Diels-Alderi reaktsioon: definitsioon, mehhanism ja rakendused

Diels-Alderi reaktsioon (DA) on keemiline reaktsioon orgaaniliste ühendite vahel, kus konjugeeritud dieen ja alkeen (tavaliselt nimetatakse seda dienofiiliks) kombineeruvad, et moodustada uus kuuekandiline tsükkel — tihti tsüklohekseeni tüüpi toode. Reaktsioon on üldjuhul konserteeritud peritseetiline protsess (ühe sammuna toimuv ühtne elektronide ümbersuunamine), mis võimaldab moodustada keerukaid tsüklilisi struktuure tõhusalt ja stereospesifiliselt.

Ajalooline taust ja tähendus

Selle reaktsiooni avastasid Otto Diels ja Kurt Alder 1928. aastal ning nad said 1950. aastal Nobeli keemiapreemia reaktsiooni uurimise ja rakenduse eest. DA-reaktsioon on orgaanilises sünteesis äärmiselt kasulik: see võimaldab luua mitu sidet ja stereokeskust korraga madalama energiaikuluga kui paljud liinireaktsioonid, mistõttu kasutatakse seda laialdaselt looduse‑lähedaste ühendite, ravimite, agrokeemiliste ainete ja keeruliste molekulide valmistamisel. Üks varasemaid praktilisi kasutusi oli putukamürkide süntees.

Mehhanism ja elektroniline alus

DA-reaktsioon on klassikaline 4+2 tsüklilisus: konjugeeritud dieeni nelja piiselektroni ja dienofiili kahe piiselektroni ühinemine moodustab kuuekandilise rõnga. Reaktsioon toimub tavaliselt termiliselt lubatud teel (Woodward–Hoffmanni reeglid) — suprafaciaalse ruut- ja suprafaciaalse kuue-elektronilise osalusega ülekanne. Praktikas tähendab see, et reaktsioon on konserteeritud (või väga sageli äärmiselt sarnane konserteeritud üleminekuteele) ning tavaliselt ei käi läbi vaba radikaalide teed.

FMO (Frontier Molecular Orbital) teooria abil ennustatakse sageli regio- ja stereoselektiivsust: reaktsioon kiireneb, kui dieeni HOMO ja dienofiili LUMO energiaerinevus on väike. Seetõttu soodustavad reaktsiooni elektronidoonorlised grupid dienel ja elektronivõtjad dienofiilil (näiteks karbonüülid, nitrogrupid), mis tõstab reaktsiooni kiirust ja regioselektiivsust.

Regio- ja stereokontroll

DA-reaktsioon on enamasti stereospesifiline: dienofiili kaksiksideme konfiguratsioon (cis/trans) peegeldub tsüklilises tootes. Lisaks on tüüpiline nähtus endo‑eesmärk (endo rule) — paljudes juhtudes eelistatakse endo‑addukti (asendajate paiknemine rõnga alla), mis on seotud sekundaarsete orbitaalsete interaktsioonidega ülemenüüs (stabiliseerivad orbiidid interakteeruvad ülemenüü ajal).

Oluline tingimus dieeni reaktiivsuseks on võime võtta s‑cis konformatsioon; dieenid, mis on konformatsiooniliselt fikseeritud s‑cis olekusse (näiteks tsüklilised dieenid nagu tsükloopentadieen), reageerivad tavaliselt kiiremini.

Katalüüs, tingimused ja variandid

Reaktsiooni kiirendamiseks ja selektiivsuse parandamiseks kasutatakse sageli katalüsaatoreid. Reaktsiooni katalüsaatoritena toimivad eriti hästi Lewis'i happed, mis aktsepteerivad dienofiili elektrone ja langetavad selle LUMO energiat. Näited: (AlCl3, ZnCl2 jt). Samuti kasutatakse sageli BF3·Et2O, TiCl4 ja krüpto‑ või asümmeetrilisi keemilisi katalüsaatoreid, et saavutada šalepäraseid (enantioselektiivseid) tulemusi.

On olemas arenduslikke variante:

• Intramolekulaarne Diels-Alder — dieen ja dienofiil on samas molekulis, võimaldades tsüklite kiiret ja regioselektiivset moodustumist; tihti kasutatakse heterotsüklite või makrotsüklite sünteesis.
• Hetero‑Diels-Alder — üks osapooltest sisaldab heteroaatomeid (O, N jms), tulemuseks on hüdroksealiidid, dihydropyranid vms.
• Asümmeetriline (enantioselektiivne) DA — saavutatakse kasutades chiraalseid katalüsaatoreid või chiraalseid ligandisüsteeme.

Retro‑Diels‑Alder ja analüütilised tähendused

Mõned DA-produktsioonid võivad tagasi laguneda — seda nimetatakse retro-Diels-Alderi reaktsiooniks. See on pöörduv protsess, kus tekkinud tsükliline toode laguneb dieeniks ja dienofiiliks. Retro‑DA võib toimuda termiliselt või analüütilistes tingimustes (näiteks massispektromeetria tingimustes tekivad fragmendid sageli retro‑DA kaudu), mistõttu see on oluline nii sünteesil kui ka struktuuri tuvastamisel.

Rakendused

DA-reaktsiooni praktilised rakendused on laiad:

• Looduslike toodete ja ravimite süntees — keerukate tsükliliste skeemide kiire ehitus.
• Agrokeemiate ja peen­orgaaniliste ühendite tootmine.
• Polümeerkeemia — DA-tüüpi reaktsioone kasutatakse ka mälu-/seepsikulaarsetes materjalides ja hübriidstruktuuride moodustamisel.
• Keemilise bioloogia tööriistad — mitmed biomolekulide modifikatsioonid ja märkijate paigaldused põhinevad Diels‑Alder tüüpi reaktsioonidel.

Praktilised märkused

- Reaktsiooni kiirus sõltub suurelt dieni ja dienofiili elektrooniomadustest ja konformatsioonist; elektronidoonorlised substituendid dieenil ja elektronivõtjad dienofiilil soodustavad reaktsiooni.

- Temperatuur ja lahusti mõjutavad regio‑ ja stereoselektiivsust; mõned reaktsioonid toimuvad hästi toatemperatuuril, teised vajavad kuumutamist või katalüsaatorit.

- Tüüpiline näide laborist: tsüklopentadieen reageerib sageli kiiresti ja regioselektiivselt dienofiilidega (nt maleenhappe anhydriidiga), andes norbornene‑taolisi adduktsioone — see on tüüpiline demonstratsioon DA‑reaktsiooni võimsusest ja stereokontrollist.

Kuigi mõned keemikud nimetavad Diels-Alderi reaktsiooni orgaaniliste reaktsioonide "Mona Lisa"‑laadseks (selle lihtsus võib peita väga rikkaid ja keerukaid rakendusvõimalusi), on tegemist tänapäeva sünteetilise orgaanilise keemia ühe kõige olulisema ja mitmekülgsema tööriistaga.

Küsimused ja vastused

K: Mis on Diels-Alderi reaktsioon?

K: Kes avastas DA-reaktsiooni?

K: Mida nad said selle reaktsiooniga seotud töö eest?

K: Milleks kasutatakse tsüklohekseene?

K: Kuidas tekib DA-reaktsioonis kuusnurkne rõngakujuline ühend?

K: Kas mõned DA-reaktsioonid on pöörduvad?

K: Milliseid katalüsaatoreid saab kasutada DA-reaktsiooni kiirendamiseks?

Otsing