Elektrocikliskās reakcijas: definīcija, mehānisms, Vudvarda–Hofmana noteikumi
Organiskajā ķīmijā elektrocikliskā reakcija ir pericikliskās pārkārtošanās reakcijas apakškopa, kurā notiek koncertēta (bez starpproduktiem) saišu pārkārtošanās ap ciklisku molekulāro orbitāļu loku. Reakcija tiek dēvēta par elektrociklisku, ja tās rezultātā viena pi saite transformējas par vienu sigma saiti (gredzena noslēgšana) vai vienas sigma saites atvēršanās rada pi saites (gredzena atvēršana). Elektrocikliskajām reakcijām kopumā raksturīgas šādas īpašības:
- tās var tikt aktivizētas ar gaismu (fotoinducētas) vai ar siltumu (termiskas);
- reakcijas stereokemiju nosaka pi elektroniskā sistēma — īpaši to delokalizēto pi elektronu skaits tajā daļā, kurā ir vairāk pi saišu;
- elektrocikliskā pāreja var noslēgt gredzenu (elektrocikliska ciklizācija) vai atvērt gredzenu (gredzena atvēršanās);
- stereospecifiskumu nosaka, vai pārejas stāvoklī galapunkti pagriežas konrotatoriski vai disrotatoriski, kā paredz Vudvarda–Hofmana noteikumi;
- elektrocikliskajās reakcijās tiek saglabāta molekulāro orbitāļu simetrija (orbital symmetry conservation), ko paredz teorija un ko apstiprina eksperimentāli.
Vudvarda–Hofmana noteikumi (elektrocikliskām reakcijām)
Vudvarda–Hofmana noteikumi nosaka, kāda rotācijas veida (konrotatoriska vai disrotatoriska) izmantošana ir simetriski iespējama, ņemot vērā pi elektronu skaitu un attiecīgi vai reakcija notiek termiski vai fotoinducēti. Īsumā:
- Termiski (zemes stāvoklī):
- 4n pi elektroni (piemēram, 4 π) — konrotatoriska gredzena atvēršanās/veidošanās ir simetrijiski atļauta;
- 4n+2 pi elektroni (piemēram, 6 π) — disrotatoriska gredzena atvēršanās/veidošanās ir simetrijiski atļauta.
- Fotoinducēti (uzbudinātā stāvoklī):
- noteikumi apgriežas: 4n pi elektroni — disrotatoriski atļauta; 4n+2 pi elektroni — konrotatoriski atļauta.
Šie likumi izriet no orbītu fāžu sakritības HOMO (vai attiecīgā MO uzbudinātā stāvokļa) pārejas stāvoklī: tikai tad, ja gala p-orbitāļu fāzes atbilst produkta orbītālēm, pāreja notiek bez orbītu simetrijas pārkāpuma.
Mehānisms un orbītu skaidrojums
Elektrocikliskās reakcijas ir koncertētas pericikliskas pārejas, kur visas iesaistītās saišu pārkārtošanās norisinās vienlaicīgi caur ciklisku orbītu sadarbību. To skaidro izmantojot robežu (frontier) molekulāro orbītu metodi: reakcijas gaitā reaģenta HOMO fāzes un ģeometrijas konfigurācija nosaka, kura rotācijas reģistrējas (konrotatoriska vai disrotatoriska). Ja fāžu atbilstība ir labvēlīga, pāreja ir "simboliski atļauta" un tā noris ar salīdzinoši zemu enerģijas barjeru.
Vēl viens konceptuāls paņēmiens ir orbītu korelācijas diagrammas (orbital correlation diagrams), kas parāda, kā reaģentu orbitāļi korelē ar produkta orbitālēm, izskaidrojot simetrijas saglabāšanu pārejas ceļā.
Torkvoselektivitāte
Elektrociklisko reakciju stereokemija var ietekmēt torkvoselektivitāte — preferenciāla vienas vai otras rotācijas virziena izvēle, kas nosaka, kurš enantiomērs vai diastereomērs dominēs produktā. Lai gan konrotatoriska reakcija nosaka rotācijas relatīvus virzienus (abi galapunkti griežas vienā virzienā), aizvietotāji joprojām var rotēt iekšā vai ārā un šīs iespējas var būt enerģētiski nevienlīdzīgas. Torkvoselektivitātes iemesli:
- steriskas mijiedarbības (pieeja, kas izvairās no steriskas sadursmes);
- elektroniskas/supraorbītu mijiedarbības (pi- un sigma-orbītu sekundāras mijiedarbības, hiperkonjugācija);
- solventefekti un katalītiskie apstākļi (piem., kations veicina noteiktus ceļus, kā Nazarova reakcijā).
Praxis: torkvoselektīvas metodes ļauj sintēzēs iegūt produktus ar enantiomēru vai diastereomēru pārsvaru, kas ir svarīgi farmaceitiskajā sintēzē un stereoselektīvā organiskajā sintēzē.
Piemēri
Tipisks un bieži citēts piemērs ir 3,4-dimetilciklobutēna termiskā gredzenveida atvēršanās. No cis izomēra tiek iegūts tikai cis,trans-2,4-heksadiēns, bet trans izomērs dod trans,trans-diēnu. Šīs rezultātu atšķirības izriet no tā, ka termiskā atvēršanās 4 π sistēmā notiek konrotatoriski, lai saglabātu HOMO fāžu atbilstību. Attēlā parādīts mehānisms un fāžu izkārtojums:
Nākamajā diagrammā redzama robežu orbītu metode, kas rādīta uz example of ring opening mechanism:
Vēl viens svarīgs piemērs ir Nazarova ciklizācija — elektrocikliska ciklizācija, kas noslēdz gredzenu un pārvērš divinilketonus par ciklopentenoniem. Šī reakcija noris kationiskā vidē (parasti skābes katalizēta) un būtībā ir 4π elektrociliskā ciklizācija, kuru plaši izmanto sintētiskajā ķīmijā, lai veidotu pieci locekļu ringus. (Reakciju atklāja Ivans Nikolajevičs Nazarovs (1906–1957).)
Praktiskā nozīme un pārbaude
Ķīmiķus interesē elektrocikliskās reakcijas, jo to stereokīmiskie rezultāti bieži apstiprina teorētiskās prognozes par orbītu simetriju. Eksperimentāli novērojumi — produktu stereokarakteristika, termisko vs fotoinducēto ceļu atšķirības un torkvoselektivitātes efekti — sniedz spēcīgu atbalstu orbītu simetrijas saglabāšanas principam.
Elektrocikliskās reakcijas ir plaši izmantotas organiskajā sintēzē, jo tās ļauj konstruēt ciklus ar augstu stereokontroli un bez nepieciešamības pēc starpproduktiem. Pareiza elektronu skaita, temperatūras/uzbudinājuma un aizvietotāju izvēle ļauj plānot reakciju stereokemiju un iegūt vēlamo konformāciju un konfigurāciju.
Rezuments
Elektrocikliskās reakcijas ir fundamentāla pericikliskā procesu klase, kuras stereokemiju un iespējamību nosaka pi elektronu skaits un Vudvarda–Hofmana noteikumi. Izpratne par orbītu fāzēm, torkvoselektivitāti un ārējā apstākļu ietekmi ļauj paredzēt un kontrolēt šīs reakcijas sintētiskajā praksē.
Vudvarda-Hofmana noteikumi
Vudvarda-Hofmana noteikumi attiecas uz orbitālu simetrijas saglabāšanu elektrokodolu reakcijās.
Korelācijas diagrammas savieno reaģenta molekulārās orbitāles ar tādas pašas simetrijas produkta orbitālēm. Korelāciju diagrammas var uzzīmēt abiem procesiem.
Šīs korelācijas diagrammas norāda, ka tikai 3,4-dimetilciklobutēna konrotatoriskais gredzena atvērums ir "simetriski atļauts", bet 5,6-dimetilcikloheksa-1,3-diēna disrotatoriskais gredzena atvērums ir "simetriski atļauts". Tas ir tāpēc, ka tikai šajos gadījumos pārejas stāvoklī notiek maksimāla orbitāļu pārklāšanās. Turklāt izveidojies produkts būtu pamatstāvoklī, nevis uzbudinātā stāvoklī.
Molekulāro orbitāļu teorija
Pierobežas molekulāro orbitāļu teorija paredz, ka sigma saite gredzenā atvērsies tā, ka iegūtajām p-orbitālēm būs tāda pati simetrija kā produkta HOMO.
Iepriekš redzamajā diagrammā ir parādīti divi piemēri. 5,6-dimetilcikloheksa-1,3-diēnam (diagrammas augšējā rindā) tikai disrotatorais režīms radītu p-orbitāles ar tādu pašu simetriju kā heksatriēna HOMO. Abas p-orbitāles rotē pretējos virzienos. Attiecībā uz 3,4-dimetilciklobutēnu (diagrammas apakšējā rinda) tikai konrotācijas režīmā p-orbitāles būtu tādas pašas simetrijas kā butadiēna HOMO. P-oribtāli rotē tajā pašā virzienā.
Uzbudinātā stāvokļa elektrociklīzija
Gaisma var pārvietot elektronu uz uzbudinātā stāvoklī, kas ieņem augstāku orbitāli. Uzbudinātais elektrons ieņem LUMO, kam ir augstāks enerģijas līmenis nekā elektronam, kas atradās vecajā orbitālē. Ja gaisma atver 3,4-dimetilciklobutēna gredzenu, elektriskā ciklizācija notiek disrotatorā, nevis konrotatorā režīmā. Korelācijas diagramma atļautajai gredzena atvēršanas reakcijai ar uzbudinātu stāvokli parāda, kāpēc:
Tikai disrotācijas režīmā, kurā visā reakcijas laikā tiek saglabāta simetrija attiecībā pret atstarošanas plakni, pārejas stāvoklī varētu rasties maksimāla orbitāļu pārklāšanās. Arī šādā gadījumā atkal veidotos produkts, kas ir uzbudinātā stāvoklī, kura stabilitāte ir salīdzināma ar reaģējošā savienojuma uzbudinātā stāvokļa stabilitāti.
Elektrocikliskās reakcijas bioloģiskajās sistēmās
Dabā bieži notiek elektrocikliskās reakcijas. Viena no visbiežāk sastopamajām šādām reakcijām dabā ir D3 vitamīna biosintēze.
Pirmajā posmā gaisma atver 7-dehidroholesterīna gredzenu, veidojot pre vitamīnu D3. Tā ir fotoķīmiski izraisīta konrotatoriska elektrocikliska reakcija. Otrais solis ir [1,7]-hidrīda maiņa, lai iegūtu D3 vitamīnu.
Vēl viens piemērs ir ierosinātā aranotīna, dabā sastopamā oksepīna, un tam radniecīgu savienojumu biosintēze.
Fenilalanīnu izmanto diketopiperazīna ražošanai (nav attēlots). Pēc tam enzīmi epoksidē diketopiperazīnu, lai iegūtu arēna oksīdu. Tas tiek pakļauts 6π disrotatoriskai gredzena atvēršanas elektrociklēšanas reakcijai, lai iegūtu neciklētu oksepīnu. Pēc otrreizējas gredzena epoksidācijas tuvumā esošais nukleofīlais slāpeklis uzbrūk elektrofīlajam ogleklim, veidojot piecdaļīgu gredzenu. Iegūtā gredzenu sistēma ir izplatīta gredzenu sistēma, kas sastopama aranotīnā un tam radniecīgos savienojumos.
Benzonorkaradiēna diterpenoīds (A) tika pārkārtots benzocikloheptatriēna diterpenoīdā izosalvipuberlīnā (B), vārot metilēnhlorīda šķīdumu. Šo pārvērtību var uzskatīt par disrotatorisku elektrociklisku reakciju, kurai seko divas virsfāzes 1,5-sigmatropiskas ūdeņraža nobīdes, kā parādīts turpmāk:
Darbības joma
Elektrocikliskās reakcijas piemērs ir benzociklobutāna konrotatoriskā termiskā gredzenveida atvēršanās. Reakcijas produkts ir ļoti nestabils ortohinodimetāns. Šo molekulu var noturēt endo aditīvā ar spēcīgu dienofilu, piemēram, maleīnskābes anhidrīdu, līdz Dilsa-Aldera aduktam. Ir konstatēts, ka 2. shēmā attēlotā benzociklobutāna gredzena atvēršanas ķīmiskais iznākums ir atkarīgs no aizvietotāja R. Ar tādu reakcijas šķīdinātāju kā toluols un reakcijas temperatūru 110 °C iznākums palielinās, pārejot no metila, izobutilmetila līdz trimetilsililmetilam. Paaugstināto reakcijas ātrumu trimetilsilil savienojumam var izskaidrot ar silīcija hiperkonjugāciju, jo βC-Si saite vājina ciklobutāna C-C saiti, ziedojot elektronus.
Saistībā ar dažu endiandrisko skābju izolēšanu un sintēzi tika atklāta biomimetiska elektrocikliska kaskādes reakcija:
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir elektrocikliskā reakcija?
A: Elektrocikliskā reakcija ir pericikliskās pārkārtošanās reakcija, kuras rezultātā viena pi saite kļūst par vienu sigma saiti vai viena sigma saite kļūst par pi saiti.
J: Kā tiek vadītas elektrocikliskās reakcijas?
A: Elektrocikliskās reakcijas ierosina gaisma (fotoinducētas) vai siltums (termiski).
J: Kā pi elektronu skaits ietekmē elektrociklisko reakciju?
A: Pi elektronu skaits ietekmē reakcijas režīmu elektrocikliskajā reakcijā.
J: Kas notiek elektrocikliskās reakcijas laikā?
A: Elektrociklēšanas procesa laikā gredzens var noslēgties.
J: Kas nosaka stereospecifiskumu elektrocikliskajā reakcijā?
A: Stereospecifiskumu elektrocikliskās reakcijās nosaka konrotatoriska vai disrotatoriska pārejas stāvokļa veidošanās, kā to paredz Vudvarda-Hofmana noteikumi.
J: Kas ir torkvoselektivitāte saistībā ar elektrociklisko reakciju?
A: Torkoselektivitāte attiecas uz to, kādā virzienā rotē aizvietotāji elektrocikliskās reakcijas laikā, kuras laikā var rasties enantiomēru produkti, ja reakcija norit konrotācijas procesā, un enantiomēru pārpalikums, ja reakcija norit torkvoselektīvā procesā.
J:Kāds piemērs ilustrē, kā to izskaidro robežorbitālā metode?
A:3,4-dimetilciklobutēna termiskā gredzenveida atvēršanās reakcija ir piemērs, kas ilustrē, kā to izskaidro robežorbitālā metode. Sigma saite atvērsies tā, ka iegūtajām p-orbitālēm būs tāda pati simetrija kā produkta (butadiēna) visaugstāk aizņemtās molekulārās orbitāles (HOMO). Tas notiek tikai tad, ja gredzens atveras konrotatoriski, kas rada pretējas zīmes divām lobulām gredzena lauztajos galos, bet disrotatoriski veidotos anti-saiste.
