Cikloadicija – periciklinė žiedų sintezė: Dielso–Alderio ir [3+2] paaiškinimas

Cikloadicija: išsamus periciklinės žiedų sintezės vadovas – Dielso–Alderio ([4+2]) ir 1,3-dipolinės ([3+2]) mechanistikos paaiškinimai, taikymai ir pavyzdžiai.

Cikloadicija – tai cheminė reakcija, kurios metu vienos ar kelių jungčių nuo dvigubų arba trikampių sistemų elektronai persitvarko taip, kad susidaro žiedinė struktūra. Tai yra tipiška periciklinė reakcija: vyksta koordinuotas (dažnai vieno žingsnio, „concerted“) elektronų perskirstymas per susijungusį orbitalių tinklą, o bendras ryšių skaičius reakcijoje sumažėja arba pakeičiamas. Paprastai ciklinimas suteikia naujus 4–, 5– arba 6–narių žiedus ir yra plačiai naudojamas organinėje sintezėje.

Reakcijos klasifikuojamos pagal jungiamų fragmentų dydį: pavyzdžiui, Dielso-Alderio reakcija yra [4 + 2] cikloadjunkcija, o 1,3-dipolinė cikloadjunkcija – vadinama [3 + 2] cikloadjunkcija. Šios reakcijos paprastai yra nepolinės adjunkcijos reakcijos, tačiau mechanizmai ir selektyvumo veiksniai skiriasi.

Dielso–Alderio ([4+2]) reakcija

Esminė idėja: konjuguotas dienas (4 π elektronai) susijungia su dienofiliniu partneriu (2 π elektronai), gaunant šešiaringį ciklinį produktą. Reakcija dažniausiai vyksta termo-kinetiškai per suderintą periciklinį pereinamąjį laikotarpį.

• Reikalingos savybės: dienei dažnai reikia s‑cis konformacijos, o dienofilas paprastai turi elektronus atitraukiančias grupes (pvz., –COOR, –CN), kurios mažina jo LUMO energiją.
• Stereospecifiškumas: substituentų konfigūracija diene ir dienofile išsaugoma adukte (cis → cis, trans → trans). Dažnai pastebima endo selektyvumas (endo‑produkto preferavimas) dėl papildomų antrinių orbitalinių sąveikų („endo taisyklė“), ypač tarp diene ir dienofilą turinčių π‑sistemos elektronų.
• Orbitalių teorija: reakciją gerai aprašo frontierinių molekulinių orbitalių (FMO) teorija. Normalus elektroninis poreikis reiškia, kad dienės HOMO reaguoja su dienofilės LUMO; esant stipriai elektronų turinčioms dienofilėms arba elektronų trūkumui dienei, gali vykti „inverse electron demand“ (dienofilės HOMO su dienės LUMO).
• Katalizė ir sąlygos: Lewis rūgštys (pvz., AlCl3, BF3) mažina dienofilės LUMO energiją ir pagreitina reakciją; daug Dielso–Alderio vyksta šiluminiu būdu be radikalinių tarpinių, bet galimi ir fotocheminiai režimai, keičiantys leidžiamumą pagal Woodward–Hoffmann taisykles.

Praktiniai pavyzdžiai ir panaudojimas:

• Tradicinis pavyzdys – reakcija tarp ciklopentadieno ir maleino anhidrido, kuri duoda endo‑norborneno tipo produktą.
• Platūs panaudojimai natūralinių produktų sintezėje (šešiaringių ciklų sudarymas), farmacijoje ir medžiagų chemijoje.

[3+2] 1,3-dipolinė cikloadjunkcija

Esminė idėja: 1,3-dipolas (3 π elektronų sistema) susijungia su dipolarofilu (2 π elektronų sistema) ir susidaro penkiaringis žiedas. 1,3-dipoliai yra tokie kaip azidai, nitronai, nitriloksidai, nitroxidų analogai ar nitronai (nitrones), kiekvienas iš jų leidžia gauti skirtingus heterociklus.

• Tipiniai 1,3-dipoliai ir produktai:
  • Azidai + alkynai → 1,2,3‑triazoliai (Huisgen cikloadjunkcija).
  • Nitriloksidai + alkenai → izoksazolinai/izoksazoliai.
  • Nitronai + alkenai → izoksazolidinai (vėliau oksidacija gali duoti izoksazolus).
• Mechanizmas: dažnai yra vieno žingsnio (koncertinis) periciklinis mechanizmas, bet tam tikromis sąlygomis gali vykti ir žingsniuotos (zwitterioninės arba radikalinės) reakcijos, ypač esant katalizatoriams ar specifiniams substratams.
• Regiochemiškumas ir stereokontrolė: regiocheminiai rezultatai priklauso nuo elektroninių ir sterinių substituentų bei orbitalių derinimo. FMO teorija padeda prognozuoti, kur nukris prijungimai; dažnai pasiekiamas didelis stereo- ir regiokontrolės laipsnis.
• Click chemija: azido–alkino cikloadjunkcija (Huisgen) tapo ypač svarbi kaip „click“ reakcija. Termiškai vykstanti Huisgen reakcija yra lėtesnė ir duoda mišinius regioizomerų, tuo tarpu vario katalizuota azido‑alkino cikloadjunkcija (CuAAC) yra greita, labai regioseletyvi (duoda 1,4‑disubstituotą triazolį) ir plačiai naudojama biologinėje funkcionalizacijoje.

Palyginimas ir praktinė reikšmė

Abu tipai – [4+2] ir [3+2] cikloadjunkcijos – yra kertinės organinės sintezės reakcijos dėl šių priežasčių:

• Leidžia greitai sukurti žiedines struktūras su dideliu stereo- ir regiokontroliu.
• Gali būti katalizuojamos (Lewis rūgštys, metalai), kas pagerina greitį ir selektyvumą.
• Plačiai pritaikomos natūralių produktų sintezėje, vaistų kūrime, medžiagų chemijoje ir biofunkcionalizacijoje (pvz., click chemija).

Pastaba apie periciklinius principus: cikloadicijos leidžiamumas ir stereocheminiai rezultatai dažnai paaiškinami pagal Woodward–Hoffmann orbitalių simetrijos taisykles: šiluminei [4+2] reakcijai būdingas suprafacialus prieėjimas (termškai leidžiama), o kiti junginiai (pvz., [2+2]) šiluminei sąlygai gali būti uždrausti ir leidžiami tik fotochemijos sąlygomis. FMO analizė paprastai yra praktiškiausias būdas prognozuoti reaktyvumą ir selektyvumą.

Apibendrinant: cikloadicijos – tai galingas įrankis žiedų sintezei. Dielso–Alder ([4+2]) suteikia tiesioginį būdą formuoti šešiaringius žiedus su griežtu stereokontroliu, o 1,3‑dipolinės ([3+2]) cikloadjunkcijos yra efektyvus metodas penkiaringiams heterociklams (pvz., triazolams, izoksazolams) gauti, ypač vertingas cheminėje biologijoje ir medžiagų moksluose.

Klausimai ir atsakymai

K.: Kas yra ciklolaidicija?

K.: Kokio tipo cheminė reakcija yra cikloadjunkcija?

K: Ką daro cikloadjunkcijos reakcija?

K: Kaip vadinamos cikloadicinės reakcijos?

K: Kas yra Dielso-Alderio reakcija?

K: Kas yra 1,3-dipolinė cikloaplinka?

K.: Kokio tipo reakcija yra cikloadjunkcija?

Paieška pagal raidę