Pericykliske reaktioner i organisk kemi: definition, typer og mekanismer

Lær pericykliske reaktioner: definition, typer (elektrocykliske, cycloadditioner, sigmatropiske), mekanismer og eksempler — essentiel guide til avanceret organisk kemi.

I organisk kemi er en pericyklisk reaktion en type kemisk reaktion mellem organiske forbindelser. I tilfælde af pericykliske reaktioner er molekylets overgangstilstand en ring (har en cyklisk geometri), og reaktionen forløber i en samordnet proces. Pericykliske reaktioner er normalt omlægningsreaktioner. De vigtigste grupper af pericykliske reaktioner er:

• Elektrocykliske reaktioner
• Cycloadditioner
• Sigmatropiske reaktioner
• Gruppetransferreaktioner
• Cheletropiske reaktioner
• Dyotrope reaktioner

Generelt er pericykliske reaktioner ligevægtsprocesser. Det er dog muligt at skubbe reaktionen i den ene retning, hvis produktet befinder sig på et betydeligt lavere energiniveau. Dette er at anvende Le Chateliers princip på en reaktion, der involverer et enkelt molekyle.

Mange pericykliske reaktioner har lignende trinvise radikale processer forbundet med dem. Kemikere er uenige om, hvorvidt nogle reaktioner er pericykliske reaktioner. Det er f.eks. ikke endeligt kendt, om [2+2]-cycloadditionsmekanismen er samordnet (eller om den kan afhænge af det reaktive system). Mange pericykliske reaktioner har lignende reaktioner, der er metalkatalyserede. Men disse metalkatalyserede reaktioner er heller ikke rigtig pericykliske. Metalkatalysatorerne stabiliserer reaktionsintermediaterne. Reaktionen er altså ikke koncertificeret, men snarere metalstabiliseret.

En stor fotoinduceret hydrogen-sigmatropisk forskydning blev udnyttet i en corrin-syntese udført af Albert Eschenmoser, der indeholdt et 16π-system.

På grund af princippet om mikroskopisk reversibilitet er der et parallelt sæt af "retro" pericykliske reaktioner, som udfører den omvendte reaktion.

Hvad kendetegner pericykliske reaktioner?

Pericykliske reaktioner er kendetegnet ved, at omlejring af elektronpar sker i én samordnet (concerted) bevægelse gennem en cyklisk overgangstilstand. Det betyder typisk:

• Ingen veldefinerede, isolerbare intermediater (ingen frie radikaler eller karbokationer i en ideel concerted proces).
• Overgangstilstanden har en cyklisk geometrisk og orbital overlap — ofte omtalt som en aromatisk eller antiaromatisk overgangstilstand afhængig af elektronantallet.
• Stereokemi og regiokontrol bestemmes af orbitalernes symmetri og deres faseforhold.

Woodward–Hoffmann-reglerne og orbitalsymmetri

De mest fundamentale principper for, om en pericyklisk reaktion kan forløbe direkte (samordnet) under termiske eller fotokemiske forhold, er beskrevet af Woodward–Hoffmann-reglerne. Reglerne bygger på bevaring af orbitalernes symmetri og kan opsummeres kort:

• Reaktionens tilladelighed bestemmes af antallet af involverede π-elektroner (ofte klassificeret som 4n eller 4n+2).
• For elektrocykliske processer: termisk og fotokemisk forløb giver ofte modsatte stereokemier. Generelt for elektrocykliske reaktioner: termiske reaktioner af 4n-systemer sker med conrotatory drejning, mens 4n+2-systemer sker med disrotatory; fotokemisk forløb er det modsatte.
• For sigmatropiske forskydninger afgør om et skift er suprafacial eller antarafacial, samt elektronantallet, om det er symmetry-allowed termisk eller fotokemisk.

Disse regler forklares bedst ved at betragte frontier molecular orbitals (HOMO/LUMO) og deres faser i overgangstilstanden: en tilladt pericyklisk reaktion har en kontinuerlig faseoverlap rundt i cyklussen.

Typer af pericykliske reaktioner og eksempler

• Cycloadditioner — fx Diels–Alder (en [4+2]-cycloaddition), som er et af de mest anvendte syntetiske værktøjer. [2+2]-cycloadditioner er ofte termisk forbudte men fotokemisk tilladte.
• Elektrocykliske reaktioner — ringlukninger og -åbninger af polyener, f.eks. hexatrien → cyklohexadien-type omlejring.
• Sigmatropiske reaktioner — forskydning af en σ-binding langs et π-system; klassiske eksempler er Cope- (1,5-sigmatropisk) og Claisen-rearrangementer (3,3-sigmatropisk).
• Gruppetransferreaktioner — fx ene-reaktionen, hvor en H-atom eller en gruppe overføres samtidig med bindingsdannelse.
• Cheletropiske reaktioner — en enkelt atom binder sig samtidig til to naboatomer i et π-system (fx addition af SO2 til enkelte diener).
• Dyotrope reaktioner — samtidig migration af to σ-bindinger i ét trin.

Mekanisme, stereokemi og overgangstilstand

Den ideelle pericykliske proces er concerted, hvilket betyder at alle bindinger brydes og dannes i et enkelt trin gennem en cyklisk overgangstilstand. Stereokemien ved produkterne kan derfor ofte forudsiges ud fra fasemønstret i de involverede molekylorbitaler:

• Suprafacial vs antarafacial: beskriver om en gruppe/binding migrerer over samme eller modsatte side af et π-system.
• Conrotatory vs disrotatory: relevant for elektrocykliske reaktioner, hvor enderne af et lineært π-system roterer i samme eller modsatte retninger.

Der findes dog tilfælde, hvor en tilsyneladende pericyklisk reaktion i virkeligheden forløber stepwise via radikale eller ioniske intermediater — især når reaktanternes struktur, temperatur eller katalysatorer favoriserer sådanne veje.

Termisk vs. fotokemisk kontrol

Om en given pericyklisk reaktion er allowed (symmetrisk tilladt) afhænger af elektronkonfigurationen i ground state eller i en eksiteret tilstand. Fotokemisk excitation ændrer besætningen af orbitaler og kan derfor gøre processer mulige, som termisk er forbudte, og omvendt. Et klassisk eksempel er [2+2]-cycloadditioner:

• Termisk: [2+2] cycloadditioner er ofte symmetry-forbudte (koncertificerede) og kræver ofte høj energi eller alternativ mekanisme.
• Fotokemisk: excitation kan gøre [2+2] tilladt, og mange [2+2] foregår derfor under fotokemiske forhold.

Metalkatalyse og afvigelser fra true pericyklik

Metalkatalysatorer kan koordinere til π-systemer og stabilisere intermediater, hvormed reaktionsforløbet ændres fra et concerted pericyklisk forløb til et stepwise, metalstabiliseret forløb. Sådanne katalyserede processer kan give lignende produkter, men de er ikke pericykliske i strengt teoretisk forstand, fordi orbitalsymmetriens bevarelse ikke længere er det styrende princip.

Praktisk betydning og anvendelser

Pericykliske reaktioner er uundværlige i organisk syntese, især fordi de ofte opbygger ringstrukturer og stereocentre effektivt og med høj selectivitet. Anvendelser omfatter:

• Totale synteser af naturstoffer (fx anvendelse af Diels–Alder og sigmatropiske omlejringer).
• Fremstilling af komplekse cykliske skeletter og funktionaliserede ringe.
• Materialekemi og fotokemi, hvor fotoinitierede pericykliske trin kan styre polymerisation eller fotoreaktioner.

Eksperimentelle tegn og undersøgelsesmetoder

Stereokemisk analyse af produkter, isotopmærkning, kinetiske målinger samt kemisk og fotokemisk kontrol bruges til at afgøre, om en reaktion er concerted pericyklisk eller foregår stepwise. Computationelle metoder (DFT) er også hyppigt anvendt til at undersøge overgangstilstandsgeometrier og orbitalfaser.

Opsummering

Pericykliske reaktioner er en gruppe af concerted omlejringsreaktioner med en karakteristisk cyklisk overgangstilstand og regler baseret på orbitalsymmetri (Woodward–Hoffmann). De omfatter elektrocykliske reaktioner, cycloadditioner, sigmatropiske forskydninger m.v. Termisk vs. fotokemisk kontrol, elektronantal (4n vs. 4n+2), og mulighed for metalkatalyserede alternative mekanismer er centrale faktorer for, hvordan en given reaktion forløber i praksis.

Spørgsmål og svar

Q: Hvad er en pericyklisk reaktion?

Sp: Hvad er nogle eksempler på pericykliske reaktioner?

Spørgsmål: Er pericykliske reaktioner ligevægtsprocesser?

Spørgsmål: Er nogle kemikere uenige om, hvorvidt visse typer kemiske reaktioner betragtes som pericykliske?

Spørgsmål: Bliver metalkatalyserede versioner af de samme typer kemiske reaktioner også betragtet som "pericykliske"?

Spørgsmål: Findes der et eksempel, hvor et stort fotoinduceret hydrogen-sigmatropisk skift er blevet udnyttet i corrinsyntese?

Spørgsmål: Findes der parallelle sæt til "retro" periycyclc reationer, der udfører omvendte handlinger?

Søg efter bogstav