Ім'я файлу: 1,3-диполярное присоединение с участием диазоалканов.pptx
Розширення: pptx
Розмір: 1191кб.
Дата: 14.05.2022
скачати

1,3-диполярное присоединение с участием диазоалканов


1,3-диполярного циклоприсоединения представляет собой химическую реакцию между 1,3-диполемм и диполярофилом с образованием пяти-членного кольца. Самые ранние 1,3-диполярные циклоприсоединения были описаны в конце 19 века - начале 20 века после открытия 1,3-диполей. Механическое исследование и синтетическое применение были начаты в 1960-х годах, главным образом благодаря работам Рольфа Хейсгена .  Следовательно, реакцию иногда называют циклоприсоединением Хьюсгена (этот термин часто используется для конкретного описания 1,3-диполярного циклоприсоединения между органическими азидами и алкинами с образованием 1,2,3-триазола ). 1,3-диполярное циклоприсоединение является важным путем регио- и стереоселективного синтеза пятичленных гетероциклов и их ациклических производных с раскрытым кольцом. Диполярофил обычно представляет собой алкен или алкин, но могут быть и другие пи-системы. Когда диполярофил представляет собой алкин, обычно образуются ароматические кольца.

Обзор механизма

Первоначально два предложенных механизма описывают 1,3-диполярное циклоприсоединение:

во-первых, механизм согласованного перициклического циклоприсоединения , предложенный Рольфом Хьюсгеном;  и, во-вторых, ступенчатый механизм с участием бирадикального интермедиата , предложенный Firestone. После долгих дебатов первое предложение в настоящее время является общепринятым  - 1,3-диполь реагирует с диполярофилом согласованным , часто асинхронным и разрешенным симметринй π 4 s + π 2 s способом через тепловую шестиэлектронное ароматическое переходное состояние Хюккеля. Однако существует несколько примеров ступенчатого механизма реакций 1,3-диполярного циклоприсоединения без катализатора тиокарбонилилидов и нитрилоксидов 

Перициклический механизм

Хейсген исследовал серию циклоприсоединений между 1,3-диполярными диазосоединениями и различными диполярофильными алкенами . [Следующие наблюдения подтверждают согласованный перициклический механизм и опровергают ступенчатый бирадикал или ступенчатый полярный путь.

Эффекты заместителей : различные заместители на диполе не оказывают большого влияния на скорость циклоприсоединения, что позволяет предположить, что в реакции не участвует промежуточное соединение с разделенными зарядами.

Эффекты растворителя: полярность растворителя мало влияет на скорость циклоприсоединения в соответствии с перициклическим механизмом, при котором полярность не сильно меняется при переходе от реагентов к переходному состоянию.

Стереохимия : 1,3-диполярные циклоприсоединения всегда стереоспецифичны по отношению к диполярофилу (т.е. цис- алкены, дающие син- продукты), поддерживая согласованный перициклический механизм, в котором две сигма-связи образуются одновременно.

Термодинамические параметры : 1,3-диполярные циклоприсоединения имеют необычно большую отрицательную энтропию активации, аналогичную энтропии активации реакции Дильса-Альдера , что свидетельствует о высокой степени упорядоченности переходного состояния , что является признаком согласованных перициклических реакций.

1,3-дипольная молекула

   1,3-диполь является органической молекулой , которая может быть представлена либо как аллил- или через пропаргил / алленил типа цвиттерионного октета / секстетной структуры. Оба типа 1,3-диполей разделяют четыре электрона в π-системе на три атома. Аллильный тип изогнут, в то время как пропаргил / алленильный тип является линейным по геометрии . 1,3-Диполи, содержащие элементы более высокого ряда, такие как сера или фосфор, также известны, но используются реже.

Можно нарисовать резонансные структуры для делокализации как отрицательных, так и положительных зарядов на любом конце 1,3-диполя  Более точный метод описания электронного распределения на 1,3-диполе состоит в том, чтобы назначить основной вклад в резонанс на основе экспериментальных или теоретических данных, таких как измерения дипольного момента  или вычисления. [ Например, диазометан имеет наибольший отрицательный характер у концевого атома азота, в то время как азотная кислота имеет наибольший отрицательный характер у внутреннего атома азота.

Следовательно, эта амбивалентность означает, что концы 1,3-диполя можно рассматривать как нуклеофильные, так и электрофильные одновременно. Степень нуклеофильности и электрофильности на каждом конце может быть оценена с использованием граничных молекулярных орбиталей , которые могут быть получены расчетным путем. В общем, атом, который несет наибольший орбитальный коэффициент в HOMO, действует как нуклеофил, тогда как атом в LUMO действует как электрофил. Наиболее нуклеофильный атом обычно, но не всегда, является атомом, наиболее богатым электронами. В 1,3-диполярных циклоприсоединениях идентичность диполь-диполярофильной пары определяет, будет ли доминировать ВЗМО или НСМО 1,3-диполя

Структура и номенклатура всех 1,3-диполей второго ряда, состоящих из углеродных, азотных и кислородных центров. Диполи классифицируются как аллильный тип или пропаргил / алленильный тип в зависимости от геометрии центрального атома.

Диполярофил

Наиболее часто используемые диполярофилы - это алкены и алкины. Гетероатомсодержащие диполярофилы, такие как карбонилы и имины, также могут подвергаться 1,3-диполярному циклоприсоединению. Другие примеры диполярофилов включают фуллерены и нанотрубки , которые могут подвергаться 1,3-диполярному циклоприсоединению с азометин-илидом в реакции Прато .

Эффекты растворителя

1,3-диполярные циклоприсоединения испытывают очень слабый эффект растворителя, поскольку как реагенты, так и промежуточные соидинения обычно неполярны. Например, скорость реакции между фенилдиазометаном и этилакрилатом или норборненом (см. Схему ниже) изменяется лишь незначительно при изменении растворителей от циклогексана до метанола. 

Отсутствие эффектов растворителя в 1,3-диполярном циклоприсоединении ясно продемонстрировано в реакции между енаминами и диметилдиазомалонатом (см. Схему ниже).   нуклеофильное присоединение к диазосоединению, протекает в 1500 раз быстрее в полярном ДМСО , чем в неполярном декалине . С другой стороны, близкий аналог этой реакции, ускорен лишь 41 раз в ДМСО по отношению к декалину.

Реактивность

Согласованные процессы, такие как 1,3-циклоприсоединение, требуют высокоупорядоченного переходного состояния (высокая отрицательная энтропия активации) и лишь умеренных требований к энтальпии. Используя эксперименты с конкурентными реакциями, было обнаружено, что относительные скорости добавления для различных реакций циклоприсоединения позволяют сделать общие выводы о факторах реактивности.
  • Конъюгация , особенно с ароматическими группами, увеличивает скорость реакции за счет стабилизации переходного состояния. Во время перехода две сигма-связи образуются с разной скоростью, что может генерировать частичные заряды в переходном состоянии, которые могут быть стабилизированы распределением заряда на сопряженные заместители.
  • Более поляризуемые диполярофилы более реактивны, потому что диффузные электронные облака лучше подходят для инициирования потока электронов.
  • Диполярофилы с высокой угловой деформацией более реактивны из-за повышенной энергии основного состояния.
  • Увеличение стерических затруднений в переходном состоянии из-за беспрепятственного реагирования резко снижает скорость реакции.
  • Гетеродиполярофилы  добавляют медленнее, если вообще добавляют, по сравнению с C, C-диаполярофилами из-за меньшего прироста энергии сигма-связи, чтобы компенсировать потерю пи-связи во время переходного состояния.
  • Изомерия диполярофила влияет на скорость реакции из-за стерических факторов. транс- изомеры более реакционноспособны ( транс- стильбен будет добавлять дифенил (нитрилимид) в 27 раз быстрее, чем цис- стильбен), потому что во время реакции валентный угол 120 ° сжимается до 109 °, перемещая затмевающие цис- заместители друг к другу для увеличения стерическое столкновение.

Стереоспецифичность

1,3-диполярные циклоприсоединения обычно приводят к сохранению конфигурации как по 1,3-диполю, так и по диполярофилу. Такая высокая степень стереоспецифичности является сильным аргументом в пользу согласованных ступенчатых механизмов реакции. Как упоминалось ранее, многие примеры показывают, что реакции были ступенчатыми, таким образом, проявляя частичную стереоспецифичность или ее отсутствие.

Что касается диполярофила

Цис- заместители в диполярофильном алкене в конечном итоге превращаются в цис , а транс- заместители в конечном итоге превращаются в транс в образующемся пятичленном циклическом соединении (см. схему ниже).

Что касается диполя

Как правило, стереохимия диполя не вызывает большого беспокойства, потому что только несколько диполей могут образовывать стереогенные центры , а резонансные структуры допускают вращение связей, которое искажает стереохимию. Однако изучение азометин-илидов подтвердило, что циклоприсоединение также стереоспецифично по отношению к дипольному компоненту. диастереоизомер азометиновых илидов генерируются электроциклическим раскрытием кольца из азиридинов , а затем быстро в ловушке с сильными диполярофилами перед вращением связи могут иметь место (см схему ниже).  Если используются более слабые диполярофилы, связи в диполе могут вращаться, что приводит к нарушению стереоспецифичности циклоприсоединения.

Эти результаты в целом подтверждают, что 1,3-диполярное циклоприсоединение является стереоспецифическим, обеспечивая сохранение как 1,3-диполя, так и диполярофила.

Диастереоселективность

Когда во время реакции образуются два или более стереоцентра, могут быть получены диастереомерные переходные состояния и продукты. В циклоприсоединения Дильса-Альдера, то эндо Диастереоселективность за счет вторичных орбитальных взаимодействий обычно наблюдается. Однако в 1,3-диполярном циклоприсоединении на диастереоселективность влияют две силы: притягивающее π-взаимодействие (напоминающее вторичные орбитальные взаимодействия в циклоприсоединении Дильса-Альдера) и отталкивающее стерическое взаимодействие. К сожалению, эти две силы часто нейтрализуют друг друга, вызывая плохой диастереоселектив в 1,3-диполярном циклоприсоединении.

Примеры контролируемых субстратом диастереоселективных 1,3-диполярных циклоприсоединений показаны ниже. Во-первых, это реакция между N-бензилидом бензонитрила и метилакрилатом . В переходном состоянии группы фенила и сложного метилового эфира складываются в стопку, давая цис- замещение в качестве единственного конечного пирролинового продукта. Это благоприятное π-взаимодействие компенсирует стерическое отталкивание между фенильной и метилэфирной группами.  Во-вторых, это реакция между нитроном и дигидрофураном . Экзо Селективность достигается минимизировать пространственное отталкивание. Последней является реакция внутримолекулярного азометин-илида с алкеном. Диастереоселективность контролируется образованием менее напряженным цис - конденсированный кольцевой системы

Направленное 1,3-диполярное циклоприсоединение

Траекторию циклоприсоединения можно контролировать для достижения диастереоселективной реакции. Например, металлы могут образовывать хелаты с диполярофилом и входящим диполем и избирательно направлять циклоприсоединение на одной стороне. В приведенном ниже примере показано добавление оксида нитрила к энантиомерно чистому аллиловому спирту в присутствии иона магния. Наиболее стабильная конформация алкена помещает гидроксильную группу выше плоскости алкена. Затем магний хелатирует с гидроксильной группой и атомом кислорода нитрилоксида. Таким образом, циклоприсоединение происходит избирательно с верхней стороны. 

Такое диастереонаправление применялось при синтезе эпотилонов

Стерический эффект

Стерические эффекты могут либо взаимодействовать, либо конкурировать с вышеупомянутыми электронными эффектами. Иногда стерические эффекты полностью перевешивают электронные предпочтения, отдавая исключительно противоположный региоизомер.

Например, как правило , диазометано добавляет к метилакрилату с получением 3-карбоксильная пиразолин. Однако, предъявляя к системе больше стерических требований, мы начинаем наблюдать изомерные 4-карбоксилпиразолины. Соотношение этих двух региоизомеров зависит от стерических требований. В крайнем случае, увеличение размера от водорода до трет-бутила сдвигает региоселективность со 100% -ного 3-карбоксильного замещения 100% -ного 4-карбоксильного замещения.

Региоселективность

Для асимметричных диполь-диполярофильных пар возможны два региоизомерных продукта. Как электронные / стереоэлектронные, так и стерические факторы вносят вклад в региоселективность 1,3-диполярных циклоприсоединений. 

Электронный / стереоэлектронный эффект

Доминирующее электронное взаимодействие - это комбинация наибольшего HOMO и наибольшего LUMO. Следовательно, региоселективность определяется атомами с наибольшими орбитальными коэффициентами HOMO и LUMO.

Например, рассмотрим циклоприсоединение диазометана к трем диполярофилам: метилакрилату , стиролу или метилциннамату . Углерод диазометана несет наибольшую НЗМО, в то время как концевые олефиновые атомы углерода метилакрилата и стирола несут наибольшую НЗМО. Следовательно, циклоприсоединение региоселективно дает замещение в положении C-3. В случае метилциннамата два заместителя (Ph против COOMe) конкурируют за отрыв электронов от алкена. Карбоксил является лучшей электроноакцепторной группой, что делает β-углерод наиболее электрофильным. Таким образом, циклоприсоединение дает карбоксильную группу на С-3 и фенильную группу на С-4 региоселективно.

Диазоалканом 1,3-диполярное циклоприсоединение является 1,3-диполярное циклоприсоединением (органическая реакция) между 1,3-дипольным диазо соединением ( в частности , диазометан ) и dipolarophile . Когда диполярфил представляет собой алкен , продукт реакции представляет собой пиразолин . [

Продуктом реакции циклоприсоединения между диазометаном и транс-диэтилглутаконатом является 1-пиразолин. Эта реакция на 100% региоселективна, поскольку диазоконцевой атом азота связывается исключительно с альфа-углеродом сложного эфира . Реакция также является син-присоединением , и конфигурация диполярофила сохраняется. 1-пиразолин нестабилен и изомеризуется в 2-пиразолин из-за благоприятного конъюгирования с сложноэфирной группой.

При использовании диазо (фенил) метана в качестве реагента региоселективность меняется на противоположную, и реакция расширяется еще больше за счет простого окисления 2-пиразолина воздухом органическими соединениями до пиразола .
скачати

© Усі права захищені
написати до нас