Elektrocykliske reaktioner: definition, mekanisme og Woodward–Hoffmann-regler
Klar og dyb guide til elektrocykliske reaktioner: mekanismer, foto/termiske forløb, torquoselektivitet og Woodward–Hoffmann-regler med eksempler som Nazarov-cyklisering.
I organisk kemi er en elektrocyklisk reaktion en type pericyklisk omlægningsreaktion. Reaktionen er elektrocyklisk, hvis resultatet er, at en pi-binding bliver til en sigma-binding eller en sigma-binding bliver til en pi-binding. Elektrocykliske reaktioner kendetegnes ved samtidig dannelse eller brydning af en række bindinger i en cyklisk, sammenhængende overgangstilstand, uden at der dannes frie radikaler eller ioner som hovedtrin. Disse reaktioner er stereospecifikke og følger regler for bevarelse af molekylorbitalernes symmetri.
- elektrocykliske reaktioner drives af lys (fotoinduceret) eller varme (termisk)
- reaktionsmåden bestemmes af antallet af pi-elektroner i den del, der har flest pi-bindinger
- en elektrocyklisk reaktion kan lukke en ring (elektrocyklisering) eller åbne en ring
- stereospecifiteten bestemmes af en konrotatorisk eller disrotatorisk overgangstilstandsdannelse som forudsagt af Woodward-Hoffmann-reglerne.
Mekanisme og orbital-synkronisering
Den enkle måde at forudsige, hvilken rotationsmode (konrotatorisk eller disrotatorisk) en elektrocyklisk reaktion følger, er via Woodward–Hoffmann-reglerne, som bygger på bevarelse af molekylorbitalernes symmetri under reaktionen. Kort sagt:
- Termisk: systemer med 4n pi-elektroner (n = 1, 2, ...) går typisk via konrotatorisk overgangstilstand; systemer med 4n+2 pi-elektroner går via disrotatorisk.
- Fotokemisk: reglen omvendes — 4n systemer følger disrotatorisk og 4n+2 systemer følger konrotatorisk.
Denne opførsel kan forklares ved grænse-orbitalmetoden (frontier molecular orbital, FMO): reaktionens stereokemi bestemmes af symmetrien af den højest besatte molekylære orbital (HOMO) i det relevante elektroniske tilstand (grundtilstand for termiske reaktioner, eksiteret tilstand for fotokemiske). Overgangstilstanden dannes på en måde, så de nye eller brudte p-orbitaler kan matche fasen i HOMO og dermed give en stabil, bindingsdannende interaktion.
Woodward–Hoffmann-reglerne og korrelation
Woodward-Hoffmann-reglerne er en formel måde at udlede de ovennævnte tendenser på ved at bruge korrelationsdiagrammer eller ved at anvende begrebet Hückel- og Möbius-type overgangstilstandaromaticitet. Reglerne opsummerer, at orbitaliære symmetrier bevares gennem en kontinuert, pericyklisk omlejring — hvis en bevarende korrelation kræver en ændring i fase, vil den proces være symmetrisk forbudt eller have høj aktiveringsenergi og vil derfor ikke observeres under de givne forhold.
Torquoselektivitet
Torquoselektiviteten i en elektrocyklisk reaktion henviser til den retning, som substituenterne roterer. F.eks. kan substituenterne i en reaktion, der er konrotatorisk, stadig rotere i to retninger. Det giver en blanding af to produkter, der er spejlbilledet af hinanden (enantiomeriske produkter). En reaktion, der er torquoselektiv, begrænser en af disse rotationsretninger (delvist eller fuldstændigt) for at fremstille et produkt i enantiomeroverskud (hvor den ene stereoisomer fremstilles i langt højere grad end den anden).
Torquoselektivitet påvirkes af substituenternes elektroniske egenskaber, steriske krav, tilstedeværelse af koordinerende metaller eller syrer og sekundære orbitalinteraktioner. I praksis bruges chirale auxiliærer, asymmetriske katalysatorer eller strategisk placering af elektrondonor-/acceptor-grupper til at styre torquoen og opnå høj enantioselektivitet.
Eksempler og eksperimentelt bevis
Kemikere er interesserede i elektrocykliske reaktioner, fordi molekylernes geometri bekræfter en række forudsigelser, som teoretiske kemikere har lavet. De bekræfter bevarelsen af den molekylære orbitalsymmetri, og eksperimenter med stereospecifikke substrater giver ofte entydige resultater, der matcher Woodward–Hoffmann-forudsigelserne.
Nazarov-cykliseringsreaktionen er en elektrocyklisk reaktion, der lukker en ring. Den omdanner divinylketoner til cyclopentenoner. (Den blev opdaget af Ivan Nikolaevich Nazarov (1906-1957).) Typisk aktiveres Nazarov-cykliseringen under sure forhold eller ved Lewis-syrer, som fremmer dannelsen af en elektron-underskudende mellemtilstand og dermed faciliterer den konrotatoriske 4π-elektrocyklisering, som leder til cyclopentenonproduktet.
Et klassisk og illustrativt eksempel er den termiske ringåbningsreaktion af 3,4-dimethylcyclobuten. Cis-isomeren giver kun cis,trans-2,4-hexadien. Men trans-isomeren giver trans,trans-dien:
Grænse-orbitalmetoden forklarer, hvordan denne reaktion fungerer. Sigma-bindingen i reaktanten åbnes på en sådan måde, at de resulterende p-orbitaler har samme symmetri som den højest besatte molekylære orbital (HOMO) i produktet (et butadien). Dette kan kun ske ved en konrotatorisk ringåbning, der resulterer i modsat fortegn for de to lober i de knækkede ender af ringen. (En disrotatorisk ringåbning ville danne en antibinding.) Følgende diagram viser dette:
Resultatets stereospecificitet afhænger af, om reaktionen foregår gennem en konrotatorisk eller disrotatorisk proces. I mange tilfælde kan man forudsige produktets relative konfiguration direkte fra reaktionsmoden uden at kende alle detaljer om overgangstilstanden, fordi orbitalfasen dikterer rotationen.
Anvendelse i syntese
Elektrocykliske reaktioner bruges hyppigt i syntetisk organisk kemi til opbygning af cykliske strukturer med veldefineret stereokemi, især når hurtig ringdannelse eller ringomlejring ønskes. Kombinationer af elektrocykliske trin med andre pericykliske reaktioner (f.eks. Diels–Alder) er almindelige i totalsyntese af komplekse naturlige produkter. Kontrol af torquoselektivitet og anvendelse af fotokemiske forhold udvider desuden værktøjskassen for selektiv syntese.
Opsummering
- Elektrocykliske reaktioner er pericykliske omlægninger, der omdanner pi- til sigma-bindinger eller omvendt.
- Termisk vs. fotokemisk aktivering ændrer den tilladte rotationsmode (konrotatorisk vs. disrotatorisk) afhængigt af antallet af pi-elektroner (4n vs. 4n+2) som forudsagt af Woodward-Hoffmann-reglerne.
- Torquoselektivitet og substituenteffekter kan give høj stereokontrol og er vigtige i syntetisk anvendelse.
- Eksempler som dimethylcyclobutene og Nazarov-cykliseringen illustrerer principperne i praksis.
Woodward-Hoffman-regler
Woodward-Hoffmann-reglerne omhandler bevarelse af orbitalsymmetri i elektrocykliske reaktioner.
Korrelationsdiagrammer forbinder reaktantens molekylorbitaler med produktets molekylorbitaler med samme symmetri. Der kan tegnes korrelationsdiagrammer for de to processer.
Disse korrelationsdiagrammer viser, at kun en konrotatorisk ringåbning af 3,4-dimethylcyclobuten er "symmetrisk tilladt", mens kun en disrotatorisk ringåbning af 5,6-dimethylcyclohexa-1,3-dien er "symmetrisk tilladt". Dette skyldes, at kun i disse tilfælde vil der forekomme maksimal orbitaloverlapning i overgangstilstanden. Desuden vil det dannede produkt være i grundtilstand og ikke i en exciteret tilstand.
Grænseorienteret molekylær orbitalteori
Frontier Molecular Orbital Theory forudsiger, at sigma-bindingen i ringen vil åbne sig på en sådan måde, at de resulterende p-orbitaler vil have den samme symmetri som produktets HOMO.
Ovenstående diagram viser to eksempler. For 5,6-dimethylcyclohexa-1,3-dien (øverste række i diagrammet) ville kun en disrotatorisk tilstand resultere i p-orbitaler med samme symmetri som HOMO for hexatrien. De to p-orbitaler roterer i modsatte retninger. For 3,4-dimethylcyclobuten (nederste række i diagrammet) ville kun en konrotatorisk tilstand resultere i p-orbitaler med samme symmetri som butadienets HOMO. P-oribalerne roterer i samme retning.
Elektrocykliseringer i exciteret tilstand
Lys kan flytte en elektron op til en exciteret tilstand, der besætter en højere orbital. Den exciterede elektron vil indtage LUMO-området, som har et højere energiniveau end elektronens gamle orbital. Hvis lys åbner ringen af 3,4-dimethylcyclobuten, vil den resulterende elektrocyklisering ske ved en disrotatorisk tilstand i stedet for en konrotatorisk tilstand. Korrelationsdiagrammet for den tilladte ringåbningsreaktion i den tilladte exciterede tilstand viser hvorfor:
Kun en disrotatorisk tilstand, hvor symmetri omkring et refleksionsplan opretholdes under hele reaktionen, ville resultere i maksimal orbitaloverlapning i overgangstilstanden. Dette ville også igen resultere i dannelsen af et produkt, der befinder sig i en exciteret tilstand med en stabilitet, der er sammenlignelig med den exciterede tilstand i den reagerende forbindelse.
Elektrocykliske reaktioner i biologiske systemer
Elektrocykliske reaktioner forekommer hyppigt i naturen. En af de mest almindelige reaktioner af denne art i naturen er biosyntesen af vitamin D3.
Det første trin indebærer, at lys åbner ringen af 7-dehydrocholesterol for at danne præ-vitamin D3. Dette er en fotokemisk induceret konrotatorisk elektrocyklisk reaktion. Det andet trin er et [1,7]-hydridskifte til fremstilling af vitamin D3.
Et andet eksempel er den foreslåede biosyntese af aranotin, et oxepin, der findes i naturen, og dets beslægtede forbindelser.
Phenylalanin anvendes til fremstilling af diketopiperazin (ikke vist). Derefter epoxiderer enzymer diketopiperazin for at fremstille arenoxid. Dette gennemgår en 6π disrotatorisk ringåbningselektrocykliseringsreaktion for at fremstille det ucykliserede oxepin. Efter endnu en epoxidering af ringen angriber det nærliggende nukleofile nitrogen det elektrofilt kulstof, hvorved der dannes en femledet ring. Det resulterende ringsystem er et almindeligt ringsystem, der findes i aranotin og beslægtede forbindelser.
Benzonorcaradien-diterpenoidet (A) blev omdannet til benzocycloheptatrien-diterpenoidet isosalvipuberlin (B) ved kogning af en methylenchloridopløsning. Denne omdannelse kan opfattes som en disrotatorisk elektrocyklisk reaktion efterfulgt af to suprafaciale 1,5-sigmatropiske hydrogenforskydninger, som vist nedenfor:
Anvendelsesområde
Et eksempel på en elektrocyklisk reaktion er den konrotatoriske termiske ringåbning af benzocyclobutan. Reaktionsproduktet er et meget ustabilt ortho-chinodimethan. Dette molekyle kan indfanges i en endoaddition med en stærk dienofil, f.eks. maleinsyreanhydrid, til Diels-Alder-adduktet. Det kemiske udbytte af ringåbningen af benzocyclobutan, der er vist i skema 2, afhænger af substituenten R's art. Med et reaktionsopløsningsmiddel som toluen og en reaktionstemperatur på 110 °C stiger udbyttet fra methyl til isobutylmethyl til trimethylsilylmethyl. Den øgede reaktionshastighed for trimethylsilylforbindelsen kan forklares ved hyperkonjugering af silicium, da βC-Si-bindingen svækker cyclobutan-C-C-bindingen ved at afgive elektroner.
En biomimetisk elektrocyklisk kaskadereaktion blev opdaget i forbindelse med isolering og syntese af visse endiandriske syrer:
Spørgsmål og svar
Q: Hvad er en elektrocyklisk reaktion?
A: En elektrocyklisk reaktion er en type pericyklisk omlægningsreaktion, hvor resultatet er, at en pi-binding bliver til en sigma-binding eller en sigma-binding bliver til en pi-binding.
Sp: Hvordan drives elektrocykliske reaktioner?
Svar: Elektrocykliske reaktioner drives af lys (fotoinduceret) eller varme (termisk).
Spørgsmål: Hvordan påvirker antallet af pi-elektroner en elektrocyklisk reaktion?
Svar: Antallet af pi-elektroner påvirker reaktionsmåden i en elektrocyklisk reaktion.
Spørgsmål: Hvad sker der under en elektrocykliseringsproces?
Svar: Under en elektrocykliseringsproces kan en ring lukkes.
Spørgsmål: Hvad bestemmer stereospecifiteten i en elektrocyklisk reaktion?
Svar: Stereospecifiteten i en elektrocyklisk reaktion bestemmes af en konrotatorisk eller disrotatorisk dannelse af en overgangstilstand som forudsagt af Woodward-Hoffmann-reglerne.
Sp: Hvad er torquoselektivitet i forbindelse med en elektrocyklisk reaktion?
Svar: Torquoselektivitet henviser til den retning, som substituenterne roterer under en elektrocyklisk reaktion, som kan give enantiomerprodukter, hvis den forløber gennem en konrotatorisk proces, og et enantiomeroverskud, hvis den forløber gennem en torquoselektiv proces.
Spørgsmål: Hvilket eksempel illustrerer, hvordan frontier-orbitalmetoden forklarer, hvordan dette fungerer?
Svar: Den termiske ringåbningsreaktion af 3,4-dimethylcyclobuten er et eksempel, der illustrerer, hvordan frontier-orbitalmetoden forklarer, hvordan dette fungerer. Sigma-bindingen åbnes på en sådan måde, at de resulterende p-orbitaler har samme symmetri som den højest besatte molekylære orbital (HOMO) i produktet (et butadien). Dette sker kun ved konrotatorisk ringåbning, som resulterer i modsat fortegn for de to lober ved ringens knækkede ender, mens disrotatorisk ville danne en antibinding.
Søge