Автор: Козлов Кирилл Сергеевич

Реакция Дильса-Альдера

1.1 Новый тип реакций

Большинство органических реакций – ионные. Электроны перемещаются от богатого электронами атома к электронодефицитному и в качестве промежуточных продуктов образуются анионы или катионы. Но в начале XX века были найдены другие типы реакций, при протекании которых электроны перемещаются по циклу, и при этом не возникает никаких интермедиатов – ни положительно заряженных, ни отрицательно заряженных. Такие реакции называют перициклическими. Наиболее известный пример перициклических реакций – реакция Дильса–Альдера, опубликованная в журнале в 1928 году Отто Дильсом и Куртом Альдером.

Перициклические реакции Часть I, изображение №1

Эта реакция протекает в одну стадию при нагревании. Механизм реакции предполагает, что электроны перемещаются по периметру шестичленного цикла. При этом две π-связи разрываются, и две σ-связи образуются вместо них за счет перемещения электронов с π‐орбиталей на σ‐орбитали. Такая реакция называется [4+2]-циклоприсоединением.

Перициклические реакции Часть I, изображение №2

Одна из причин, по которой реакция Дильса – Альдера происходит так легко, состоит в том, что в переходном состоянии шесть π‐электронов полностью делокализованы по шести центрам. Таким образом, переходное состояние является ароматическим по характеру и приобретает некоторую дополнительную стабилизацию.

1.2 Общая характеристика [4+2]-циклоприсоединения

Реакции Дильса–Альдера протекают между сопряженным диеном и алкеном (или другим непредельным соединением), обычно называемым диенофилом. Диеновый компонент реакции Дильса–Альдера может быть ациклическим или циклическим и может содержать заместители различного типа. Существует только одно ограничение: диен должен быть способен принимать конформацию, показанную ранее при изображении механизма. Так, бутадиен (по пространственным причинам) находится в s‐транс‐конформации с двумя двойными связями, удаленными друг от друга как можно дальше, барьер вращения вокруг центральной σ‐связи невелик (около 30 кДж/моль при комнатной температуре). Поэтому вокруг нее происходит вращение, приводящее к менее предпочтительной, но более реакционноспособной s‐цис‐конформации. Циклические диены, которые постоянно находятся в s‐цис‐конформации, предпочтительнее для реакции Дильса–Альдера. Известные примеры – циклопентадиен и фуран.

В классической реакции Дильса-Альдера в качестве 4π-компонента (диена) обычно используется электронообогащенный 1,3-диен, а 2π-компонентом (диенофилом) служит непредельное соединение (не только алкены), содержащее сопряженную электронакцепторную группу, как минимум, фенил или атом хлора. В противном случае циклоприсоединение не происходит.

Продукт реакции Дильса–Альдера содержит шестичленный цикл, двойную связь в нем и способную к сопряжению группу на стороне цикла, противоположной по отношению к двойной связи.

Для проведения реакции компоненты нагревают без растворителя или катализатора. Часто бывает необходимо нагревание до температуры около 100–150 °С. В случае летучих реагентов процесс проводят в запаянной ампуле. Реже реакцию проводят в бензоле или толуоле. Активные субстраты для реакции Дильса-Альдера реагируют уже при комнатной температуре.

Перициклические реакции Часть I, изображение №3

1.3 Стереохимия

Реакция Дильса–Альдера стереоспецифична. Стереохимия диенофила, если он имеет геометрические изомеры, точно воспроизводится в продукте. Таким образом, диенофилы цис‐ и транс‐конфигурации образуют различные диастереомеры продукта.

Перициклические реакции Часть I, изображение №4

В обоих случаях сложноэфирные группы просто сохраняют свое относительное расположение. В первом случае они находятся в цис‐положении в диенофиле и сохраняют цис‐конфигурацию в продукте. Во втором случае они находятся в транс‐положении в диенофиле и остаются в транс‐конфигурации в продукте.

Диен может иметь цис,цис‐, или цис,транс‐ (в случае несимметричных диенов таких изомеров два), или транс,транс‐конфигурацию. Во всех случаях стереохимия сохраняется.

Перициклические реакции Часть I, изображение №5

1.4 Эндо-правило в реакциях Дильса-Альдера

Уже в первых работах Дильса и Альдера было замечено, что в реакциях циклических диенов с различными диенофилами наблюдается преимущественное образование одного из возможных диастереомеров. Такая закономерность получила название эндо-правила. Соотношение эндо— и экзо-изомеров может варьироваться в довольно широких пределах (от 3:2 до 20:1) в зависимости как от природы реагентов, так и от условий проведения реакции. Эндо-правило справедливо и для реакций [4+2]-циклоприсоединения с использованием ациклических 1,4-дизмещенных диенов.

Перициклические реакции Часть I, изображение №6

Переходные состояния при образовании эндо— и экзо— продуктов отличаются тем, что в первом из них электроноакцепторные группы диенофила сближены с диеновой системой, что нашло свое отражение в начальной формулировке эндо-правила как эмпирического «правила накопления ненасыщенности».

Перициклические реакции Часть I, изображение №7

К такому же результату приводит реакция ациклических диена и диенофила: обычно предпочтительно образуется один диастереомер, причем тот, в котором карбонильная группа диенофила наиболее приближена к развивающейся π‐связи на противоположной стороне диена. Ниже приведен один такой пример.

Перициклические реакции Часть I, изображение №8

1.5 Региоселективность

Для реакций 1-замещенных диенов с несимметричными диенофилами характерно преимущественное образование циклоаддуктов с вицинальным расположением заместителей диена и диенофила (орто-изомеры).

Перициклические реакции Часть I, изображение №9

Общей закономерностью реакций 2-замещенных диенов с диенофилами является преимущественное образование пара-изомеров.

Перициклические реакции Часть I, изображение №10

Для большей региоселективности R должен быть донорным. EWG = electron withdrawing groups (электроноакцепторные группы). Преобладание орто-, пара-изомеров связано с электронными эффектами.

1.6 Заключение

Реакция Дильса-Альдера является хорошим методом регио- и стереоселективного построения полизамещенных производных циклогексенов – полупродуктов в полном синтезе природных соединений. Различные модификации реакции [4+2]-циклоприсоединения и другие перициклические реакции будут рассмотрены в следующих частях.

Список литературы

  1. Jonathan Clayden, Nick Greeves, Stuart Warren Organic Chemistry.

2. В.А. Смит, А.Д. Дильман Основы современного органического синтеза.