Elektrociklinės reakcijos: apibrėžimas, mechanizmas ir stereochemija
Elektrociklinės reakcijos: aiškus apibrėžimas, mechanizmas ir stereochemija. Sužinokite Woodward–Hoffmann taisykles, konrotaciją/disrotaciją ir praktinius pavyzdžius.
Organinėje chemijoje elektrociklinė reakcija yra periciklinio persitvarkymo reakcija, kurioje ciklinis elektronų persiskirstymas vyksta per susijungusių atomų sąveikas be tarpinės joninės stadijos. Reakcija yra elektrociklinė, jei jos metu vienas pi ryšys tampa vienu sigma ryšiu (žiedo susidarymas, elektrociklinacija) arba vienas sigma ryšys tampa pi ryšiu (žiedo atsivėrimas). Elektrociklinėms reakcijoms būdingos kelios svarbios savybės:
- elektrociklinės reakcijos gali būti suaktyvintos šviesa (fotoindukuotos) arba šiluma (šiluminės); fotochemija ir termika lemia skirtingą orbitalių užimtumo būseną ir todėl skirtingą reakcijos stereochemiją;
- reakcijos režimą lemia pi elektronų skaičius toje dalyje, kurioje yra daugiau pi ryšių (taip paprastai taikomos Woodward–Hoffman taisyklės, kurios remiasi orbitalių simetrijos išsaugojimu);
- elektrociklinė reakcija gali uždaryti žiedą (elektrociklinacija) arba atverti žiedą (žiedo atvėrimas);
- stereospecifiškumą lemia konrotacinės arba disrotacinės pereinamosios būsenos susidarymas, kaip numatyta Woodwardo–Hoffmanno taisyklėse;
Woodwardo–Hoffmanno taisyklės ir elektronų skaičiaus taisyklė
Woodwardo–Hoffmanno taisyklės remiasi molekulinių orbitalių simetrijos išsaugojimu reaguojant. Paprastai taikoma paprasta taisyklė:
- Termiškai: sistemoms su 4n pi elektronų reakcija vyksta konrotaciniu būdu; sistemoms su 4n+2 pi elektronų — disrotaciniu būdu.
- Fotochemiškai: taisyklė yra atvirkštinė — 4n sistemoms fotochemija skatina disrotacinį, o 4n+2 sistemoms — konrotacinį mechanizmą.
Pavyzdžiui, ciklobuteno žiedo atvėrimas duoda butadieną (4 pi elektronų sistema), ir terminė atvėrimo reakcija yra konrotacinė, kas atitinka 4n (n=1) taisyklę. Tuo tarpu heksatrieno → ciklo susidarymas (6 pi elektronų, 4n+2) terminėje reakcijoje vyksta disrotaciškai.
Frontier orbitalių (FMO) paaiškinimas
Elektrociklinių reakcijų stereochemiją ir selektyvumą patogu paaiškinti ribinės (frontier) orbitų metodu. Reakcijai palankiausia, kai besikeičiančių ryšių formuojamos p-orbitalės turi tokią pat fazinę simetriją kaip ir produkto didžiausios užimtos molekulinės orbitalės (HOMO) arba, esant fotochemijai, eksituotos būsenos orbitalė. Todėl rotacijos (konrotacinė arba disrotacinė) kryptis pasirenkama taip, kad pereinamojoje būsenoje orbitalių fazės sutaptų ir leistų efektyvų elektronų persiskirstymą.
Stereochemija: konrotacija, disrotacija ir torkoselektyvumas
Konrotacinėje pereinamojoje būsenoje abi reaguojančios grandies galai suka vienodomis kryptimis (abi pagal laikrodžio rodyklę arba abi prieš ją), o disrotacijoje jie suka priešingomis kryptimis. Šių skirtingų rotacijų rezultatas — skirtingi stereoizomerai:
- konrotacija gali duoti enantiomerų porą, jei reaguojančios grandys simetriškos;
- disrotacija paprastai veda prie kitokios stereochemijos (pvz., cis/trans pasiskirstymo).
Torkoselektyvumas — tai preferencinis vienos sukimosi krypties pasirinkimas dėl elektroninių arba sterinių faktorių (pvz., stabilių substituentų, chelatizuojančių reagentų ar chiralinių katalizatorių). Tokiu būdu galima apriboti konrotacinių reakcijų produkciją taip, kad susidarytų enantiomerinis perteklius (kai vienas stereoizomeras dominuoja).
Mechanizmas: pavyzdys ir iliustracija
Šios reakcijos mechanizmą iliustruoja 3,4-dimetilciklobuteno terminis žiedo atvėrimas. Originalus tekstas tai aptarė taip: Iš cis izomero gaunamas tik cis,trans-2,4-heksadienas, o trans izomeras duoda trans,trans-dieną. Šioje reakcijoje ribinės orbitos metodas paaiškina, kad sigma ryšys atsidaro taip, jog susidariusios p-orbitalės turi tokią pat simetriją kaip produkto (butadieno) HOMO. Todėl žiedo atvėrimas vyksta konrotaciniu būdu — tai užtikrina fazinį sutapimą ir leidžia pasiekti mažiausią energijos pereinamąją būseną. Šį pavyzdį iliustruoja pridedamos schemos:
Rezultato stereospecifiškumas priklauso nuo to, ar reakcija vyksta konrotaciniu, ar disrotaciniu būdu, ir nuo substituentų arba sąlygų, kurios gali nukreipti rotaciją.
Nazarovo ciklizacija
Chemikai domisi elektrociklinėmis reakcijomis ne tik dėl teorinių pranašumų — jos plačiai naudojamos sintezėje. Molekulių geometrija ir reakcijų stereochemija patvirtina daugelį chemikų teoretikų prognozių apie orbitalių simetrijos reikšmę.
Nazarovo ciklizacijos reakcija — tai elektrociklinė reakcija, kurios metu uždaromas žiedas; jos metu divinilketonai paverčiami ciklopentenonais. (Ją atrado Ivanas Nikolajevičius Nazarovas (1906-1957).) Mechanistiškai dažniausiai tai vyksta per cationinį mechanizmą: Lewis rūgštis protonuoja arba kompleksuoja karbonilo grupę, susidaro pentadienilio tipo kationas, kuris konrotaciškai elektrociklinasi (4 pi elektronų procesas) į ciklopenilinio kationo tarpininką, o toliau deprotonacija arba oksidacija duoda ciklopentenoną. Nazarovo reakcija plačiai taikoma natūralių produktų sintezėje ir ciklopentenono fragmentų įvedimui į sudėtingas molekules.
Praktinė reikšmė ir valdymas
Elektrociklinės reakcijos yra naudingos organinės sintezės metodai, nes jos leidžia greitai suformuoti arba atverti žiedus su aukštu stereospecifiškumu. Kontroliuojant sąlygas (šiluma vs šviesa), naudojant substituentus, chiralinius katalizatorius arba koordinuojančias grupes, galima nukreipti reakcijos mechanizmą ir pasiekti norimą stereoizomerą. Torkoselektyvūs variantai ir katalizinės versijos leidžia gauti enantiomeriškai turtingus produktus, svarbius farmacijoje ir natūralių produktų sintezėje.
Santrauka
Elektrociklinės reakcijos — tai pericikliniai persitvarkymai, kur svarbiausi faktoriai yra pi elektronų skaičius, orbitalių simetrija ir išorinės sąlygos (šiluma ar šviesa). Woodward–Hoffmann taisyklės ir ribinių orbitalių principai leidžia prognozuoti, ar reakcija vyks konrotaciniu ar disrotaciniu keliu, o torkoselektyvumas ir katalizė suteikia galimybių praktiškai valdyti stereocheminį rezultatą. Jos yra esminės tiek teorinėje organinėje chemijoje, tiek praktinėje sintezėje.
Woodwardo-Hoffmano taisyklės
Vudvordo-Hofmano taisyklėmis sprendžiamas orbitų simetrijos išsaugojimo klausimas elektrociklinėse reakcijose.
Koreliacijos diagramos sujungia reaguojančios medžiagos molekulines orbitales su tos pačios simetrijos produkto molekulinėmis orbitalėmis. Koreliacines diagramas galima nubraižyti dviem procesams.
Šios koreliacijos diagramos rodo, kad tik 3,4-dimetilciklobuteno žiedo konrotacinis atsivėrimas yra "simetriškai leistinas", o 5,6-dimetilcikloheksa-1,3-dieno žiedo disrotacinis atsivėrimas yra "simetriškai leistinas". Taip yra todėl, kad tik šiais atvejais pereinamojoje būsenoje orbitalės maksimaliai sutampa. Be to, susidaręs produktas būtų pagrindinėje, o ne sužadintoje būsenoje.
Ribinė molekulinių orbitų teorija
Pagal "Frontier Molecular Orbital Theory" prognozuojama, kad žiedo sigma ryšys atsivers taip, kad susidariusios p orbitalės bus tokios pat simetrijos kaip ir produkto HOMO.
Pirmiau pateiktoje diagramoje parodyti du pavyzdžiai. 5,6-dimetilcikloheksa-1,3-dieno (viršutinė diagramos eilutė) atveju tik esant disrotacijos režimui p orbitalės būtų tokios pat simetrijos kaip heksatrieno HOMO. Dvi p orbitalės sukasi priešingomis kryptimis. 3,4-dimetilciklobuteno (apatinė diagramos eilutė) atveju tik konrotacinis režimas lemtų, kad p orbitalės būtų tokios pat simetrijos kaip butadieno HOMO. P-oribtalės sukasi ta pačia kryptimi.
Sužadintos būsenos elektrociklizacija
Šviesa gali perkelti elektroną į sužadintą būseną, kuri užima aukštesnę orbitalę. Sužadintas elektronas užima LUMO, kurio energijos lygis yra aukštesnis nei senoji elektrono orbitalė. Jei šviesa atvertų 3,4-dimetilciklobuteno žiedą, vykstanti elektrociklinacija vyktų ne konrotacijos, o disrotacijos režimu. Leidžiamosios sužadintosios būsenos žiedo atidarymo reakcijos koreliacinė diagrama rodo, kodėl:
Didžiausias orbitų persidengimas pereinamojoje būsenoje būtų tik disrotacijos režime, kai simetrija atspindžio plokštumos atžvilgiu išlieka visos reakcijos metu. Be to, vėlgi, tokiu atveju susidarytų produktas, kurio sužadintoji būsena yra panašaus stabilumo kaip ir reaguojančio junginio sužadintoji būsena.
Elektrociklinės reakcijos biologinėse sistemose
Gamtoje dažnai vyksta elektrociklinės reakcijos. Viena iš labiausiai paplitusių tokių reakcijų gamtoje yra vitamino D3 biosintezė.
Pirmajame etape šviesa atveria 7-dehidrocholesterolio žiedą ir susidaro previtaminas D3. Tai yra fotochemiškai sukelta konrotacinė elektrociklinė reakcija. Antrasis etapas - [1,7]-hidrido poslinkis, kurio metu susidaro vitaminas D3.
Kitas pavyzdys - siūloma aranotino, gamtoje randamo oksepino, ir jam giminingų junginių biosintezė.
Fenilalaninas naudojamas diketopiperazinui gaminti (nepateikta). Tada fermentai epoksiduoja diketopiperaziną, kad susidarytų areno oksidas. Šis pereina 6π disrotacinę žiedo atidarymo elektrociklinacijos reakciją ir susidaro neciklintas oksepinas. Antrą kartą epoksidavus žiedą, netoliese esantis nukleofilinis azotas atakuoja elektrofilinę anglį ir susidaro penkių narių žiedas. Susidariusi žiedo sistema yra įprasta žiedo sistema, aptinkama aranotine ir jai gimininguose junginiuose.
Benzonorkaradieno diterpenoidas (A) buvo pertvarkytas į benzocikloheptatrieno diterpenoidą izosalvipuberliną (B) verdant metileno chlorido tirpalą. Šį virsmą galima laikyti disrotacine elektrocikline reakcija, po kurios seka du viršfaziniai 1,5-sigmatropiniai vandenilio poslinkiai, kaip parodyta toliau:
Taikymo sritis
Elektrociklinės reakcijos pavyzdys yra benzociklobutano konrotacinis terminis žiedo atvėrimas. Reakcijos produktas yra labai nestabilus ortochinodimetanas. Šią molekulę galima sulaikyti endo adjunkcijos su stipriu dienofilu, pavyzdžiui, maleino anhidridu, metu į Dielso-Alderio aduktą. Nustatyta, kad 2 schemoje pavaizduoto benzociklobutano žiedo atidarymo cheminė išeiga priklauso nuo pakaitalo R pobūdžio. Kai reakcijos tirpiklis yra toluenas, o reakcijos temperatūra 110 °C, išeiga didėja nuo metilo, izobutilmetilo iki trimetilsililmetilo. Padidėjusį trimetilsililo junginio reakcijos greitį galima paaiškinti silicio hiperkonjugacija, nes βC-Si ryšys susilpnina ciklobutano C-C ryšį, atiduodamas elektronus.
Biomimetinė elektrociklinė kaskadinė reakcija buvo atrasta siekiant išskirti ir susintetinti tam tikras endiandrines rūgštis:
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra elektrociklinė reakcija?
Atsakymas: Elektrociklinė reakcija yra periciklinio persitvarkymo reakcija, kurios metu viena pi jungtis tampa viena sigma jungtimi arba viena sigma jungtis tampa pi jungtimi.
K: Kaip vyksta elektrociklinės reakcijos?
A: Elektrociklines reakcijas skatina šviesa (fotoindukuojama) arba šiluma (šiluminė).
K: Kaip pi elektronų skaičius veikia elektrociklinę reakciją?
A: Pi elektronų skaičius turi įtakos reakcijos būdui elektrociklinėje reakcijoje.
Klausimas: Kas vyksta elektrociklinimo proceso metu?
A: Elektrociklinimo proceso metu žiedas gali užsidaryti.
K: Kas lemia stereospecifiškumą elektrociklinėje reakcijoje?
A: Stereospecifiškumą elektrociklinėje reakcijoje lemia konrotacinės arba disrotacinės pereinamosios būsenos susidarymas, kaip numatyta Woodwardo-Hoffmanno taisyklėse.
K: Kas yra torkselektyvumas, susijęs su elektrocikline reakcija?
Atsakymas: Torkoselektyvumas reiškia, kokia kryptimi sukasi pakaitalai elektrociklinės reakcijos metu, kurios metu gali susidaryti enantiomeriniai produktai, jei vyksta konrotacinis procesas, ir enantiomerų perteklius, jei vyksta torkoselektyvus procesas.
Klausimas: Koks pavyzdys iliustruoja, kaip ribinės orbitalės metodas paaiškina, kaip tai veikia?
Atsakymas:3,4-dimetilo ciklobuteno terminio žiedo atvėrimo reakcija yra pavyzdys, iliustruojantis, kaip ribinės orbitalės metodas paaiškina, kaip tai veikia. Sigma ryšys atsidaro taip, kad susidariusios p-orbitalės yra tokios pat simetrijos kaip ir produkto (butadieno) didžiausios užimtos molekulinės orbitalės (HOMO). Taip atsitinka tik atsiveriant konrotaciniam žiedui, dėl kurio du žiedo laužytuose galuose esantys lęšiai turi priešingus ženklus, o disrotacinis žiedas sudarytų priešingą ryšį.
Ieškoti