Diels–Alder-reaktionen: definition, mekanism och tillämpningar

Diels–Alder-reaktionen: förstå definition, mekanism och tillämpningar — effektiv syntes av cyklohexener, katalys, retro-DA och industrins användning inom läkemedel och material

Diels-Alder-reaktionen (DA) är en kemisk reaktion mellan organiska föreningar där en konjugerad dien reagerar med en alken (eller annat omättat system) och bildar en ny sexledad ring, en cyklohexen. Reaktionen är en typ av pericyklisk [4+2]-cykloaddition och ger vanligtvis en cyklisk struktur som kan beskrivas som en ring.

Definition och mekanism

DA-reaktionen är i sin vanligaste, termiska form en koncerted process: alla bindningar omformas samtidigt utan att separata intermediärer bildas. Reaktionen är termodynamiskt och kinetiskt styrd av elektronfördelningen hos reaktanterna. För maximal överlappning måste dienet ofta anta s-cis-konformation. I ett enklare MO-beskrivning är det HOMO hos dienet som överlappar med LUMO hos dienofilen (eller vice versa vid inverterade elektronflöden). Enligt Woodward–Hoffmann-reglerna är den termiskt tillåtna vägtypen oftast suprafacial på både dien och dienofil.

Stereokemi, regi- och endo/exo-selektivitet

DA-reaktionen är vanligtvis stereospecifik: substituenternas stereokemi på reaktanterna överförs ofta bestämt till produkten. Regioselektivitet bestäms av elektroniska effekter — elektrondonerande grupper på dienet och elektronacceptorer på dienofilen (t.ex. karbonylgrupper) leder till starkare reaktion via matchning av HOMO/LUMO. En välkänd empirisk regel är endo-regeln: många dienofiler föredrar att lägga sig i endo-orientering i övergångstillståndet på grund av sekundära orbitalinteraktioner, vilket ger endo-produkter som ofta dominerar kinetiskt framför exo-produkter.

Katalys, varianter och reaktionsbetingelser

DA-reaktioner kan ske under uppvärmning utan katalysator, men Lewis-syror (AlCl3, ZnCl2 och andra) fungerar som katalysatorer genom att sänka LUMO-energin hos dienofilen och därigenom öka reaktionshastigheten och ibland förbättra selektiviteten. Andra katalysatorer inkluderar protiska syror, metallkomplex och moderna asymmetriska katalysatorer som ger höga enantioselektiviteter i chirala produkter.

Det finns flera varianter av Diels–Alder:

• Intramolekylär Diels–Alder (IMDA) där diene och dienofil finns i samma molekyl, vanligt vid konstruktion av polycykliska ramar.
• Hetero-Diels–Alder där en eller flera av atomerna i ringen är heteroatomer (t.ex. O eller N), vilket ger funktionaliserade cykliska produkter.
• Asymmetrisk Diels–Alder med chirala katalysatorer för att erhålla optiskt aktiva produkter.

Tillämpningar

DA-reaktionen används i stor utsträckning för att bygga sexledade ringar i syntes av komplexa organiska molekyler, såsom naturliga produkter, läkemedel och specialkemikalier. Reaktionen är uppskattad för sin atomekonomi och förmåga att snabbt skapa flera stereocentra i ett enda steg. En av de tidiga industriella användningarna var för framställning av insektsbekämpningsmedel, men modernare exempel inkluderar syntes av doftämnen, polycykliska kärnor i läkemedel och materialkemi (polymerer genom Diels–Alder kopplingar).

Ett klassiskt laboratoriumexempel är reaktionen mellan cyclopentadien (en aktiv diene) och dienofiler som maleinsyraanhydrid — den ger snabba, ofta rumstemperaturreaktioner och distinkta cykliska produkter (t.ex. norbornenderivat) som används för undervisning och forskning.

Retro-Diels–Alder och analys

Vissa Diels–Alder-produkter kan under rätt villkor brytas tillbaka till sina komponenter i en retro-Diels–Alder-reaktion. Sådana rektioner är reversibla vid uppvärmning eller under masspektrometriska förhållanden och används både i syntetisk planering (där reversibilitet kan vara önskvärd) och i analys. Retro-Diels–Alder-fragment ses ofta när molekyler undersöks med masspektrometri.

Historia och betydelse

Denna reaktion upptäcktes av Otto Diels och Kurt Alder 1928. År 1950 fick de Nobelpriset i kemi för sitt arbete med denna reaktion. Många kemister kallar Diels–Alder-reaktionen för den organiska reaktionens "Mona Lisa" — en metafor som betonar reaktionens skönhet och de många oväntade nyanser som fortfarande upptäcks.

Praktiska begränsningar och tips

• För att dienet ska reagera effektivt krävs ofta s-cis-konformation; hinder för denna konformation kan hämma reaktionen.
• Elektronrika diener och elektronfattiga dienofiler reagerar oftast snabbast. Omvänt kan inversion (electron-poor diene och electron-rich dienophile) också fungera i särskilda fall.
• Temperatur, lösningsmedel och katalysatorval påverkar både hastighet och selektivitet. Lewis-syror kan tillåta reaktioner vid lägre temperaturer och förbättra regi- och stereoselektivitet.
• I planering av synteser är det viktigt att beakta möjlig retro-Diels–Alder-fragmentering vid upphettning eller under masspektrometriska analyssessioner.

Sammanfattningsvis är Diels-Alder-reaktionen ett av organisk kemis mest användbara verktyg för konstruktion av cykliska strukturer: den är snabb, atomsnål och ger tillgång till mångfaldiga funktionella och stereokemiskt rika produkter, vilket förklarar dess stora betydelse i både forskning och industri.

Frågor och svar

Fråga: Vad är Diels-Alder-reaktionen?

Fråga: Vem upptäckte DA-reaktionen?

F: Vad fick de för sitt arbete med denna reaktion?

Fråga: Vad används cyklohexener till?

Fråga: Hur skapar en DA-reaktion en hexagonal ringformad förening?

F: Är vissa DA-reaktioner reversibla?

Fråga: Vilka katalysatorer kan användas för att påskynda DA-reaktionen?

Sök med bokstav