Автор: Козлов Кирилл Сергеевич

Подробное рассмотрение реакции Дильса-Альдера

2.1 Орбитальное описание механизма реакции

Механизм [4+2]-циклоприсоединения может быть проанализирован в терминах теории граничных орбиталей (разновидность метода молекулярных орбиталей ММО). В случае реакции с участием электронодонорных диенов и электронакцепторных диенофилов основной вклад в энергию образования переходного состояния вносит взаимодействие высшей занятой молекулярной орбитали (ВЗМО) диена и низшей свободной молекулярной орбитали (НСМО) диенофила, так как эти орбитали наиболее близки по энергии. Для обращенного по полярности варианта реакции по той же причине доминирующим является взаимодействие ВЗМО диенофила с НСМО диена.

Из такого рассмотрения следует, что изменения в характере заместителей в субстратах реакции должны приводить к различным эффектам для двух типов [4+2]-циклоприсоединения. Так, классическая реакция Дильса-Альдера должна ускоряться по мере увеличения донорной способности диена при повышении энергии его ВЗМО. При этом, естественно, в реакции Дильса-Альдера с обращенной полярностью активность этого диена как субстрата будет снижаться. Аналогичным образом можно проанализировать влияние природы заместителей в диенофиле на его активность в реакциях этих двух типов.

Перициклические реакции Часть II, изображение №1

2.2 Орбитальное объяснение эндо‐правила

Современная трактовка эндо-правила в терминах теории взаимодействия граничных молекулярных орбиталей представлена на схеме. Согласно этим представлениям, в дополнение к первичным орбитальным взаимодействиям, обеспечивающим возможность образования ковалентных связей между концевыми атомами 4π- и 2π-компонентов, для эндо-ориентации реагентов возможна дополнительная стабилизация переходного состояния за счет вторичных (т.е. не приводящих к образования ковалентных связей) орбитальных взаимодействий, возникающих при сближении электроноакцепторной группы диенофила с диеном. Этот подход позволяет не только объяснить стереоселективность циклоприсоединения, но и предсказать возможные эффекты при вариациях в природе субстратов или условий проведения реакции.

Перициклические реакции Часть II, изображение №2

2.3 Растворитель в реакции Дильса-Альдера

Для протекания реакции Дильса–Альдера растворитель не требуется, поэтому часто два реагента просто смешивают и нагревают. Растворитель можно использовать, но, поскольку реакция не протекает через ионные интермедиаты, природа растворителей неважна (подходит любой растворитель, в котором растворяются оба реагента). Это, в общем, верно, и часто лучшими оказываются углеводородные растворители.

Однако в 1980‐х гг. было сделано необычное открытие. Вода, наименее подходящий растворитель для большинства органических реакций, даже в небольших количествах сильно ускоряла протекание реакции Дильса–Альдера. При этом эндо‐селективность таких реакций часто превышала аналогичную селективность реакции, проводимой в отсутствие растворителя или в углеводородном растворителе.

Предполагают, что молекулы реагентов, не будучи растворимыми в воде, под действием воды слипаются вместе в маслянистые капли и вынужденно оказываются в тесной близости. Иногда в реакциях Дильса–Альдера, проводимых в воде, используют водорастворимые диены. Такие реакции также протекают очень эффективно. В этих условиях хорошо реагируют натриевые соли карбоновых кислот и протонированные амины. Предположительно, полярный конец молекулы находится в воде, но сам диеновый фрагмент располагается внутри капель масла, образованных диенофилом.

Перициклические реакции Часть II, изображение №3

2.4 Внутримолекулярные реакции Дильса-Альдера

Когда диен и диенофил представляют собой части одной молекулы, не так важно, чтобы они удерживались вместе связывающими взаимодействиями через пространство, и поэтому часто оказывается предпочтительным образование экзо‐продукта. Обычно селективность внутримолекулярной реакции Дильса–Альдера определяется не эндо‐правилом, а просто пространственными требованиями.

Перициклические реакции Часть II, изображение №4

Протекает только показанная на схеме реакция, поскольку она является внутримолекулярной. Здесь нет сопряженных групп, присоединенных к диенофилу, и поэтому нет орбиталей, которые могли бы взаимодействовать с тыльной стороной диеновой системы. Молекула складывается способом, наиболее предпочтительным по пространственным соображениям (связывающие диен и диенофил углеродные цепи принимают кресловидную конформацию), и это приводит к образованию транс‐конденсированных циклов.

В следующем примере диенофил содержит сопряженную карбонильную группу. В этом случае образуется менее стабильная цис‐конденсированная циклическая система, поскольку молекула имеет возможность сложиться таким образом, чтобы карбонильная группа взаимодействовала связывающим образом с тыльной стороной диена. При таком взаимодействии углеродная цепь, связывающая диен и диенофил, принимает конформацию, близкую к конформации ванны.

Перициклические реакции Часть II, изображение №5

2.5 Катализ кислотами Льюиса в реакциях Дильса-Альдера

На протяжении 30 лет считалось, что реакция Дильса-Альдера не подвержена влиянию каких-либо катализаторов. Поэтому возможность значительного ускорения этой реакции при использовании кислот Льюиса, открытая в начале 1960-х гг., оказалась несколько неожиданной. Детальное изучение кинетики взаимодействия различных субстратов для реакции Дильса-Альдера показало, что в присутствии эквимолярного количества кислоты Льюиса наблюдается ускорение реакции примерно на пять порядков.

Не менее поразительным оказалось влияние кислот Льюиса на направленность реакции. При проведении реакции с катализатором повышается регио- и стереоселективность реакции. Так, реакция изопрена с метилизопропенилкетоном в присутствии SnCl4 приводит к образованию почти индивидуального пара-изомера, в то время как в термических условиях образуется смесь пара— и мета-изомеров.

Перициклические реакции Часть II, изображение №6

Столь же значительно изменяется стереоселективность диенового синтеза. Обычное соотношение эндо-/ экзо-изомеров в реакциях циклопентадиена составляет 4-5 : 1, то при использовании катализа кислотами Льюиса оно может возрастать до 15-20 : 1.

Перициклические реакции Часть II, изображение №7

Действие кислот Льюиса как катализаторов объясняется их способностью образовывать комплексы с диенофилами, за счёт чего происходит понижение энергии НСМО диенофила и уменьшение разницы энергий взаимодействующих НСМО диенофила и ВЗМО диена. Данный факт приводит к резкому увеличению скорости реакции.

Влияние катализатора на селективность реакции наблюдается из-за изменения величин орбитальных коэффициентов в диенофиле и возрастающего различия в силе орбитальных взаимодействий при реализации альтернативных переходных состояний, приводящих к изомерным продуктам. (LA – кислота Льюиса).

Перициклические реакции Часть II, изображение №8

2.6 Заключение

Особенности регио- и стереоселективности реакции Дильса-Альдера хорошо описываются в рамках теории граничных Молекулярных орбиталей. Использование катализа кислотами Льюиса позволяет значительно повысить скорость и селективность циклоприсоединения. Далее будут рассмотрены другие реакции циклоприсоединения.

Список литературы

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

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