mijiedarbību.
  • Temperatūra: zemākas temperatūras var palielināt stereoselektivitāti (mazāks termisku reakciju konkurences efekts), bet augstāka temperatūra var veicināt termiski aizliegtu alternatīvu mehānismu vai reversibilitāti.

Pielietojums un nozīme sintēzē

Cikloadikcijas ir vienas no fundamentālākajām metodēm gredzenu veidošanai organiskajā sintēzē. Tās plaši izmanto:

  • dabisko produktu un farmaceitiski aktīvu vielu sintēzē (ļoti efektīvi veido sarežģītus cikliskus skeletus);
  • polimēru ķīmijā (piem., cikloadīcijas veidošana kā savienošanas posms);
  • materiālu ķīmijā un organiskajā elektronikas laukā (sintezējot funkcionālas molekulas ar specifiskām optiskām vai elektriskām īpašībām).

Ierobežojumi un izaicinājumi

Galvenie ierobežojumi ir steriskā aizkave, elektroniska neatbilstība starp reaģentiem (nepietiekama HOMO–LUMO pārošanās), kā arī orbītu simetrijas aizliegumi, kas var padarīt reakciju termiski neiespējamu bez papildu aktivācijas. Dažkārt nepieciešami katalizatori, fotons excitācija vai izmaiņas molekulārā dizainā, lai panāktu vēlamo produktu un selektivitāti.

Kopumā cikloadikcijas ir jaudīgs un daudzpusīgs rīks organiskajā sintēzē, kas ļauj efektīvi un stereokontroli veidot dažādas cikliskās struktūras.

Reakcijas mehānisms

Siltums var izraisīt dubultsaistes, kas veido gredzenu. Termiskajās cikloadikcijās parasti ir (4n + 2) π elektronu, kas piedalās izejmateriālā, kādam veselam skaitlim n. Orbitālu simetrijas dēļ lielākā daļa cikloadikāciju ir suprafaciālas-suprafaciālas. Reti tie ir antarafaciāli-antarafaciāli. Ir daži termiski cikloadikācijas piemēri, kuros ir 4n π elektronu (piemēram, [2 + 2] cikloadikācija). Tās notiek suprafaciāli-antarafaciāli. Piemēram, ketēna dimerizācijai ir ortogonāls p orbitāļu komplekts. Šīs p orbitāles ļauj reakcijai noritēt, izmantojot krustenisku pārejas stāvokli.

Gaisma var izraisīt arī dubultsaišu veidošanos gredzenā. Fotoķīmiskās aktivizācijas rezultātā var notikt arī cikloadikcijas, kurās piedalās 4n π elektronu. Šajā gadījumā viens komponents liek elektronam pārvietoties no visaugstāk aizņemtās molekulārās orbitāles (HOMO) (π saistība) uz zemāko neaizņemto molekulāro orbitāli (LUMO) (π* antisaistība). Pēc elektrona pārcelšanās uz augstāko orbitāli orbitāļu simetrija ļauj reakcijai noritēt suprafacionāli-suprafacionāli. Kā piemēru var minēt DeMayo reakciju. Vēl viens piemērs ir parādīts turpmāk - kanēļskābes fotoķīmiskā dimerizācija.

Jāņem vērā, ka ne visas fotoķīmiskās (2+2) ciklizācijas ir cikloadikcijas; ir zināms, ka dažas no tām notiek, izmantojot radikālmehānismus.

Dažas cikloadikācijas π saišu vietā darbojas caur saspriegtiem ciklopropāna gredzeniem, jo tiem ir ievērojams π raksturs. Piemēram, Dilsa-Aldera reakcijas analogs ir kvadriciklāna-DMAD reakcija:

(i+j+...) ciklussavienojuma apzīmējumā i un j norāda ciklussavienojumā iesaistīto atomu skaitu. Šajā apzīmējumā Dilsa-Aldera reakcija ir (4+2)cikloadikcija, bet 1,3-dipolārā pievienošana, piemēram, ozonolizes pirmais solis, ir (3+2)cikloadikcija. Šajā apzīmējumā izmanto iekavās. Tomēr IUPAC iecienītajā apzīmējumā ar [i+j+...] tiek skaitīti elektroni, nevis atomi. Tā izmanto kvadrātiekavas. Ar šo apzīmējumu Dilsa-Aldera reakcija un dipolārā reakcija abas kļūst par [4+2]cikloadikciju. Reakcija starp norbornadienu un aktivētu alkīnu ir [2+2+2]cikloadikcija.

Cikloadikācijas veidi

Dilsa-Aldera reakcijas

Dīlsa-Aldera reakcija ir [4+2]ciklussaistīšanas reakcija.

Diels-Alder reaction

Huisgena cikloadikcijas

Huisgena ciklussaistīšanas reakcija ir [2+3]ciklussaistīšana.

1,3-cycloaddition

Nitrona-olefīna ciklussadalīšanās

Nitrona-olefīna ciklussaistīšana ir [3+2]ciklussaistīšana.

Nitrone olefin cycloaddition

Formālās cikloadīcijas

Cikloadīciju reakcijām bieži vien ir metālu katalizēti un pakāpeniski radikāļu analogi, tomēr tās nav pericikliskas reakcijas. Ja cikloadikcijā ir iesaistīti uzlādēti vai radikāli starpprodukti vai ja cikloadikācijas rezultāts ir atrodams virknē reakcijas soļu, tās dažkārt sauc par formālām cikloadikācijām, lai atšķirtu no īstām pericikliskām cikloadikācijām.

Viens no formālās [3+3]ciklloadīcijas piemēriem starp ciklisko enonu un enamīnu, ko katalizē n-butillitijs, ir Stork enamīna / 1,2-pievienošanās kaskādes reakcija:

Intermolecular Formal [3+3] Cycloaddition Reaction

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir cikloksidācija?


A: Cikloadikcija ir ķīmiska reakcija starp reaģentiem ar dubultsaitēm, kuras tiek aizstātas ar gredzena struktūru.

Q: Kāda veida ķīmiskā reakcija ir cikloloģiskā reakcija?


A: Cikloadikcija ir pericikliska ķīmiska reakcija, kurā "divas vai vairākas nepiesātinātas molekulas (vai vienas un tās pašas molekulas daļas) apvienojas, veidojot ciklisku aduktu, kurā notiek neto saišu daudzuma samazināšanās".

J: Ko dara cikloloģiskās pieradināšanas reakcija?


A: Cikloadikcija ir ciklizācijas reakcija: tā veido jaunu atomu gredzenu.

J: Kā sauc cikloadikcijas?


A: Cikloadikācijas sauc pēc to molekulu pamatizmēra, kuras tiek savienotas.

J: Kas ir Dilsa-Aldera reakcija?


A: Dilsa-Aldera reakcija ir [4 + 2] cikloloģiskā reakcija.

J: Kas ir 1,3-dipolārā cikloadikcija?


A: 1,3-dipolārā cikloadikcija ir [3 + 2] cikloadikcija.

J: Kāda veida reakcija ir ciklrudēšana?


A: Cikloadikcija ir nepolāra pievienošanas reakcija.


Meklēt
AlegsaOnline.com - 2020 / 2025 - License CC3