Tsükloadditsioon: peritsükliline reaktsioon ja rõngamoodustumine
Tsükloadditsioon: peritsükliline reaktsioon, mis moodustab uusi rõngastruktuure (nt Diels–Alder [4+2], 1,3-dipolaarne [3+2]) — võtmetehnika orgaanilises sünteesis.
Tsükloadditsioon on keemiline reaktsioon reaktantide vahel, mille kaksiksidemed asendatakse ringstruktuuriga. See on peritsükliline keemiline reaktsioon, kus "kaks või enam küllastumata molekuli (või sama molekuli osa) ühinevad tsüklilise adukti moodustamisega, mille puhul toimub sidemete paljususe netovähenemine". Tegemist on tsüklilisatsioonireaktsiooniga: see tekitab aatomitest uue rõnga.
Tsükloadditsioonid on nimetatud kokku viidavate molekulide põhisuuruse järgi. Seega oleks Diels-Alderi reaktsioon [4 + 2] tsükliliitumine ja 1,3-dipolaarne tsükliliitumine [3 + 2] tsükliliitumine. Seda tüüpi reaktsioon on mittepolaarne liitumisreaktsioon.
Mehhanism ja orbitaaliteooria
Enamik klassikalisi tsükloadditsioone kulgeb konsertseeritud ehk peritsüklilise mehhanismi kaudu: kõik sidemete tekke- ja lõhkemisprotsessid toimuvad samaaegselt ühes üleminekuriigi konfiguratsioonis. Selle käitumise kirjeldamiseks kasutatakse avatuna HOMO–LUMO lähtepunkti — reaktsioon toimub siis, kui ühe reagendi HOMO ja teise reagendi LUMO vahelised orbitaalid sobivad energia ja faasi poolest kokku.
Woodward–Hoffmanni reeglid määravad, millised peritsüklilised reaktsioonid on termiliselt lubatud ja millised vajavad elektronide faaside muutmiseks fotokeemilist aktiveerimist. Näiteks termiliselt lubatud on tavaliselt [4+2] tsükloadditsioon (suprafaciaalne liitumine), samas kui [2+2] tsükloadditsioon tavaliselt termiliselt ebaotus ja nõuab valgusaktiveerimist.
Tüübid ja sagedased näited
- [4+2] Diels–Alder — osaliselt kõige tuntum tsükloadditsioon: diyeen (4 π-elektroni) reageerib dienofiiliga (2 π-elektroni) ja moodustab kuueliikmelise rõnga. Reaktsioon on stereospecifiline ja sageli väga regio- ning stereokeemiliselt juhtitav.
- [3+2] 1,3-dipolaarne tsükloadditsioon — moodustab viiseliikmelisi rõngaid; siia kuuluvad reaktsioonid nagu nitrilioksiidide, nitrooonide ja tsefaaloniidide liitumine. Azide + alkeen/alküün → triasoolid (nt Huisgen’i süntees) on oluline näide.
- [2+2] — kaks kakssidet kolmekesisust moodustavad neljaliikmelise rõnga; termiliselt tihti välditud (Woodward–Hoffmann), kuid fotokeemiliselt võimalik.
- Intramolekulaarsed tsükloadditsioonid — sama molekuli eri osade vaheline liitumine, mis võimaldab keerukate tsükliliste struktuuride ja polütsükliliste süsteemide sünteesi.
Stereokeemia ja regioselektiivsus
Tsükloadditsioonid on sageli stereospecifilised: näiteks alkeeni stereokeemia (cis/trans) kandub üle uude ringisüsteemi, nii et reaktsioon säilitab konfiguratsiooni. Diels–Alder’i reaktsioonis on oluline endo/exo valik — sageli eelistatakse endo-produkti (Alder'i endo-reegel), kuna üleminekuriigi sekundaarsete orbitaalide vastasmõju stabiliseerib seda konfiguratsiooni.
Reaktsioonitingimused ja katalüsaatorid
- Temperatuur ja rõhk: kõrgem temperatuur kiirendab mõningaid tsükloadditsioone, samas kui kõrgem rõhk soosib reaktsioone, mille käigus ruumala väheneb.
- Fotokeemia: mõned tsükloadditsioonid (nt [2+2]) vajavad valgusaktiveerimist, et muuta orbitaalide faasiühendusi.
- Katalüsaatorid: Lewis-happed (AlCl3, BF3 jmt) ja teised katalüsaatorid võivad langetada reaksiooni aktiveerimisenergiat, parandada regio- ja stereoselektiivsust. Tähtis on ka enantioselektiivne katalüüs — šarn-tuntud Diels–Alder'i reaktsioonide asümmeetriline versioon kasutab klooritud, ensüümilaadseid või orgaanikatalüsaatoreid.
- Metallikelgutud ja click-reaktsioonid: Cu(I)-katalüüsitud azüüd-alüün tsükloadditsioon (CuAAC) on click- keemia kuldstandard: kiire, regioselektiivne ja bioühilduv meetod triasoolide moodustamiseks.
Rakendused
Tsükloadditsioone kasutatakse laialdaselt orgaanilises sünteesis: looduslike ühendite ja ravimite keerukate rõngakonstruktsioonide loomiseks, polümeerkeemias ristseostuseks ning materjaliteaduses funktsionaalsete makromolekulide valmistamiseks. 1,3-dipolaarseid liitumisi ja CuAAC “click” reaktsioone kasutatakse ka biokemilistes markeerimismeetodites ja molekulaarsetes konstrueerimistes.
Olulised tähelepanekud
- Tsükloadditsioonide edukus sõltub tugevalt orbitaalide sobivusest (HOMO/LUMO) ja elektronikrichuse/vaesuse kombinatsioonist reactantidel.
- Mõned reaktsioonid võivad toimuda samm-sammult (radikaalne või iooniline rada), eriti juhul kui peritsükliline käitumine on häiritud; seega ei ole iga tsükliline moodustumine tingimata täiesti konsertseeritud.
- Ohutus: fotokeemilised protseduurid ja tugevad happed/metalokatalüsaatorid nõuavad sobivaid ettevaatusabinõusid laboritingimustes.
Kokkuvõtlikult on tsükloadditsioonid võimsad ja mitmekülgsed tööriistad keemias: nad võimaldavad efektiivselt ja selektiivselt uusi rõngastruktuure moodustada ning on seeläbi võtmetähtsusega nii akadeemilises uurimises kui tööstuslikus sünteesis.
Reaktsioonimehhanism
Kuumuse tõttu võivad kaksiksidemed moodustada rõnga. Termilistes tsükloodetes osalevad tavaliselt (4n + 2) π-elektronid lähteaines mingi täisarvu n korral. Orbitaalsümmeetria tõttu on enamik tsükloodetest suprafaasilised-suprafaasilised. Harva on need antarafaatsed-antarafaatsed. On olemas mõned näited termiliste tsükloadditsioonide kohta, millel on 4n π elektroni (näiteks [2 + 2] tsükloadditsioon). Need toimuvad suprafaatsionaalses-antarafaatses mõttes. Näiteks keteeni dimerisatsioonil on ortogonaalne p-orbitaalide kogum. Need p-orbitaalid võimaldavad reaktsioonil kulgeda risti ülemineku oleku abil.
Valgus võib põhjustada ka topeltsidemete moodustamist rõngaks. Fotokeemilise aktiveerimise tulemusel võivad tekkida ka tsüklilood, milles osalevad 4n π-elektronid. Siin paneb üks komponent elektroni liikuma kõrgeimast hõivatud molekuliorbitaalist (HOMO) (π sidumine) madalaimale hõivamata molekuliorbitaalile (LUMO) (π* antisidumine). Pärast elektroni edutamist kõrgemale orbitaalile võimaldab orbitaalsümmeetria reaktsiooni kulgeda suprafaasiliselt-suprafaasiliselt. Näitena võib tuua DeMayo reaktsiooni. Teine näide on esitatud allpool, tsinnamiinhappe fotokeemiline dimeriseerimine.
Tuleb märkida, et mitte kõik fotokeemilised (2+2) tsüklisatsioonid ei ole tsükliloodused; mõned neist toimivad teadaolevalt radikaalmehhanismide abil.
Mõned tsüklilahendusühendused toimivad π-sidemete asemel läbi pingestatud tsüklopropaanrõngaste; kuna need on olulise π-omadusega. Näiteks Diels-Alderi reaktsiooni analoog on kvadratsüklaan-DMAD reaktsioon:
(i+j+...) tsükliliitumise tähistamisel viitavad i ja j tsükliliitumises osalevate aatomite arvule. Selles märkimisviisis on Diels-Alderi reaktsioon (4+2)-tsüklaliitumine ja 1,3-dipolaarne liitumine, nagu näiteks esimene samm osoonolüüsis, on (3+2)-tsüklaliitumine. Selles märkimisviisis kasutatakse sulgusid. IUPACi eelistatavas märkimisviisis [i+j+...] loetakse aga elektronid, mitte aatomid. Selles kasutatakse nurksulgusid. Selles märkimisviisis muutuvad Diels-Alderi reaktsioon ja dipolaarne reaktsioon mõlemad [4+2]tsükliliseks liitumiseks. Reaktsioon norbornadieeni ja aktiveeritud alkiini vahel on [2+2+2]tsükloadditsioon.
Tüübid tsüklilisandumine
Diels-Alderi reaktsioonid
Diels-Alderi reaktsioon on [4+2]tsükliliitumisreaktsioon.
.png)
Huisgeni tsükliühendused
Huisgeni tsükliliitumisreaktsioon on [2+3]-tsükliliitumisreaktsioon.
Nitron-olefiini tsüklilisandumine
Nitron-olefiini tsüklilisandumine on [3+2]tsüklilisandumine.
Formaalsed tsüklilisanditeedid
Tsükloadditsioonidel on sageli metallkatalüüsitud ja astmelised radikaalide analoogid, kuid need ei ole rangelt võttes peritsüklilised reaktsioonid. Kui tsüklilisandumisse on kaasatud laetud või radikaalsed vaheühendid või kui tsüklilisandumise tulemus leitakse reaktsioonietappide seerias, nimetatakse neid mõnikord formaalseteks tsüklilisandumisteks, et teha vahet tõelistest peritsüklilistest tsüklilisandumistest.
Üks näide formaalsest [3+3]-tsüklilise enooni ja enamiini vahelisest n-butüülliitiumi poolt katalüüsitud [3+3]-tsüklilise enooni ja enamiini vahelisest tsüklilisest liitumisest on Storki enamiini / 1,2-lisandumise kaskaadreaktsioon:
![Intermolecular Formal [3+3] Cycloaddition Reaction](https://www.alegsaonline.com/image/600px-3+3-cycloaddition.svg.png)
Küsimused ja vastused
K: Mis on tsüklopeedia?
V: Tsükloadditsioon on keemiline reaktsioon reaktantide vahel, millel on kaksiksidemed, mis asenduvad ringstruktuuriga.
K: Millist tüüpi keemiline reaktsioon on tsüklilisandumine?
V: Tsükloadditsioon on peritsükliline keemiline reaktsioon, kus "kaks või enam küllastumata molekuli (või sama molekuli osa) ühinevad tsüklilise adukti moodustamisega, mille puhul toimub sidemete paljususe netovähenemine".
K: Mida teeb tsüklilisatsioonireaktsioon?
V: Tsükloadditsioon on tsüklisatsioonireaktsioon: see moodustab aatomitest uue rõnga.
K: Kuidas nimetatakse tsükloaditsioonide reaktsiooni?
V: Tsükloaditsioonidele antakse nimed kokku viidavate molekulide põhisuuruse järgi.
K: Mis on Diels-Alderi reaktsioon?
V: Diels-Alderi reaktsioon on [4 + 2] tsükloadditsioon.
K: Mis on 1,3-dipolaarne tsükliliitumine?
V: 1,3-dipolaarne tsükliliitumine on [3 + 2] tsükliliitumine.
K: Millist tüüpi reaktsioon on tsükliliitumine?
V: Tsükloaditsioon on mittepolaarne liitumisreaktsioon.
Otsige