[پیشرفته] فعل و انفعالات مداری ثانویه – دلیلی برای اینکه چرا محصولات اندو در واکنش دیلز-آلدر مورد پسند قرار می گیرند

در آخرین پست خود، اشاره کردیم که محصولات اندو در واکنش Diels-Alder به محصولات exo ترجیح داده می شوند. [ما همچنین یک قانون سریع و کثیف برای تشخیص تفاوت بین محصولات اندو و اگزو در Diels-Alder معرفی کردیم.]

بنابراین، چرا در واکنش دیلز-آلدر، محصولات اندو به طور کلی بر اگزو ترجیح داده می‌شوند؟ این چیزی است که ما امروز در مورد آن یاد خواهیم گرفت…

1. محصولات اندو تمایل دارند در Diels-Alder مورد پسند قرار گیرند، حتی اگر از نظر استریكی مانع هستند.

ترجیح endo در مقابل exo بسیار عجیب است زیرا به نظر می‌رسد که محصولات endo به طور کلی بیشتر مانع می‌شوند.

به عنوان مثال، در اینجا واکنش دیلز-آلدر سیکلوپنتادین با انیدرید مالئیک است. نسبت محصولات اندو به اگزو در این واکنش حدود چهار به یک است:

توجه داشته باشید که در محصول اندو بالا، انیدرید در قسمت زیرین حلقه شش عضوی جدید قرار دارد، در حالی که در exo، به سمت بیرون اشاره می‌کند. این در واقع کمتر از نظر استریکی مانع می شود.

[برای اینکه جلوتر برویم، این واقعیتی است که در پست بعدی با جزئیات بیشتر به آن خواهیم پرداخت: اکثر محصولات exo در واقع به دلایل کلی پایدارتر از محصولات endo هستند، اما محصول endo سریعتر شکل می‌گیرد. علاوه بر این، با توجه به گرمای کافی، محصول Diels-Alder می‌تواند به مواد اولیه بازگردد. خلاصه داستان: Diels-Alder نمونه دیگری از واکنشی است که می تواند تحت کنترل جنبشی یا ترمودینامیکی اجرا شود، که در آن “Endo” محصول جنبشی و “exo” محصول ترمودینامیکی است. ]

2. حالات گذار اندو و اگزو برای واکنش دیلز-آلدر بین سیکلوپنتادین و انیدرید مالئیک

پس چرا آندو معمولاً مورد علاقه است؟

در اینجا یک تلاش برای توضیح، با استفاده از “اثرات مداری ثانویه” [یادداشت 1] است. توضیحات مرتبط دیگر در پاورقی ها آمده است. [یادداشت 2].

آخرین پست ما مکانیسم واکنش دیلز-آلدر را از طریق برهمکنش های مداری بالاترین اوربیتال مولکولی اشغال شده (HOMO) دایین و پایین ترین اوربیتال مولکولی اشغال نشده (LUMO) دی انوفیل نشان داد.

هنگامی که برهمکنش های مداری در دو حالت گذار مختلف ترسیم می شوند، چیزی شبیه به این را می بینیم.

توجه داشته باشید که در حالت گذار درونی، گروه‌های الکترون‌کشنده به سمت دو کربنی که در نهایت آلکن C2-C3 را تشکیل می‌دهند، اشاره می‌کنند، در حالی که در حالت گذار exo، گروه‌های الکترون‌کشنده از آلکن C2-C3 دور می‌شوند:

3. یک جفت دیگر از حالت‌های گذار Endo و Exo Diels-Alder نشان می‌دهد که حالت گذار آندو EWG را روی Dienophile بر روی Diene قرار می‌دهد.

در اینجا مثال دیگری با (E,E)-2,4-hexadiene و acrolein آورده شده است. مجدداً، توجه داشته باشید که چگونه حالت گذار آندو، گروه خارج‌کننده الکترون را روی دین قرار می‌دهد:

در حالت گذار اندو، کربن‌هایی که به پیوند دوگانه C2–C3 تبدیل می‌شوند، درست زیر کربن کربونیل دی‌انوفیل قرار می‌گیرند.
در حالت گذار exo، گروه الکترون‌کشنده از کربن‌های C2–C3 دور می‌شود.
4. فعل و انفعالات مداری ثانویه در حالت گذار اندو ممکن است (اما نه در اگزو)

پس چی؟

به خودی خود، به نظر نمی‌رسد که این توضیحی در مورد اینکه چرا ممکن است حالت گذار endo ارائه دهد.

اگر فقط خودمان را به بررسی اوربیتال‌های مولکولی «اولیه» محدود کنیم – یعنی اوربیتال‌های مولکولی درگیر در تشکیل پیوند.

تفاوت اصلی زمانی رخ می‌دهد که دیدگاه خود را گسترش دهیم و به اوربیتال‌های مولکولی «ثانویه» دی‌ن و دی‌نوفیل نگاه کنیم که مستقیماً در تشکیل پیوند دخالت ندارند، اما ممکن است همچنان با یکدیگر تعامل داشته باشند.

در این دیدگاه، چیز خاصی در مورد حالت گذار درونی وجود دارد که در exo وجود ندارد.

از آنجایی که اوربیتال‌های C2-C3 دین HOMO نزدیک به اوربیتال‌های C=O دی‌انوفیل LUMO قرار دارند،  می‌توانند برهم‌کنش داشته باشند. در حالت گذار exo این امکان وجود ندارد.

این یک برهمکنش تشکیل دهنده پیوند نیست (که یک “برهمکنش مداری اولیه” خواهد بود)، اما با این وجود یک برهمکنش تثبیت کننده است. ما آن را “برهم کنش مداری ثانویه” می نامیم. [ما در اینجا درباره «هیپرهمزمان» ننوشته‌ایم، اما می‌توانید این تعامل را مشابه تصور کنید. اساساً، این تعامل بین یک اوربیتال اشغال شده با یک اوربیتال اشغال نشده است تا چیزی را که شما می توانید به عنوان یک “پیوند جزئی” بسیار ضعیف تصور کنید، تشکیل می دهد و تعامل کلی در حال تثبیت است].

این تعامل حالت گذار اندو را تا حدی تثبیت می کند که s را جبران می کند

مانع فضایی کمی بیشتر است.

این اوربیتال ها به شکل زیر هستند:

واقعا همین است. اگر می دانید چگونه HOMO کامل دین و LUMO کامل دینوفیل را ترسیم کنید، می توانید نحوه تعامل آنها را ترسیم کنید. [ما در این پست نحوه ترسیم اوربیتال های مولکولی pi را توضیح دادیم].

ما چند اوربیتال مولکولی برای این واکنش در یادداشت‌های پایانی ترسیم کرده‌ایم.

5. کنترل جنبشی و ترمودینامیکی واکنش توسکای دیلز

همانطور که در بالا اشاره شد، محصول اندو تمایل دارد محصول «سینتیک» باشد، یعنی محصولی که سریع‌ترین شکل را دارد. در شرایط واکنش معمولی در دمای نسبتاً پایین، توزیع محصول منعکس کننده تفاوت انرژی بین حالت‌های گذار اگزو و اندو است – که لزوماً همان تفاوت انرژی بین محصولات نیست!

اگر به اندازه کافی حرارت داده شود، محصولات Diels-Alder می توانند به مواد اولیه خود بازگردند و تعادلی بین واکنش دهنده ها و محصولات ایجاد می شود. تحت این شرایط، توزیع محصول تفاوت انرژی بین محصولات exo و endo را منعکس می‌کند (که به نفع exo است. )

در پست آینده به جزئیات بیشتر در مورد برگشت پذیری Diels-Alder (و کنترل جنبشی در مقابل ترمودینامیکی) خواهیم پرداخت.

یادداشت

انصافاً، در مورد اینکه آیا واقعاً اثرات مداری ثانویه وجود دارد یا خیر، بحث وجود دارد.

پیوست شماره 1 (پیشرفته): نمودار اوربیتال مولکولی برای برهمکنش های مداری ثانویه

در اینجا روش دیگری برای نگاه کردن به ترجیح endo نسبت به exo وجود دارد که همان نوع تعامل را شامل می شود. برهمکنش مداری ثانویه با یک خط چین قرمز در پایین سمت چپ مشخص شده است.

در حالت گذار اندو، می‌توانیم چگالی الکترونی از الکترون‌های موجود در HOMO دین به اوربیتال خالی C=O pi* در LUMO دی انوفیل داشته باشیم. در حالت گذار exo این امکان وجود ندارد.

از دیدگاه مداری مولکولی، می‌توانیم یک جفت الکترون در دین HOMO در سمت چپ و C=O LUMO در سمت راست رسم کنیم.

هر زمان که از یک اوربیتال اشغال شده به یک اوربیتال اشغال نشده اهدا می شود، انرژی کاهش می یابد.

اگر دو اوربیتال در حالت گذار با هم تعامل داشته باشند، می‌توانیم کاهش جزئی انرژی الکترون‌ها را تصور کنیم (همراه با افزایش متناظر در انرژی LUMO).

این کاهش جزئی انرژی مسئول ترجیح جزئی حالت گذار درونی است.

پیوست شماره 2 (پیشرفته) کاتالیز اسید لوئیس باعث افزایش انتخابی endo: exo

در اینجا بسط همین ایده است. شناخته شده است که اسیدهای لوئیس (مانند ZnCl2، TiCl4، SnCl4، و بسیاری دیگر) می توانند سرعت واکنش های Diels-Alder را تسریع کنند. همچنین می تواند endo : exo selectivity را افزایش دهد!

برای مثال، سرعت کاتالیزور اسید غیر لوئیس را در مقابل نسبت‌های کاتالیزشده با اسید لوئیس در این واکنش مقایسه کنید. [ارجاع]

اتفاقی که می افتد این است که LUMO پیوند C=O با هماهنگ شدن یک اسید لوئیس به کربونیل کاهش می یابد.

به دلایلی که توضیح نمی‌دهیم، تعامل بین اوربیتال‌ها با نزدیک‌تر شدن انرژی به یکدیگر تقویت می‌شود. بنابراین برهمکنش مداری ثانویه تقویت می شود و انرژی تثبیت بیشتری برای حالت گذار درونی به دست می آید.

این احتمالاً برای این سایت خیلی زیاد است، اما باید ادامه داد.

برای اطلاعات بیشتر، پیشنهاد می‌کنم اگر می‌توانید یادداشت‌های شیمی 206 دیو ایوانز را از هاروارد پیدا کنید. آنها عالی هستند.

(پیشرفته) مراجع و مطالعه بیشتر

یک ویژگی استریوشیمیایی مهم واکنش دیلز-آلدر توسط قانون اندو توسکا مورد توجه قرار گرفته است. این بر اساس مشاهدات تجربی است که اگر دو محصول ایزومر امکان پذیر باشد، محصولی که دارای یک جایگزین(های) غیراشباع روی آلکن است که به سمت پیوند دوگانه سیکلوهگزن تازه تشکیل شده است، محصول ارجح است. به دو حالت گذار جایگزین، حالت گذار درونی و بیرونی می گویند.

Untersuchungen über den Verlauf der Diensynthese
کرت آلدر، گرهارد استاین
آنژو. شیمی. 1937، 50 (28)، 510-519
DOI: 10.1002/ange.19370502804
اولین مقاله توسط آلدر که در حال حاضر به عنوان قانون اندو توسکا شناخته می شود. پس از یک پیش جهت گیری “ساندویچ مانند” از واکنش دهنده ها، دی انوفیل به گونه ای اضافه می شود که “حداکثر غلظت” پیوندهای دوگانه را در حالت گذار ایجاد کند. به گفته آلدر و استاین، این نه تنها شامل سیستم‌های p مستقیماً درگیر در واکنش می‌شود، بلکه سیستم‌های “لیگاندهای فعال” را نیز شامل می‌شود.
تسریع واکنش دیلز- توسکا توسط آلومینیوم کلرید
پیتر یتس و فیلیپ ایتون
مجله انجمن شیمی آمریکا 1960 82 (16)، 4436-4437
DOI: 10.1021/ja01501a085
کاتالیز اسید لوئیس واکنش های دیلز-آلدر
K. N. Houk و R. W. Strozier
مجله انجمن شیمی آمریکا 1973، 95 (12)، 4094-4096
DOI: 10.1021/ja00793a070
ساختارهای انتقالی واکنش دیلز-آلدر بوتادین با آکرولئین کاتالیز شده با اسید لوئیس. خاستگاه های گزینش پذیری
دیوید ام. بیرنی و کی. ان. هوک
مجله انجمن شیمی آمریکا 1990، 112 (11)، 4127-4133
DOI: 10.1021/ja00167a005
کمپلکس اسید لوئیس هر دو تی را برجسته می کنداثرات انرژی و اعوجاج مداری جایگزینی روی دی انوفیل، و افزایش واکنش پذیری و انتخاب پذیری دی انوفیل نسبت به ترکیب غیرکامپلکس. اثرات به خوبی توسط مطالعات محاسباتی بر روی ساختارهای حالت گذار مدل‌سازی شده‌اند. پروفسور K. N. Houk (اکنون در UCLA) امروزه به دلیل کارش در شیمی محاسباتی بسیار مورد توجه است.
آیا برهمکنش های مداری ثانویه واقعاً وجود دارند؟
خوزه آی. گارسیا، خوزه آ. مایورال و لوئیس سالواتلا
حساب های تحقیقات شیمیایی 2000، 33 (10)، 658-664
DOI: 10.1021/ar0000152
منبع قانون اندو در واکنش دیلز-آلدر: آیا تعاملات مداری ثانویه واقعاً ضروری هستند؟
خوزه ایگناسیو گارسیا، خوزه آنتونیو مایورال و لوئیس سالواتلا
J. Org. شیمی. 2005، 1، 85-90
DOI: 10.1002/ejoc.200400424
یکی از توضیحات پیشنهادی برای قانون آلدر اندو، فعل و انفعالات مداری ثانویه است، و بحث در مورد اینکه آیا این قانون واقعا وجود دارد یا خیر، وجود دارد.
واکنش های دیلز-آلدر II: مکانیسم واکنش
دکتر جی ساور
آنژو. شیمی. بین المللی اد. 1967، 6 (1)، 16-33
DOI: 10.1002/anie.196700161
حتی اگر این بررسی ممکن است بیش از 50 سال قدمت داشته باشد، هنوز حاوی اطلاعات بسیار مفیدی است، مانند تأثیر اسیدهای لوئیس بر انتخاب endo:exo.
حالات گذار اندو و اگزو در واکنش دیلز-آلدر
ویلیام سی. هرندون و لاول اچ. هال
چهار وجهی لت. 1967، 8 (32)، 3095-3100
DOI: 10.1016/S0040-4039(00)90922-5
یک مطالعه نظری بسیار اولیه در مورد حالت‌های گذار دیلز-آلدر، که استدلال‌های هندسی برای قانون اندو توسکا ارائه می‌کند.
نگاهی فراتر از قانون اندو در آزمایشگاه اکتشاف دیلز-آلدر
رونالد ام. جارت، جیمی نیو، ربکا هرلی و لورا گیلولی
مجله آموزش شیمی 1380، 78 (9)، 1262
DOI: 10.1021/ed078p1262
این مقاله از مجله آموزش شیمی نشان می دهد که چگونه قانون اندو توسکا را می توان در واکنش ساده دیلز-آلدر که توسط دانشجویان کارشناسی انجام می شود مشاهده کرد.
اولین واکنش عمومی کاتالیزوری انانتیو انتخابی دیل – توسکا با کتون های ساده α، β- غیراشباع
آلن بی نورتروپ و دیوید دبلیو سی مک میلان
مجله انجمن شیمی آمریکا 2002 124 (11)، 2458-2460
DOI: 10.1021/ja017641u
در این مقاله، گروه تحقیقاتی D. W. C. MacMillan به بررسی cycloaddition ها بین اتیل وینیل کتون، EtCOCH=CH2 و چندین دی ان ساده پرداختند. به عنوان یک قاعده، گزینش اندو خیلی بالا نبود. آنها استدلال کردند که فقیرتر کردن دی انوفیل باید گزینش پذیری (و سرعت واکنش و بازده) را بهبود بخشد و این ممکن است با تبدیل گروه کربونیل، C=O، به یک یون ایمینیم، C=NR2+، به دست آید. آنها همچنین استدلال کردند که تولید یون ایمینیم به صورت کاتالیزوری باید با ترکیب کتون با مقدار کمی اسید و مقدار کمی از یک آمین کایرال امکان پذیر باشد. این منطقه در حال حاضر به عنوان کاتالیزور ارگانیک شناخته می شود، و حجم عظیمی از کار در حال حاضر در این زمینه انجام می شود.
https://www.chem.wisc.edu/areas/reich/chem547/4-pericyclic%7B04%7D.htm
مرحوم هانس رایش (U. Wisconsin-Madison) وب سایتی پر از اطلاعات مفید در مورد شیمی آلی دارد، از جمله این صفحه در مورد واکنش Diels-Alder.