Лекция 15

12

Лекция
15.

    1. 1,3-Диполярное
      присоединение

Это
– один из примеров большой группы
реакций [2+3]-циклоприсоединения, в
результате которых при присоединении
1,3-диполей к двойным связям образуются
5-членные гетероциклические соединения.

В
общем случае структуру диполя можно
представить так:

Поскольку
соединения с секстетом электронов на
внешней оболочке одного из атомов обычно
нестабильны, то на самом деле система
a-b-c
является одной из форм резонансного
гибрида, и можно нарисовать еще как
минимум одну резонансную форму, например,
для азидов:

Встречаются
две основные группы 1,3-диполей.

  1. Соединения,
    у которых атом, обладающий секстетом
    электронов в 1,3-диполярной канонической
    форме, содержит в этой форме двойную
    связь, а в другой канонической форме у
    этого атома находится тройная связь:

  1. Соединения,
    у которых атом, обладающий секстетом
    электронов в 1,3-диполярной канонической
    форме, содержит в этой форме ординарную
    связь, а в другой канонической форме –
    двойную связь:

Примером
являются азоксисоединения:

Механизм
присоединения
:

Это
перициклическая реакция – одностадийное
синхронное стереоселективное (в случае
олефинов – стереоспецифическое)
син-присоединение:

Ориентация:

Простых
правил ориентации не существует. Сложную
региоселективность присоединения можно
объяснить с помощью метода молекулярных
орбиталей (МО).

В
эти реакции могут вступать и ацетиленовые
углеводороды:

    1. Реакции
      Дильса-Альдера

Эти
реакции происходят достаточно быстро,
с хорошим выходом, и находят широкое
применение.

Z,
Z’ = CHO, C(O)R, COOH, COOR, C(O)Cl, C(O)Ar, CN, NO2,
Ar, CH2OH,
CH2NH2,
CH2CN,
CH2COOH,
Hal.

В
качестве диенофила может выступать и
сам диен:

Диенофилами
могут быть также ацетиленовые производные
и аллены:

Особенно
часто в качестве диенофила используют
следующие молекулы:

В
качестве диенофилов могут выступать
вещества, содержащие двойные или тройные
связи между гетероатомами:

Структурные
особенности диенов:

Почти
все сопряженные диены вступают в реакцию
с подходящими диенофилами. Единственное
условие – диеновые субстраты не должны
быть заморожены в трансоидной конформации.

Сам
бензол – очень плохой диен, однако
антрацен и другие подобные ароматические
соединения легко вступают в реакцию
Дильса-Альдера. Антрацен может быть
использован как ловушка лабильного
дегидробензола.

Одна
двойная связь может быть частью
ароматической системы (стирол). Диеном
может быть ароматический гетероцикл
(фуран). В реакцию могут вступать
сопряженные диены с гетероатомами.
«Диен» может представлять собой и
сопряженный енин.

Вместо
бутадиена в реакции Дильса-Альдера
удобно использовать 3-сульфолен (твердое
вещество) в качестве прекурсора
(предшественника) бутадиена: бутадиен
генерируется in situ по ретрореакции
Дильса-Альдера:

Стереохимический
аспект реакции Дильса-Альдера

1)
По отношению к диенофилу реакция проходит
стереоспецифично, как син-процесс:

2)
По отношению к диену: реакции
1,4-дизамещенных диенов менее изучены,
но и здесь реакция проходит как
стереоспецифичное син-присоединение:

3)
Диен должен быть в цисоидной
конформации
,
т. е. либо «заморожен» (зафиксирован) в
ней, либо должен иметь возможность
принять ее в момент реакции. Если он
заморожен в трансоидной
конформации
,
реакция не происходит:

4)
Для циклических диенов существует две
возможности присоединения несимметричных
диенофилов: «под кольцом» может находиться
более объемистая (с бóльшим стерическим
объемом) сторона диенофила
(эндо-присоединение), либо менее объемная
его часть (экзо-присоединение)

Обычно
преобладает эндо-присоединение, однако
в некоторых случаях образуется смесь
продуктов эндо- и экзо-присоединения.

Региоселективность
присоединения

При
присоединении несимметричных диенов
к несимметричным диенофилам возникает
проблема позиционной селективности
присоединения: кроме стереоизомеров
возможно образование и двух позиционных
изомеров:

Такая
региоселективность может быть объяснена
с помощью расчетов по методу МО.

Реакционная
способность

Электронодонорные
заместители в диене ускоряют реакцию,
электроноакцепторные – замедляют.

Для
диенофила справедливо обратное:
электронодонорные заместители в
диенофиле замедляют реакцию,
электроноакцепторные – ускоряют.

Э/д:
в Д↑, в ДФ↓

Э/а:
в Д↓, в ДФ↑

Значит,
можно рассматривать диен как нуклеофил,
а диенофил − как электрофил.

Диены
с фиксированной цисоидной конформацией
реагируют быстрее, чем соединения с
открытой цепью, которые приобретают
эту конформацию в ходе реакции в
результате вращения.

Конкурентные
реакции

Конкурентными
процессами могут быть полимеризация
диена, диенофила или полимеризация и
диена, и диенофила одновременно (в
результате имеет место осмоление
реакционной массы). Иногда в качестве
конкурентной реакции выступает
2,2-циклоприсоединение.

Механизм
реакции Дильса-Альдера

Можно
представить три механизма присоединения
по Дильсу-Альдеру:

1)
Согласованное присоединение без
образования интермедиата, то есть в
одну стадию

2)
Образование бирадикала с последующей
рекомбинацией спинов – циклизацией:

3)
Гетеролитический механизм с образованием
биполярного интермедиата:

В
большинстве случаев реакция идет по
первому механизму с циклическим
переходным состоянием.

Доказательства
механизма

1)
Стереоспецифичность реакции как по
отношению к диену, так и по отношению к
диенофилу. Бирадикал или диион,
по-видимому, не способны сохранять
конфигурацию из-за возможности вращения
в интермедиате.

2)
Скорость реакции Дильса-Альдера очень
мало зависит от природы растворителя.
Это исключает возможность образования
диионного (биполярного) интермедиата,
так как полярные растворители ускоряют
реакции, в переходных состояниях которых
возникают заряды.

Имеются
и другие доказательства в пользу
согласованного механизма, однако это
не означает, что в переходном состоянии
образование обеих новых -связей
происходит полностью синхронно, в
одинаковой степени: вполне возможно,
что процесс образования связи для одной
связи происходит быстрее, чем для другой.

    1. Принцип
      сохранения орбитальной симметрии
      (Вудворта-Гофмана)

В
отличие от быстро и с хорошим выходом
протекающих реакций Дильса-Альдера
внешне схожая реакция димеризации
олефинов, за исключением случаев
фотохимического инициирования, дает
очень плохие результаты:

Такие
контрастирующие результаты можно
объяснить с помощью принципа
сохранения орбитальной симметрии

(Фукуи, Вудворт, Гоффман). Правило
Вудворта-Гоффмана

предсказывает предпочтительные условия
(термическая либо фотохимическая
реакция) или стереохимическое направление
согласованных перициклических реакций,
т. е. реакций, протекающих без участия
промежуточных частиц – интермедиатов.

Формулировка
принципа сохранения орбитальной
симметрии

Согласованные
(перициклические) реакции, в которых
заполненные молекулярные орбитали
исходных реагентов и продуктов реакции
полностью соответствуют друг другу по
свойствам симметрии (коррелируют
между собой), протекают легче, чем
реакции, в которых указанное соответствие
нарушается. Такие реакции идут таким
образом, чтобы в течение всего процесса
поддерживалось максимальное связывание.

Когда
применяют этот принцип, то говорят, что
те реакции, для которых он соблюдается,
являются разрешенными,
и напротив, те реакции, для которых он
не соблюдается, являются запрещенными.

Существует
несколько способов применения принципа
сохранения орбитальной симметрии к
реакциям циклоприсоединения, из которых
чаще всего используются метод граничных
орбиталей, метод Мебиуса-Хюккеля и метод
корреляционных диаграмм (последний
изложен в лекции 24).

Рассмотрение
и объяснение хода синхронных реакций
циклоприсоединения с помощью метода
граничных орбиталей

В
применении к реакциям циклоприсоединения
правило Вудворта-Гоффмана можно
сформулировать следующим образом:

реакции
разрешены, если при взаимодействии
ВЗМО одного реагента с НСМО другого
реагента перекрываются только
орбитальные доли одинакового знака
(плюс с плюсом, а минус с минусом).

Для
этилена:

Для
бутадиена:

а)
[2+2]Циклоприсоединение

Термическое
[2+2]-циклоприсоединение

Реакция
запрещена, так как перекрываются
орбитальные доли разного знака. Другими
словами, термическое [2+2]-циклоприсоединение
не может протекать через циклическое
переходное состояние, поскольку энергия
активации процесса, протекающего с
нарушением принципа орбитальной
симметрии, слишком велика.

Фотохимическое
[2+2]-циклоприсоединение

Для
фотохимических реакций циклизации
правила обратны, поскольку в этих
случаях, прежде чем произойдет
взаимодействие, происходит возбуждение
молекулы путем переноса электрона на
вакантную НСМО. При взаимодействии ВЗМО
возбужденной молекулы с НСМО невозбужденной
молекулы перекрываются доли одного
знака. Следовательно, фотохимическая
[2+2]-реакция оказывается разрешенной.

б)
[4+2]-Циклоприсоединение
(реакция Дильса-Альдера)

Термическое
[4+2]-циклоприсоединение

Эта
реакция разрешена как при рассмотрении
взаимодействия ВЗМО диена и НСМО олефина,
так и при рассмотрении взаимодействия
ВЗМО олефина и НСМО диена, поскольку в
обоих случаях перекрываются доли
одинакового знака:

Фотохимическое
[4+2]-циклоприсоединение

Реакция
запрещена как при рассмотрении ВЗМО
фотохимически возбужденного диена и
НСМО невозбужденного олефина, так и при
рассмотрении ВЗМО фотохимически
возбужденного олефина и НСМО невозбужденного
диена.

В
соответствии с принципом микроскопической
обратимости (прямая и обратная реакции
должны происходить по одному и тому же
механизму) обратные реакции подчиняются
тем же правилам: аддукты Дильса-Альдера
довольно легко расщепляются (в связи с
чем реакции Дильса-Альдера используют
для защиты двойных связей), тогда как
для расщепления циклобутанов, несмотря
на значительное напряжение цикла,
требуются значительно более жесткие
условия.

Если
неразрешенные в соответствии с принципом
сохранения орбитальной симметрии
реакции термического [2+2]-циклоприсоединения
и фотохимического [4+2]-циклоприсоединения
все же имеют место, то они протекают по
двустадийным механизмам, а не через
циклическое переходное состояние.

Во
всех этих рассуждениях принималось,
что образование новых -связей
происходит с одной и той же стороны
плоскости -системы.
Такой способ образования -связей,
называемый супраповерхностным,
является наиболее естественным и почти
всегда реализуется.

Для
обозначения такой геометрии связывания
используется подстрочный индекс «s»,
и тогда обычная реакция Дильса-Альдера
будет называться [4s+2s]-циклоприсоединением
(индекс 
указывает, что в реакции участвуют
-электроны).

Однако
можно представить себе и другую ситуацию,
когда вновь образующиеся связи диена
(или олефина, или и того и другого)
оказываются по разные стороны от
-системы,
т. е. направлены в противоположные
стороны:

Такой
способ ориентации образующихся связей
называется антараповерхностным
и обозначается символом «a»,
а сама реакция может быть названа
[4a+2s]-циклоприсоединением.

Методом
граничных орбиталей легко показать,
что для такого процесса термический
путь реакции запрещен, а фотохимический
– разрешен.

Аналогичным
образом можно показать, что запрещены
термические

циклоприсоединения (индекс 
опущен) (4s+2a),
(2s+2s),
(2a+2a);
но разрешены
термические

реакции (2s+2a),
(4a+2a).

Для
соответствующих фотохимических
процессов справедливо обратное
утверждение
.

Сформулированы
общие правила отбора для реакций
[m+n]-циклоприсоединения.

Правила
отбора для реакций

[
m+n]-циклоприсоединения

Изобразим
реакцию циклоприсоединения олефина к
олефину, сопряженного полиена к олефину
или к другому сопряженному полиену в
следующем виде:

На
данной схеме символами m и n обозначено
число атомов, поставляемых в цикл
реагентами – сопряженными полиенами
либо сопряженным полиеном и олефином.

Это
число равно количеству -электронов
в молекуле реагента. Например, для
[2+2]-циклоприсоединения m=2 и n=2; для
[4+2]-циклоприсоединения m=4 и n=2.

Если
q – некоторое целое число (q=0, 1, 2, …), то
все реакции циклоприсоединения
обсуждаемого типа можно разделить на
две группы:

1)
для которых m+n=4q (например, для
[2+2]-циклоприсоединения m+n=2+2=4=4q, где q=1);

2)
для которых m+n=4q+2 (например, для
[4+2]-циклоприсоединения m+n=4+2=6=4q+2, где
q=1).

Тогда
правила отбора можно сформулировать
следующим образом:

Разрешенный
процесс

(запрещенный
процесс)

m+n

4q

4q+2

Термический

(фотохимический)

ms+na
(например, 2s+2a)

ms+ns
(например, 4s+2s)

ma+ns
(например, 2a+2s)

ma+na
(например, 4a+2a)

Фотохимический

(термический)

ms+ns
(например, 2s+2s)

ms+na
(например, 4s+2a)

ma+na
(например, 2a+2a)

ma+ns
(например, 4a+2s)

Конечно,
антараповерхностный подход чрезвычайно
маловероятен для [4+2]-циклизации, но
образование циклов большого размера
может следовать по этому пути. Например,
такой тип ориентации образующихся
-связей
относительно вероятен для [4+4]-присоединения
(m+n=4+4=8=4q,
где q=2).

В
некоторых случаях антараповерхностный
механизм [2s+2a]
может реализовываться для термического
[2+2]-циклоприсоединения, для которого
запрещен путь [2s+2s].

Следовательно,
запрещенность или разрешенность того
или иного циклоприсоединения зависит
от геометрии подхода реагирующих молекул
друг к другу.

Соображения
симметрии (молекулярно-орбитальная
теория) помогают также объяснить
преимущественное эндо-присоединение
в реакции Дильса-Альдера, хотя эндо-аддукты
обычно термодинамически менее стабильны.

Leave a Comment