Cykloaddition – definition och exempel (pericyklisk reaktion, Diels–Alder)

cykloaddition är en kemisk reaktion mellan reaktanter med dubbelbindningar som ersätts av en ringstruktur. Det är en percyklisk kemisk reaktion där "två eller flera omättade molekyler (eller delar av samma molekyl) kombineras med bildandet av ett cykliskt addukt där det sker en nettominskning av bindningsmultipliciteten". Som sådan är en cykloaddition en cykliseringsreaktion: det bildas en ny ring av atomer och ofta nya enkelbindningar på platser där det tidigare funnits pi-bindningar.

Mekanism och allmänna regler

Cykloadditioner är ofta concerted (sammanhängande) pericykliska processer där elektronfördelningen ändras genom ett cykliskt övergångstillstånd. Reaktionernas möjligheter styrs av orbitalsymmetri enligt Woodward–Hoffmann-reglerna. I praktiken innebär detta att vissa kombinationer är termiskt tillåtna och andra tillåtna först under fotokemiska förutsättningar, beroende på om överlappningen av pi-orbitaler kan ske suprafaciellt eller antarafaciellt.

Notation och vanliga typer

Cykloadditioner betecknas ofta som [m + n], där m och n är antal atomer som bidrar med pi-elektroner till den nya ringen. Vanliga exempel:

[4 + 2] — Diels-Alder-reaktionen, där en konjugerad diene (4 pi-elektroner) reagerar med en dienofil (2 pi-elektroner) för att bilda en sexring.
[3 + 2] — 1,3-dipolarcykloaddition, där en 1,3-dipol adderar till en dubbelbindning (exempel: azid + alkin i vissa varianter).
[2 + 2] — ofta fotokemiskt tillåtna cykloadditioner som ger fyra-ringar; termiska [2+2]-reaktioner är vanligtvis symmetribundet och ofta förbjudna i ett suprafacialt, concerted förlopp.
Cheletropiska reaktioner — en specialtyp där båda nya bindningarna formas till samma atom (t.ex. addition av SO2 till en dubbelbindning i vissa fall).

Stereokemi och selektivitet

Cykloadditioner är ofta stereospecifika: substituenternas relativa konfiguration i reaktanterna bestämmer stereokemin i produkten. Diels–Alder-reaktioner visar till exempel vanligtvis retention av dubbelbindningarnas stereokemi och kan ge endo/exo-selektivitet. Endo-preferensen för många Diels–Alder-reaktioner förklaras med sekundära orbitalinteraktioner mellan diene och dienofil, vilket ofta leder till hög stereokontroll.

Orbitalinteraktioner och katalys

Reaktionshastighet och selectivitet beror ofta på HOMO–LUMO-interaktioner. I en typisk Diels–Alder är diene-HOMOen och dienofil-LUMOen viktiga; elektronfattiga dienofiler (med EWG) sänker LUMO-energin och påskyndar reaktionen. Lewis-syror används ofta som katalysatorer för att aktivera dienofiler och öka både hastighet och stereoselektivitet.

Undantag och stegvisa mekanismer

Trots att många cykloadditioner är concerted, kan vissa ske via stegvisa mekanismer med radikal- eller jonlika intermediärer, särskilt under kraftiga fotokemiska eller termiska förhållanden eller med starkt polariserade reaktanter. Sådana vägval kan påverka stereokemi och regiokemi.

Tillämpningar

Syntes av cykliska system i naturliga produkter och läkemedel — Diels–Alder-reaktionen är ett standardverktyg i totalsyntes.
Polymerkemisk användning — vissa cykloadditioner utnyttjas i kopplings- och tvärbindningsreaktioner.
Click-kemi — moderna [3+2]-cycloadditioner, exempelvis koppling mellan azider och alkynes (CuAAC), används flitigt för biokonjugering och materialvetenskap då de är högeffektiva och selektiva.
Retrosyntetiska strategier — retro-Diels–Alder-reaktioner används för att bryta ringar i kontrollerade sammanhang och i analytiska tillämpningar (t.ex. masspektrometri).

Sammanfattning

Cykloaddition är en viktig klass av pericykliska reaktioner som omvandlar omättade system till ringar enligt väl definierade orbitalregler. De är mångsidiga i syntetisk kemi tack vare god stereokontroll, möjlighet till katalys och ett brett utbud av typer ([4+2], [3+2], [2+2] med flera). För att designa och förstå cykloadditioner är kunskap om orbitalsymmetri, HOMO–LUMO-skillnader och eventuella katalytiska effekter centrala faktorer.

Reaktionsmekanism

Värme kan få dubbelbindningarna att bilda en ring. Termiska cykladditioner har vanligtvis (4n + 2) π-elektroner som deltar i utgångsmaterialet, för något helt tal n. På grund av orbitalsymmetri är de flesta cykladditioner suprafaciala-suprafaciala. I sällsynta fall är de antarafaciala -antarafaciala. Det finns några få exempel på termiska cycloadditioner som har 4n π-elektroner (till exempel [2 + 2]-cycloadditionen). Dessa går i en suprafacial-antarafacial riktning. Till exempel har dimeriseringen av keten en ortogonal uppsättning p-orbitaler. Dessa p-orbitaler gör att reaktionen kan ske med hjälp av ett korsat övergångstillstånd.

Ljus kan också få dubbelbindningarna att bilda en ring. Cycloadditioner där 4n π-elektroner deltar kan också uppstå till följd av fotokemisk aktivering. Här får en komponent en elektron att flytta från den högst ockuperade molekylära orbitalen (HOMO) (π-bindning) till den lägsta oockuperade molekylära orbitalen (LUMO) (π*-antibindning). Efter att elektronen har flyttats till den högre orbitalet gör orbitalsymmetrin att reaktionen kan fortsätta på ett suprafaciellt-suprafaciellt sätt. Ett exempel är DeMayo-reaktionen. Ett annat exempel visas nedan, den fotokemiska dimeriseringen av cinnamsyra.

Observera att inte alla fotokemiska (2+2)-cykliska cykleringar är cykloadditioner; vissa är kända för att fungera genom radikala mekanismer.

Vissa cyklokladdningar i stället för π-bindningar sker genom spända cyklopropanringar, eftersom dessa har en betydande π-karaktär. En analog till Diels-Alder-reaktionen är t.ex. kvadricyklan-DMAD-reaktionen:

I (i+j+...)-cykloaddition-notationen hänvisar i och j till antalet atomer som är involverade i cykloadditionen. I denna notation är en Diels-Alder-reaktion en (4+2)-cykloaddition och en 1,3-dipolär addition, t.ex. det första steget i ozonolysen, är en (3+2)-cykloaddition. I denna notation används parenteser. IUPAC:s föredragna notation med [i+j+...] räknar dock elektroner och inte atomer. Den använder hakparenteser. I denna notation blir både Diels-Alder-reaktionen och den dipolära reaktionen en [4+2]cykladdition. Reaktionen mellan norbornadien och en aktiverad alkan är en [2+2+2+2]-cykloaddition.

Typer av cycloaddition

Diels-Alder-reaktioner

Diels-Alder-reaktionen är en [4+2]-cykloadditionsreaktion.

Diels-Alder reaction

Huisgen-cykloadditioner

Huisgencykloadditionsreaktionen är en [2+3]-cykloaddition.

1,3-cycloaddition

Nitron-olefincykloaddition

Nitron-olefincykloadditionen är en [3+2]-cykloaddition.

Nitrone olefin cycloaddition

Formella cycloadditioner

Cycloadditioner har ofta metallkatalyserade och stegvis radikala analoger, men dessa är inte strikt sett pericykliska reaktioner. När laddade eller radikala intermediärer är inblandade i en cycloaddition, eller när cycloadditionsresultatet återfinns i en serie reaktionssteg, kallas de ibland formella cycloadditioner för att skilja sig från äkta pericykliska cycloadditioner.

Ett exempel på en formell [3+3]cykladdition mellan en cyklisk enon och en enamin som katalyseras av n-butyllitium är en Stork-enamin/ 1,2-additionskaskadreaktion:

Intermolecular Formal [3+3] Cycloaddition Reaction

Frågor och svar

F: Vad är en cykloaddition?

S: En cykloaddition är en kemisk reaktion mellan reaktanter med dubbelbindningar som ersätts av en ringstruktur.

F: Vilken typ av kemisk reaktion är en cykloaddition?

S: En cykloaddition är en pericyklisk kemisk reaktion där "två eller flera omättade molekyler (eller delar av samma molekyl) kombineras med bildandet av en cyklisk addukt i vilken det sker en nettominskning av bindningsmultipliciteten."

F: Vad gör en cykloadditionsreaktion?

S: En cykloaddition är en cykliseringsreaktion: den skapar en ny ring av atomer.

F: Hur namnges cykloadditioner?

S: Cykloadditioner namnges efter den grundläggande storleken på de molekyler som förs samman.

F: Vad är Diels-Alder-reaktionen?

S: Diels-Alder-reaktionen är en [4 + 2] cykloaddition.

F: Vad är 1,3-dipolär cykloaddition?

S: Den 1,3-dipolära cykloadditionen är en [3 + 2] cykloaddition.

F: Vilken typ av reaktion är en cykloaddition?

S: En cykloaddition är en icke-polär additionsreaktion.