مکانیسم و ​​نمونه هایی از واکنش دیلز-آلدر رترو

در آخرین پست این مجموعه در مورد Diels-Alder [نگاه کنید به: Diels-Alder Reaction: Kinetic and Thermodynamic Control]، دیدیم که اگر حرارت کافی اعمال کنید،  Diels-Alder می تواند در هر دو جهت رو به جلو و معکوس عمل کند!

1. واکنش دیلز-آلدر “رترو” چیست؟

واکنش “رترو-دیلس توسکا” دقیقاً برعکس دیلز-آلدر است و از همان حالت گذار عبور می کند. (ما گاهی اوقات می گوییم که این عکس «میکروسکوپی» است – اگر بخواهید فیلمی از واکنش دیلز-آلدر را پخش کنید و سپس فیلم را معکوس کنید، از واکنش دیلز آلدر قابل تشخیص نیست).

در رایج‌ترین حالت، جایی که دیلز-آلدر معکوس دقیقاً مشابه دیلز-آلدر جلویی است، تنها چیزی که واقعاً اتفاق می‌افتد این است که تعادلی بین دی‌ن/دی انوفیل و محصول دیلز-آلدر برقرار می‌شود.

با این حال، مواردی وجود دارد که محصول Diels-Alder می‌تواند بیش از یک واکنش retro-Diels Alder را متحمل شود، و این می‌تواند منجر به تشکیل محصولاتی شود که با دی‌ن و دی انوفیل «اصلی» متفاوت است.

این وضعیت اغلب در دوره های مقدماتی شیمی آلی پیش نمی آید، اما زمانی که پیش می آید، معمولاً زمانی است که در یک سالن امتحان می نشینید. چیزی که باعث می‌شود سؤالات امتحان واکنش Diels Alder برای مربیان به یکباره تبدیل شود این است که از شما می‌خواهد مفاهیمی را که قبلاً می‌دانید، اما در جهت معکوس به کار ببرید.

در اینجا، نمونه‌ای کلاسیک از واکنش دیلز آلدر را مرور می‌کنیم که نشان می‌دهد چگونه می‌توان از این واکنش برای تولید محصولات جدید مفید استفاده کرد، به‌جای اینکه فقط به دی‌ن و دی‌نوفیل اولیه بازگردیم. (و اگر این کافی نیست، یک جایزه وجود دارد، نمونه دوم یک توسکای قدیمی Diels در بخش تکمیلی).

2. واکنش های دیلز-آلدر / واکنش های دیلز-آلدر با پیرون

Pyrone (به طور خاص 2-Pyrone) یک مولکول حلقوی است که شبیه بنزن است اما در واقع معطر نیست. پایرون که در ساختار s-cis قفل شده است در واکنش دیلز-آلدر با دیانوفیل ها شرکت خواهد کرد. به دلایلی که به زودی مشخص خواهد شد، یک دسته مفید از دی انوفیل، آلکین های فقیر از الکترون مانند دی متیل استیلن دی کربوکسیلات (DMAD) است که منجر به واکنش دیلز-آلدر زیر می شود:

“نمای بالا” (بالا) حلقه شش عضوی جدید را همانطور که از طرح شماره گذاری (خودسرانه) مشخص شده است نشان می دهد. همچنین می‌توان همان مولکول را از پهلو ترسیم کرد، که این مولکول دو حلقه‌ای پل‌شده را در منظر نشان می‌دهد [نگاه کنید به: قرار دادن محصولات Diels-Alder در چشم‌انداز ]

3. Retro Diels-Alder این مولکول واکنش دهنده های اصلی را پس نمی دهد!

الان قسمت خوبش شروع میشود.

وقتی این محصول Diels-Alder گرم می شود، یک واکنش Retro-Diels Alder رخ می دهد، اما محصول نهایی 2-pyrone و آلکین دی انوفیل نیست!

در عوض، محصولات یک حلقه معطر جدید و دی اکسید کربن (CO2) هستند!

چرا قطعه قطعه نمی شود تا پیرون و آلکین را پس دهد؟

خوب، ممکن است که تا حدودی انجام شود (در یک ثانیه بیشتر در مورد آن). اما نکته اصلی این است که بیش از یک مسیر دیلز-آلدر در اینجا امکان پذیر است!

دومین حلقه شش عضوی که می تواند تحت تکه تکه شدن دیلز توسکا قرار گیرد با رنگ قرمز در زیر مشخص شده است:

4. واکنش Pyrone Retro Diels-Alder مطلوب است زیرا یک حلقه معطر ایجاد می کند و CO2 را آزاد می کند.

توجه داشته باشید که این توسکای retro-Diels شامل همان الگوی تشکیل پیوند و شکستن پیوند است که در واکنش رترو-Diels Alder در بالای مقاله وجود دارد:

سه پیوند پی تشکیل می شود
دو باند سیگما و یک پیوند پی شکسته شده است

(یک تفاوت این است که یکی از پیوندهای پی که تشکیل می شود، به جای پیوند C-C pi، یک پیوند C–O pi است، که از نظر فنی آن را تبدیل به یک توسکا رترو-«هترو»-Diels می کند. واکنش توسکا که یک هترواتم (یعنی اتم غیر کربن) مانند اکسیژن یا نیتروژن را در حلقه شش عضوی جدید ترکیب می کند.

چه چیزی باعث می‌شود این توسکا رترو دیلز در مقایسه با توسکای رترو دیلز که پیرون و آلکین را بازسازی می‌کند، مطلوب باشد؟

اول، محصولات به خصوص پایدار هستند. این واکنش علاوه بر آزادسازی CO2، یک حلقه شش عضوی جدید با خاصیتی به نام آروماتیک بودن تولید می‌کند که آن را به ویژه پایدار می‌کند (حدود 36 کیلوکالری در مول پایدارتر از آنچه که تنها بر اساس انرژی‌های پیوند انتظار می‌رود).
ثانیاً، این واکنش خاص Retro-Diels Alder غیر قابل برگشت است، زیرا CO2 آزاد شده یک دی انوفیل بسیار ضعیف برای واکنش های Diels-Alder است. حتی اگر توسکای Retro-Diels برای تولید آلکین و پیرون رخ دهد، تعادل در نهایت مخلوط واکنش را به سمت تشکیل حلقه معطر و CO2 سوق می دهد.

برای یک آزمون هوشمندانه به بخش تکمیلی مراجعه کنید

واکنش دیلز-آلدر یک پیرون/آلکین.

5. خلاصه: واکنش دیلز-آلدر رترو

واکنش Retro-Diels Alder عکس میکروسکوپی واکنش Diels-Alder است. این حالت انتقالی مشابه Diels-Alder دارد، اما همانطور که در پست قبلی دیدیم، نسبت به فرآیند Diels-Alder رو به جلو به گرمایش بیشتری نیاز دارد (یعنی سد انرژی بالاتری دارد).

وقتی یک واکنش دیلز آلدر رترو باعث می شود که محصول دیلز-آلدر به دی ان و دی انوفیل اولیه بازگردد، این در اصل فقط ایجاد تعادل بین واکنش دهنده ها و محصول است.

با این حال، با استفاده از برخی از شرکای واکنش هوشمندانه طراحی‌شده، برخی از محصولات Diels-Alder می‌توانند تحت یک توسکای قدیمی Diels قرار بگیرند که به‌طور برگشت‌ناپذیری به محصولات جدید منجر می‌شود که معمولاً گاز و حلقه‌ای معطر را آزاد می‌کند. رایج ترین مثال در استفاده از پیرون به عنوان دی ان با استیلن به عنوان دی انوفیل است، اما موارد دیگری نیز وجود دارد (به بخش پاداش، در زیر مراجعه کنید).

یادداشت
واکنش های تترازین ها (از دست دادن N2) Diels-Alder / Retro Diels Alder Reactions

این می‌تواند تشبیه بدی باشد، اما رترو دیلز آلدر، من را کمی به یاد صحنه معروف «شات آدرنالین» در Pulp Fiction می‌اندازد.

از طریق GIPHY

چرا؟ تارانتینو به جای اینکه جان تراولتا با سرنگ به سینه اوما تورمن خنجر بزند، از تراولتا در حال بیرون کشیدن سوزن از قفسه سینه تورمن فیلم گرفت و سپس فیلم را برعکس کرد.

فرآیند معکوس مانع فعال سازی کمتری برای همه افراد مرتبط، به ویژه اوما تورمن، داشت.

نمونه دیگری از توسکای رترو دیلز که محصول جدیدی تولید می‌کند، با دسته‌ای از دی‌ن‌های بسیار ضعیف به نام تترازین شروع می‌شود.

هنگامی که تترازین با یک استیلن غنی از الکترون مانند دی فنیل استیلن ترکیب می شود، محصول جدید Diels-Alder حاصل می شود. (این کار کفش را روی پای دیگر قرار می دهد، از نظر انرژی – دی ئن الکترونی ضعیف است، و دی انوفیل غنی از الکترون است! این واکنش ها “واکنش های دیلز الدر تقاضای الکترون معکوس” نامیده می شوند و اگرچه کمتر از “تقاضای طبیعی الکترون” آنها مشاهده می شوند. ” پسر عموها، هنوز هم استفاده زیادی می بینید.)

هنگامی که این محصول Diels-Alder گرم می شود، تحت یک واکنش Retro-Diels Alder قرار می گیرد، N2 را از دست می دهد و یک حلقه معطر جدید تشکیل می دهد:

به استثنای چند مورد (بیشتر شامل واکنش با فلزات) گاز نیتروژن کاملاً بی اثر است.

حتی می‌توان محصول را وادار به انجام واکنش دوم دیلز-آلدر/ رترو-دیلز-آلدر (با از دست دادن مولکول دوم نیتروژن) کرد.

گروه دیل بوگر در اسکریپس در ارائه برنامه‌های ابداعی واکنش دیلز توسکا بسیار فعال بوده است، که می‌توانید با جزئیات بیشتر در اینجا (آلدریچ) بخوانید.

گاهی اوقات توسکای رترو دیلز مانند آن ابزار زیبا و کم استفاده شده در مکانیک است که برای یک کار بسیار خاص عالی است.

چند سال پیش، گروه تحقیقاتی باران (همچنین در اسکریپس) با مشکلی مواجه شدند که در آن سعی می‌کردند حلقه‌ای با اندازه متوسط ​​و بسیار کشیده در مولکول Haouamine A تشکیل دهند که دارای یک حلقه معطر «خم‌شده» بود. بعد از اینکه سرشان را به دیوار کوبیدند و تمام روش‌های مرسوم برای تشکیل حلقه را امتحان کردند، در نهایت مشکل را با کنار هم قرار دادن یک آلکین و یک پیرون در یک واکنش درون مولکولی Diels-Alder،  و سپس یک Diels-Alder یکپارچهسازی با سیستمعامل برای تولید حلقه معطر حل کردند. . این نیاز به حرارت دادن در یک لوله مهر و موم شده در دمای 250 درجه سانتیگراد به مدت 10 ساعت داشت که به آنها محصول با عملکرد 21٪ همراه با 30٪ مواد اولیه بازیافت شده را می داد. (آنها بعداً رویکردهای پربازدهی را برای سنتز حلقه ارائه کردند).

طرح واکنش در اینجا در سایت شیمی آلی باورنکردنی Hans J. Reich (رایگان) ترسیم شده است. مقاله کامل اینجا

(پیشرفته) مراجع و مطالعه بیشتر
مشتقات همیلتیک اسید سنتز اریتروسناتورین
ارنست ونکرت، دیوید بی آر جانستون و کی جی دیو
مجله شیمی آلی 1964، 29 (9)، 2534-2542
DOI: 1021/jo01032a012
این مقاله از واکنش دومینوی Diels-Alder-retro-Diels-Alder برای تولید اسید Hemimellitic و مشتقات آن استفاده می کند که در سنتز کل استفاده می شود.
واکنش های دیلز-آلدر 2-پیرون ها. جهت واکنش افزودن با استیلن
جو آ. رید، کرتیس ال. شلینگ جونیور، آر. اف. تاروین، توماس ای.
مجله شیمی آلی 1969، 34 (7)، 2188-2192
DOI: 1021/jo01259a035
این مقاله بیشتر مربوط به مرحله اول است – افزودن آلکین (به عنوان مثال DMAD) به 2-pyrone. به نویسنده توجه کنید – این همان جان استیل از شهرت واکنش استیل است.
تحولات اخیر در واکنش رترو-دیلز-آلدر
سامباسیورائو کوتا و شیبال بانرجی
RSC Advances 2013, 3, 7642-7666
DOI: 1039/C3RA22762F
واکنش Retro-Diels-Alder. قسمت اول C-C Dienophiles
بروس ریکبورن
واکنش های آلی 1998، 52، 1-393
DOI: 1002/0471264180.or052.01
واکنش Retro-Diels-Alder قسمت دوم. Dienophiles با یک یا چند هترواتم
بروس ریکبورن
واکنش های آلی 1998، 53، 223-629
DOI: 1002/0471264180.or053.02
عکس Retro-Diels–Alder Reactions
ولنتاین کی جانز، ژنگ شی، وی دانگ، متیو دی. مک اینیس، یوشیانگ ونگ و یی لیائو
مجله شیمی فیزیک A 2011، 115 (28)، 8093-8099
DOI: 10.1021/jp202063m
Retro-Diels-Alهمانطور که این مقاله نشان می دهد، واکنش های der را نیز می توان با نور آغاز کرد.
سنتز کل (±) – هائوامین A
فیل اس. باران و نوح زی برنز
مجله انجمن شیمی آمریکا 2006، 128 (12)، 3908-3909
DOI: 10.1021/ja0602997
مرحله نهایی در سنتز کل (±)-Haouamine A یک واکنش پشت سر هم Diels-Alder-Retro-Diels Alder است. در این مقاله آمده است: “پس از آزمایش های گسترده، 15 به 1 [(±)-Haouamine A] در تابش مایکروویو 15 در دی کلروبنزن در دمای 250 درجه سانتیگراد به مدت 10 ساعت و سپس هیدرولیز پایه (K2CO3، MeOH) استات تبدیل شد.”
در یادداشت دیگری، نوآ برنز اکنون استاد دانشگاه استنفورد است، و من به یاد دارم که اولین مقاله او را به عنوان استادیار در سال 2013 خواندم، که روشی زیبا برای دیبرومیناسیون نامتقارن آلکن‌ها، معروف به K. B. Sharpless بود.
https://organicchemistrydata.org/hansreich/resources/pericyclic/?page=pericyclic10/
Hans J. Reich (U. Wisconsin-Madison) وب سایتی پر از اطلاعات مفید در مورد شیمی آلی دارد، از جمله این بخش در مورد واکنش های Retro-Diels-Alder. یکی دیگر را می توان در اینجا یافت:
https://organichemistrydata.org/hansreich/resources/pericyclic/?page=pericyclic00%2F
واکنش های دیلز- توسکا با تقاضای الکترون معکوس. II. واکنش بنزامیدین با ترکیبات هتروآروماتیک کمبود π
P. Figeys، A. Mathy
تت Lett. 1981, 22 (15), 1393-1396
DOI: 10.1016/S0040-4039(01)90330-2
واکنش معمولی دیلز-آلدر زمانی به بهترین وجه پیش می رود که دین غنی از الکترون و دی انوفیل از الکترون فقیر باشد. با این حال، در موارد خاص، قطبیت مخالف امکان پذیر است و این واکنش ها به عنوان واکنش های دیلز-آلدر تقاضای الکترون معکوس شناخته می شوند.
https://www.sigmaaldrich.com/technical-documents/articles/technology-spotlights/inverse-electron-demand-diels-alder-reactions.html
این مقاله فنی توسط Sigma-Aldrich اطلاعات مفید زیادی در مورد واکنش های Diels-Alder با تقاضای معکوس الکترون دارد.