Diels-Alder-reaktionen: definition, mekanisme og anvendelser
Diels-Alder-reaktionen: definition, mekanisme og anvendelser – lær om cyclohexen-syntese, katalyse med Lewis-syrer, retro-Diels–Alder og industrielle/analysemæssige anvendelser.
Diels-Alder-reaktionen (DA) er en kemisk reaktion mellem organiske forbindelser. Reaktionen får forbindelserne til at danne en ny sekssidet forbindelse. Dette kaldes en cyclohexen. En konjugeret dien forbindes med en alken for at danne cyclohexen. Denne forbindelse ligner en ring.
Denne reaktion blev opdaget af Otto Diels og Kurt Alder i 1928. I 1950 fik de Nobelprisen i kemi for deres arbejde med denne reaktion. DA-reaktionen er meget nyttig, da den betyder, at cyclohexener kan fremstilles med meget lidt energi. Cyclohexener bruges til at fremstille komplekse organiske molekyler. En af de første anvendelser af DA-reaktionen var til fremstilling af insekticider.
Mekanisme og grundprincipper
Diels-Alder er en concerted pericyklisk [4+2]-cykloaddition: fire pi-elektroner fra dienen og to pi-elektroner fra dienofilen danner samtidig to nye sigma-bindinger og en ny pi-binding i ringproduktet. Reaktionen er termisk tilladt ifølge Woodward–Hoffmann-reglerne og foregår typisk uden frie radikaler eller ioniske mellemprodukter.
Vigtige punkter:
- Dienen skal kunne antage en s-cis-konformation for at reagere — derved kan de fire sammenhængende pi-elektroner deltage i pericyklisk overgangstilstand.
- Reaktionen er ofte stereospecifik: substituenternes cis/trans-forhold i udgangsmaterialerne bevares i produktet.
- Regioselektivitet bestemmes af elektroniske effekter (EDG på dienen og EWG på dienofilen leder ofte til en bestemt orientering) og steriske forhold.
- Endo/Exo-selektivitet: ved mange systemer er endo-produktet kinetisk favoriseret (”endo-regel”) på grund af sekundære orbitalinteraktioner, selvom exo-produktet nogle gange kan være termodynamisk mere stabilt.
Elektroniske effekter og varianter
Den klassiske DA-reaktion er normal elektronkrav: en elektronrig dien reagerer med en elektronfattig dienofil (typisk med electron-withdrawing groups som -COOR, -CN, -CHO). Der findes også invers elektronkrav DA-reaktioner, hvor en elektronfattig dien reagerer med en elektronrig dienofil.
Der findes desuden hetero-Diels–Alder-reaktioner, hvor et eller flere af de involverede atomer i ringen er heteroatomer (f.eks. nitrogen eller oxygen). Disse giver direkte adgang til seksledede heterocykliske ringe.
Stereokemi og regiokontrol
DA-reaktionen overfører stereokemien fra reaktanter til produkt: cis-dobbeltbindinger i dienofilen fører til cis-substituenter i produktet. Regiokontrol kan forudsiges ved at kigge på HOMO(dien) og LUMO(dienofil) og deres relative faser — den mest favorable overlapning fører til det dominerende regioisomer.
Katalyse og betingelser
Lewis-syrer (AlCl3, ZnCl2 og andre) fungerer som katalysatorer for reaktionen. Ved at koordinere til dienofilen sænkes dens LUMO, hvilket øger reaktionshastigheden og ofte forbedrer regiokontrol og stereoselektivitet. Moderne varianter anvender også chirale Lewis-syrer eller organokatalysatorer til enantioselektiv Diels–Alder.
Andre praktiske betingelser:
- Temperatur: mange reaktioner går ved moderate temperaturer, men nogle kræver opvarmning eller kan køres ved lave temperaturer for øget stereokontrol.
- Opløsningsmiddel: polære opløsningsmidler kan påvirke reaktionshastighed; nogle reaktioner foregår godt i vand (”on-water”-effekter kan accelerere reaktionen).
- Atomøkonomi: DA-reaktionen er ofte atomøkonomisk (ingen små biprodukter), hvilket gør den attraktiv i grøn kemi.
Retro-Diels–Alder og anvendelse i analyse
Nogle DA-produkter kan under varme eller ved fragmentation i masseanalyse gennemgå den omvendte proces, kaldet retro-Diels-Alder. Disse fragmenter ses ofte i massespektrometri og bruges til strukturdiagnose.
Anvendelser
DA-reaktionen er et af de mest anvendte værktøjer i organisk syntese på grund af sin evne til hurtigt at bygge seksledede ringstrukturer med høj selektivitet. Centrale anvendelser:
- Syntese af naturlige produkter og komplekse lægemiddelkandidater — bygger rammer og stereocentre effektivt.
- Fremstilling af monomerer og polyre i materialekemi.
- Industrielle processer, historisk bl.a. til insekticider og andre specialkemikalier.
- Retrosyntetisk værktøj: mange komplekse cyclohexanstrukturer kan tænkes tilbage til simple diene og dienofiler gennem en Diels–Alder-disconnection.
Praktiske eksempler og tips
- Et klassisk eksempel er reaktionen mellem cyclopentadien og maleinsyreanhydrid (maleic anhydride) som giver et veldefineret addukt under milde betingelser — dette bruges ofte som modelreaktion i undervisning og forskning.
- Sørg for at dienen kan adoptere s-cis-konformation; hvis den er låst i s-trans, vil reaktionen ikke finde sted uden konformationsændring.
- Indfør elektrontræk- eller donorgrupper på passende steder for at styre reaktionens hastighed og regioselektivitet.
Afsluttende bemærkninger
Nogle kemikere kalder Diels-Alder-reaktionen for "Mona Lisa" blandt organiske reaktioner. Ligesom det enkle smil på maleriet kan reaktionen være langt mere kompleks, end kemikerne hidtil har opdaget. Kombinationen af høj atomøkonomi, stereokontrol og brede anvendelsesmuligheder gør den fortsat central i moderne organisk kemi.
Spørgsmål og svar
Spørgsmål: Hvad er Diels-Alder-reaktionen?
A: Diels-Alder-reaktionen (DA) er en kemisk reaktion mellem organiske forbindelser, som får dem til at danne en ny sekssidet forbindelse kaldet en cyclohexen.
Spørgsmål: Hvem opdagede DA-reaktionen?
Svar: DA-reaktionen blev opdaget af Otto Diels og Kurt Alder i 1928.
Spørgsmål: Hvad fik de for deres arbejde med denne reaktion?
Svar: I 1950 fik de Nobelprisen i kemi for deres arbejde med denne reaktion.
Spørgsmål: Hvad bruges cyclohexener til?
Svar: Cyclohexener bruges til at fremstille komplekse organiske molekyler. En af de første anvendelser af DA-reaktionen var til fremstilling af insekticider.
Spørgsmål: Hvordan skaber en DA-reaktion en sekskantet ringformet forbindelse?
Svar: En forbindelse med to dobbeltbindinger, der er et kulstofatom fra hinanden, forbindes med en anden forbindelse med mindst én dobbeltbinding, hvorved der dannes en sekskantet ringformet forbindelse.
Sp: Er nogle DA-reaktioner reversible?
Svar: Ja, nogle af DA-reaktionerne er reversible, og opbrydningen af det cykliske system under denne proces kaldes retro-Diels-Alder.
Spørgsmål: Hvilke katalysatorer kan anvendes til at fremskynde DA-reaktionen?
Svar: Lewis-syrer som AlCl3 og ZnCl2 kan fungere som katalysatorer for at fremskynde DA-reaktionen.
Søge