Cheletropiske reaktioner: Definition, mekanisme og eksempler

Teoretisk analyse

På grund af geometrien af de molekyler, der er involveret i cheletropiske reaktioner, bekræfter de en række forudsigelser fra teoretiske kemikere. Cheletropiske reaktioner bekræfter bevarelsen af molekylær orbital symmetri.

I den pericykliske overgangstilstand afgiver et lille molekyle to elektroner til ringen. Der er to mulige geometrier, der kan forklare reaktionen. Det lille molekyle kan nærme sig enten lineært eller ikke-lineært. I den lineære tilgang er elektronerne i det lille molekyls orbital rettet direkte mod π-systemet i det store molekyle. I den ikke-lineære tilgang nærmer orbitalen sig i en lidt skæv vinkel. π-systemets evne til at rotere, når det lille molekyle nærmer sig, er afgørende for dannelsen af nye bindinger. Rotationsretningen vil være forskellig, afhængigt af hvor mange π-elektroner der er i systemet. Nedenfor er vist et diagram af et fragment med to elektroner, der nærmer sig et π-system med fire elektroner ved hjælp af grænsemolekylære orbitaler. Rotationen vil være disrotatorisk, hvis det lille molekyle nærmer sig lineært, og konrotatorisk, hvis molekylet nærmer sig ikke-lineært. Disrotatorisk og konrotatorisk fortæller, hvordan bindingerne i π-systemet roterer. Disrotatorisk betyder modsatrettede, mens konrotatorisk betyder samme retning. Dette er også vist i nedenstående diagram.

Ved hjælp af Huckels regel kan man se, om π-systemet er aromatisk eller antiaromatisk. Hvis det er aromatisk, anvender lineære metoder en disrotatorisk bevægelse, mens ikke-lineære metoder anvender en konrotatorisk bevægelse. Det modsatte gælder for et antiaromatisk system. Ved lineære metoder vil man anvende konrotatorisk bevægelse, mens ikke-lineære metoder vil anvende disrotatorisk bevægelse.

Cheletropiske reaktioner med SO2

Termodynamik

Når svovldioxid reagerer med butadien og isopren, opstår der to forskellige produkter. Reaktionsmekanismen bestemmer, hvad der bliver dannet. Et kinetisk produkt og et termodynamisk produkt er begge mulige. Der dannes mere af det termodynamiske produkt end af det kinetiske produkt. Det kinetiske produkt kommer fra en Diels-Alder-reaktion, mens en cheletropisk reaktion giver et mere termodynamisk stabilt produkt. Den cheletropiske reaktion anvendes mere, fordi den giver et mere stabilt femleddet ringaddukt. Skemaet nedenfor viser forskellen mellem de to produkter. Vejen til venstre viser det termodynamiske produkt, mens vejen til højre viser det kinetiske produkt. Suarez og Sordo viste dette i 1995. De viste det både med eksperimenter og ved hjælp af Gauss-beregninger.

Kinetik

Et eksempel herpå er de cheletrope reaktioner af 1,3-diener med svovldioxid. Kemikere har nøje undersøgt kinetikken for denne reaktion. I 1976 målte Isaacs og Laila de kenetiske faktorer for addition af svovldioxid til butadienderivater. Additionshastigheden blev overvåget i benzen ved 30 °C med et indledende tyve gange større overskud af dien. De brugte et spektrofotometer til at undersøge lys ved 320 nm for at måle SO₂ . Reaktionen viste en "pseudo første-ordenskinetik". Kemikerne fandt ud af, at elektronhævdende grupper på dienet nedsatte reaktionshastigheden. Reaktionshastigheden blev også i høj grad påvirket af steriske virkninger af 2-substituenter, idet mere voluminøse grupper øgede reaktionshastigheden. (Med andre ord, jo større gruppe af atomer, der hang fra det andet kulstofatom, jo hurtigere gik reaktionen). Forfatterne tilskriver dette den tendens, som voluminøse grupper har til at begunstige dienens cisoide konformation, som er afgørende for reaktionen (se tabellen nedenfor). Desuden blev hastighederne ved fire temperaturer målt for syv af dienerne. Ud fra disse målinger brugte kemikerne Arrhenius-ligningen til at beregne aktiveringsenthalpien (ΔH^‡ ) og aktiveringsentropien (ΔS^‡ ) for hver reaktion. Dette var et af de første vigtige forsøg på at studere kenetikken af en cheletropisk reaktion.

Monnat, Vogel og Sordo målte i 2002 kinetikken for addition af svovldioxid til 1,2-dimethylidenecycloalkaner. De skrev, at reaktionen af 1,2-dimethylidenecyclohexan med svovldioxid kan give to forskellige produkter afhængigt af reaktionsbetingelserne. Reaktionen giver det tilsvarende sultin gennem en hetero-Diels-Alder-reaktion under kinetisk kontrol (≤ -60 °C), men under termodynamisk kontrol (≥ -40 °C) giver reaktionen det tilsvarende sulfolen gennem en cheletropisk reaktion. Aktiveringsenthalpien for hetero-Diels-Alder-reaktionen er ca. 2 kcal/mol mindre end for den tilsvarende cheletropiske reaktion. Sulfolenet er ca. 10 kcal/mol mere stabilt end det isometriske sultin i CH₂ Cl /SO₂₂ opløsning.

Forfatterne var i stand til eksperimentelt at udarbejde en hastighedslov ved 261,2 K for reaktionen af 1,2-dimethylidencyclohexan med svovldioxid for at give den tilsvarende sulfolen. Reaktionen var af første orden i 1,2-dimethylidencyclohexan, men af anden orden i svovldioxid (se nedenfor). Dette bekræftede en forudsigelse fra teoretiske kemikere baseret på ab initio-kvanteberegninger på højt niveau. Ved hjælp af beregningsmetoder foreslog forfatterne en overgangsstruktur for den cheletrope reaktion af 1,2-dimethylidencyclohexan med svovldioxid (se figuren til højre). Reaktionen er af anden orden i svovldioxid, fordi et andet svovldioxidmolekyle sandsynligvis binder sig til overgangstilstanden for at hjælpe med at stabilisere den. Lignende resultater blev fundet i en undersøgelse fra 1995 af Suarez, Sordo og Sordo, som brugte ab initio-beregninger til at studere den kinetiske og termodynamiske kontrol af svovldioxidreaktionen med 1,3-diener.

d [ 3 ] d t = k 2 [ 1 ] [ S O 2 ] 2 {\displaystyle {\frac {\frac {d[3]}{dt}}}=k_{2}[1][SO_{2}]^{2}}}

Virkninger af opløsningsmidler

Effekten af opløsningsmidlet i den cheletropiske reaktion af 3,4-dimethyl-2,5-dihydrothiophen-1,1-dioxid (vist til højre) blev kinetisk undersøgt i 14 opløsningsmidler. Reaktionshastighedskonstanterne for den fremadrettede og den omvendte reaktion samt ligevægtskonstanterne viste sig at være lineært korreleret med E_T (30) polarisationsskalaen for opløsningsmidler.

Reaktionerne blev udført ved 120 °C og blev undersøgt ved 1H-NMR-spektroskopi af reaktionsblandingen. Det blev konstateret, at den fremadrettede hastighed k₁ faldt med en faktor 4,5 fra cyclohexan til methanol. Den omvendte hastighed k_-1 blev fundet at stige med en faktor 53 fra cyclohexan til methanol, mens ligevægtskonstanten K_eq faldt med en faktor 140. Det tyder på, at der sker en ændring af polariteten under aktiveringsprocessen, hvilket fremgår af forholdet mellem ligevægts- og kinetiske data. Forfatterne siger, at reaktionen synes at være påvirket af opløsningsmidlets polaritet, og at dette kan påvises ved ændringen i dipolmomenterne, når man går fra reaktant til overgangstilstand til produkt. Forfatterne anfører også, at den cheletrope reaktion ikke synes at blive påvirket af hverken opløsningsmidlets surhed eller basiskhed.

Resultaterne af denne undersøgelse får forfatterne til at forvente følgende adfærd:

1. Ændringen i opløsningsmidlets polaritet vil påvirke hastigheden mindre end ligevægten.

2. Hastighedskonstanterne vil være kendetegnet ved modsatrettet virkning på polariteten: k₁ vil falde en smule med stigningen af E_T (30), og k_-1 vil stige under de samme betingelser.

3. Virkningen på k_-1 vil være større end på k₁ .

Carbentilsætninger til alkener

En af de syntetisk vigtigste cheletropiske reaktioner er additionen af et singlet carbene til en alken for at fremstille et cyclopropan (se figuren til venstre). Et carbene er et neutralt molekyle, der indeholder et tosidigt kulstof med seks elektroner i sin valensskal. På grund af dette er carbener meget reaktive elektrofiler og dannes som mellemprodukter i reaktionen. Et singlet carbene indeholder en tom p-orbital og en ca. sp² hybridorbital, der har to elektroner. Singlet carbener adderer stereospecifikt til alkener, og alkenstereokemien bevares i cyclopropanproduktet. Mekanismen for addition af et carbene til et alken er en samordnet [2+1] cycloaddition (se figuren). Carbener fra chloroform eller bromoform kan anvendes til at tilføje CX₂ til et alken for at give et dihalocyclopropan, mens Simmons-Smith-reagenset tilføjer CH₂ .

Interaktion mellem den fyldte carbene-orbital og alkenens π-system skaber et system med fire elektroner og fremmer en ikke-lineær tilgang. Det er også gunstigt at blande carbenets tomme p-orbital med det fyldte alken π-orbital. En gunstig blanding sker ved en ikke-lineær fremgangsmåde (se figur 2 til højre). Selv om teorien klart favoriserer en ikke-lineær tilgang, er der imidlertid ingen åbenlyse eksperimentelle konsekvenser for en lineær vs. ikke-lineær tilgang.