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](https://sun9-69.userapi.com/impf/c849224/v849224625/d0fdf/LyLKzwQbBjM.jpg?size=807x409&quality=96&sign=7bb8612777ebfebf39a45c74a7e1f738&type=album)
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](https://sun9-25.userapi.com/impf/c849224/v849224625/d0fe8/kVfqhlo1S-o.jpg?size=807x361&quality=96&sign=797523ff3f801991014b31b5dea817eb&type=album)
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](https://sun9-72.userapi.com/impf/c849224/v849224625/d0ff1/JVixs6FOobU.jpg?size=807x210&quality=96&sign=7c1eed1dd3ba98138e7c52c664526a65&type=album)
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](https://sun9-58.userapi.com/impf/c849224/v849224625/d0ff8/PWvaPBiuOLo.jpg?size=477x141&quality=96&sign=09bc28459e68a93841f45e0bed4213ca&type=album)
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](https://sun9-62.userapi.com/impf/c849224/v849224625/d0fff/dYuwlakrhSE.jpg?size=454x140&quality=96&sign=bf4d22b672841510d807d1bbd9d7a18c&type=album)
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](https://sun9-31.userapi.com/impf/c849224/v849224625/d1007/lWD5mAWF_FU.jpg?size=797x226&quality=96&sign=455832f796183d540b7c6b63b9814f7d&type=album)
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](https://sun9-61.userapi.com/impf/c849224/v849224625/d100f/RZ_Z0Q6BADA.jpg?size=775x222&quality=96&sign=cb60a931c7d13d64f528a0c01173a501&type=album)
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](https://sun9-10.userapi.com/impf/c849224/v849224625/d1018/A1otMkwRUSs.jpg?size=807x470&quality=96&sign=ccae94d29650776318a590fcb9157314&type=album)
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
- Jonathan Clayden, Nick Greeves, Stuart Warren Organic Chemistry.
2. В.А. Смит, А.Д. Дильман Основы современного органического синтеза.