کنترل جنبشی و ترمودینامیکی در واکنش Diels-Alder: واکنش Diels Alder در دماهای بالا برگشت پذیر است

ما کنترل جنبشی و ترمودینامیکی را در زمینه افزودن 1،2 و 1،4 به دین ها مورد بحث قرار داده ایم. به نظر می رسد که واکنش دیلز-آلدر نیز تحت کنترل جنبشی و ترمودینامیکی است. در دماهای پایین، محصول اندو غالب است (محصول جنبشی، سریع‌تر تشکیل می‌شود). در دماهای بالاتر، محصول Diels-Alder با مواد اولیه خود در تعادل است و توزیع محصول توسط پایداری ترمودینامیکی محصولات کنترل می شود. از آنجایی که محصولات exo تمایل کمتری دارند که از نظر استریکی مانع شوند، آنها نیز در این شرایط محصولات اصلی هستند.

1. سیکلوپنتادین که معمولاً استفاده می شود را نمی توان از تامین کنندگان مواد شیمیایی خریداری کرد. چرا؟

بیایید در مورد سیکلوپنتادین صحبت کنیم، یک دی ان که معمولاً برای واکنش‌های Diels-Alder استفاده می‌شود که، اتفاقاً، همیشه در آزمایش‌ها و امتحانات ظاهر می‌شود. مثل اینجا:

دوستان را از نزدیک دور هم جمع کنید، زیرا می خواهم راز کوچکی در مورد این مولکول به شما بگویم. چیزی که بسیاری از مردم در مورد آن نمی دانند. چیزی که هرگز باور نخواهید کرد

علیرغم این واقعیت که ممکن است مشاهده کنید که همیشه از این در واکنش‌ها استفاده می‌شود…

… شما در واقع نمی توانید سیکلوپنتادین بخرید!

درست شنیدید. این به صورت تجاری در دسترس نیست. هیچ کس روی زمین چیزها را نمی فروشد. با آلدریچ تماس بگیرید و کمی بخواهید. آنها به شما خواهند گفت که هیچ کدام را ندارند.

در واقع، حتی اگر بتوانید به برخی از آنها دست پیدا کنید، اگر آن را برای یک روز یا بیشتر روی نیمکت بگذارید، از بین می رود! [توجه داشته باشید]

2. سیکلوپنتادین پس از ایستادن به مدت 1 تا 2 روز در دمای اتاق، به آرامی واکنش نشان می دهد و “دی سیکلوپنتادین” می دهد.

و منظورم از “رفتن” این نیست که تبخیر می شود… منظورم این است که به طور کلی به یک مولکول متفاوت تبدیل می شود.

مولکول جدید دارای فرمول مولکولی C10H12 است و ساختاری کاملاً متفاوت از سیکلوپنتادین دارد.

واقعیت واقعی!

اما این را بررسی کنید، مردم. من می خواهم یک راز کوچک دیگر را به شما بگویم. رازی شگفت انگیز که آنها نمی خواهند شما در مورد آن بدانید.

معرفی…

3. سیکلوپنتادین خود را با این «یک ترفند عجیب» برگردانید…

اکنون فقط 19.95 دلار! رایگان! پیشنهاد زمان محدود!

اگر دی سیکلوپنتادین را تا 180 درجه سانتیگراد گرم کنید و سپس آن را تقطیر کنید، سیکلوپنتادین خود را پس خواهید گرفت!

“شگفت انگيز! من شک داشتم، اما این یک ترفند عجیب کاملا جواب داد! من خیلی خوشحالم که سیکلوپنتادین را پس گرفتم! وووووو ”

– Homeau L’Oumeau، دانشجوی کارشناسی ارشد شیمی

4. سیکلوپنتادین به آرامی تحت یک واکنش دیلز-آلدر با خود قرار می گیرد تا “دی سیکلوپنتادین” را ایجاد کند، که پس از حرارت دادن به 180 درجه سانتیگراد به سیکلوپنتادین باز می گردد.

بنابراین، به هر حال این چیزهای “دی سیکلوپنتادین” چیست؟ چگونه تشکیل می شود؟ و وقتی آن را گرم می کنید چه اتفاقی می افتد؟ چگونه سیکلوپنتادین را برگردانید؟

همانطور که ممکن است به خاطر داشته باشید، سیکلوپنتادین یک دی ئن واکنش پذیر است، به دلیل این واقعیت که پیوند دوگانه آن در ساختار “s-cis” قفل شده است. [به پست مراجعه کنید: s–cis و s-trans ]

سیکلوپنتادینی که در دمای اتاق «شسته» (یعنی رقیق‌نشده) باقی می‌ماند، می‌تواند با خود واکنش دیلز-آلدر داشته باشد و «دی سیکلوپنتادین» ایجاد کند. این چیزی است که “دی سیکلوپنتادین” مرموز ما به نظر می رسد:

در مورد این «واکنش دیلز-آلدر با خودش» چطور؟

این بدان معناست که یک مولکول سیکلوپنتادین به عنوان یک دی ئن و یک مولکول دیگر از سیکلوپنتادین به عنوان یک دی انوفیل عمل می کند.

در اینجا آن را در زیر می بینید، به گونه ای ترسیم شده است که دقیقاً مانند تمام واکنش های قبلی Diels-Alder که در این سری از پست ها نشان داده ایم، به نظر می رسد.

طبق معمول، سه پیوند پی شکسته می‌شوند و دو پیوند سیگما + یک پیوند پی تشکیل می‌شوند:

همانطور که دیدیم، Diels-Alder می تواند هر دو endo و exo diastereomers را تشکیل دهد [نگاه کنید به: Exo و Endo Products In The Diels-Alder – How To Tell them Apart]. (فقط endo در اینجا نشان داده شده است).

تا اینجا هیچ چیز جدیدی برای دیدن اینجا وجود ندارد.

نکته جالب اینجاست (و – ششش! –  راز پشت آن «یک ترفند عجیب»). در دماهای به اندازه کافی بالا، واکنش دیلز-آلدر برگشت پذیر است.

5. واکنش دیلز-آلدر معکوس (“رترو”): در دماهای بالا، واکنش دیلز-آلدر برگشت پذیر است.

درست است. اگر محصول واکنش Diels-Alder را تا دمای کافی بالا گرم کنید، واکنش می تواند به صورت معکوس پیشرفت کند.

e، بازسازی دی ئن و دی انوفیل اولیه (که هر دو در این مورد سیکلوپنتادین هستند).

این واکنش دیلز-آلدر معکوس (یا “رترو”) نامیده می شود. در “رترو-دیلز-آلدر”:

حلقه شش عضوی شکسته است
سه پیوند C-C pi تشکیل می شود، و
دو باند تک + یک پیوند پی شکسته می شوند.

یکی از پیامدهای این واقعیت:

از آنجایی که Diels-Alder در دمای بالا برگشت پذیر است، این بدان معنی است که ما باید آن را به عنوان یک تعادل ترسیم کنیم!

امتحان چرا دمای بالا ممکن است به نفع واکنش معکوس باشد؟ در پاورقی پاسخ دهید. [نکته: مربوط به ΔG = ΔH – TΔS است]

6. نمودار مختصات واکنش برای واکنش دیلز-آلدر

طرحی از نمودار انرژی واکنش برای Diels-Alder چیزی شبیه به طرح زیر است:

در اینجا، ΔE (آبی) را به‌عنوان انرژی فعال‌سازی برای واکنش Diels Alder در جهت رو به جلو، و ΔE دوم (به رنگ قرمز) که انرژی فعال‌سازی را برای واکنش معکوس نشان می‌دهد (با اندو نشان داده شده) نشان می‌دهیم.

در دماهای پایین، فقط واکنش رو به جلو از نظر انرژی قابل دسترسی است، اما در دماهای بالاتر، واکنش معکوس ممکن است رخ دهد.

چرا باید اهمیت بدهم؟

ممکن است به خوبی بپرسید که چرا باید به این موضوع اهمیت دهید.

خوب، با افزودن کمی جزئیات بیشتر، به ما کمک می کند حداقل یک معمای مهم را حل کنیم. کمک کننده است، این به مفهومی که قبلاً آموخته ایم نیز مرتبط است!

7. کنترل جنبشی و ترمودینامیکی در Diels-Alder

ممکن است به یاد داشته باشید که Diels-Alder تمایل دارد محصول اندو را ترجیح دهد، حتی اگر به نظر می رسد که exo در واقع از نظر استریکی کمتر مانع می شود (و علاوه بر این، از نظر ترمودینامیکی پایدارتر است). این در آن زمان گیج کننده بود و ما پاسخ خوبی برای آن نداشتیم. [نگاه کنید به: چرا محصولات اندو در Diels-Alder مورد علاقه هستند؟]

در واقع، معلوم می‌شود که نمونه دیگری از مفهومی است که قبلاً در این بخش در مورد دی‌ن‌ها پوشش داده شد، به نام کنترل ترمودینامیکی و جنبشی [نگاه کنید به: کنترل ترمودینامیکی و جنبشی].

نمونه‌هایی از افزودن 1،2- در مقابل 1،4 HBr به دی‌ن‌ها را دیدیم و تعجب کردیم که چرا دماهای پایین باعث تشکیل محصول کم‌ثبات‌تر می‌شوند، در حالی که دماهای بالاتر باعث تشکیل محصول پایدارتر می‌شوند.

ما دیدیم که در دماهای پایین (جایی که واکنش برگشت ناپذیر است) محصولات با کمترین حالت انتقال انرژی به دست آمد [کنترل جنبشی]  در حالی که در شرایطی که واکنش برگشت پذیر بود (در دماهای بالاتر) مخلوط محصول تفاوت در گرمای تشکیل را منعکس می‌کرد. یعنی انرژی) بین دو محصول [کنترل ترمودینامیکی].

Diels-Alder نمونه دیگری از همین پدیده را به ما ارائه می دهد.

8. نمودار مختصات واکنش برای کنترل جنبشی در مقابل ترمودینامیکی در واکنش دیلز-آلدر

بیایید مختصات واکنش را برای محصول exo (آبی) ترسیم کنیم تا واضح‌تر شود.

حالت گذار برای محصول endo (C) انرژی کمتری نسبت به حالت گذار برای محصول exo (B) دارد، به این معنی که سریع‌تر تشکیل می‌شود (یعنی انرژی فعال‌سازی کمتری دارد)
در دماهای پایین، واکنش رو به جلو برای ایجاد اندو قابل دسترسی است (A→C→D) اما واکنش معکوس (D→C→A) قابل دسترسی نیست. بنابراین مخلوط واکنش تفاوت انرژی بین B و C را منعکس خواهد کرد. این کنترل جنبشی است.
در دماهای بالاتر، واکنش معکوس (D→C→A) از نظر انرژی قابل دسترسی است و واکنش به تعادلی بین مواد اولیه (A) و محصولات (D و E) تبدیل می‌شود. مخلوط واکنش تفاوت انرژی D و E را منعکس خواهد کرد. این کنترل ترمودینامیکی است.

Diels-Alder معمولاً در شرایطی اجرا می‌شود که واکنش غیرقابل برگشت است، و به دلایلی که قبلاً [در چرا محصولات اندو در The Diels-Alder مورد علاقه قرار می‌گیرند؟] بحث کردیم، حالت گذار آندو تمایل دارد نسبت به حالت گذار exo انرژی کمتری داشته باشد. . بنابراین، محصولات اندو تمایل دارند در دماهای پایین غالب شوند.

اما در دماهای بالاتر، جایی که واکنش برگشت پذیر است، به دلیل پایداری ترمودینامیکی بیشتر، مقدار بیشتری از محصول exo تشکیل می شود. به عنوان مثال، در حالی که Diels-Alder از سیکلوپنتادین با خود در دمای 23 درجه سانتیگراد فقط محصول اندو می دهد، با گرم کردن محلول سیکلوپنتادین در دمای 200 درجه سانتیگراد طی حدود 2 روز، نسبت endo:exo 4:1 است. [منبع]  .

حتی می توان یک محصول خالص آندو را گرم کرد و مخلوطی از محصولات exo و endo را به دست آورد!

9. واکنش برون گزینشی دیلز-آلدر

در اینجا یک نمونه برجسته از واکنش انتخابی دیلز-آلدر آمده است.

فوران (در زیر) شبیه سیکلوپنتادین به نظر می رسد. اما همانطور که قبلاً دیده اید (یا به زودی خواهید دید، در اینجا: قوانین برای معطر بودن] فوران خاصیت عجیبی به نام آروماتیک دارد: به همین دلیل، حدود 20 کیلوکالری در مول پایدارتر از چیزی است که تنها بر اساس انرژی های پیوند انتظار می رود. فوران می تواند به عنوان یک دی ئن در واکنش های دیلز- توسکا عمل کند، اما این امر باعث اختلال در آروماتیک بودن فوران می شود.به همین دلیل، محصولات دیلز-آلدر فوران در دماهای بسیار پایین تری نسبت به اکثر دایین های دیگر تحت واکنش های دیلز-آلدر قرار می گیرند.

به عنوان مثال، واکنش Diels-Alder فوران با انیدرید مالئیک در استونیتریل در دمای 40 درجه سانتیگراد، Exo pro را می دهد.

مجرای منحصراً بعد از 48 ساعت

[جالب است که در این واکنش، اندو در ابتدا محصول غالب است (با سرعتی حدود 500 برابر سریعتر از اگزو، [توجه] شکل می‌گیرد)، اما به سرعت به مواد اولیه باز می‌گردد. به دلیل تفاوت 1.9 کیلوکالری در مول بین محصولات exo و endo، exo محصول غالب جدا شده است. ]

10. اطلاعات بیشتر در مورد Diels-Alder یکپارچهسازی با سیستمعامل

این احتمالاً برای یک پست کافی است، اما در پست بعدی به طور خلاصه چند نمونه برجسته از واکنش‌های دیلز-آلدر را مرور خواهیم کرد و خواهیم دید که چگونه می‌توان از آنها در سنتز استفاده کرد.

یادداشت

نکته 1. اگرچه لازم به ذکر است سیکلوپنتادین را می توان به مدت نامحدود در فریزر نگهداری کرد.

نکته 2. چرا دماهای بالاتر ممکن است به نفع دیلز-الدر معکوس باشد؟

به یاد داشته باشید که برای اینکه هر واکنشی «خود به خودی» باشد، انرژی آزاد گیبس ΔG باید منفی باشد:

ΔG = ΔH – TΔS

که در آن ΔS آنتروپی است.

حتی یک واکنش گرماگیر (ΔH مثبت) را می توان از طریق گرم کردن خود به خود نشان داد اگر خود واکنش آنتروپی (ΔS) زیادی داشته باشد.

[گرمای تشکیل واکنش بین سیکلوپنتادین و مالئیک انیدرید در دمای اتاق حدود 25- کیلوکالری در مول است که برای واکنش معکوس،  ΔH +25 کیلوکالری در مول می باشد]. [منبع]

در Diels-Alder یکپارچه، یک مولکول منفرد (محصول Diels-Alder) به دو مولکول آغازین (Diene و Dienophile) برمی گردد که نشان دهنده افزایش خالص بزرگ در آنتروپی است. بنابراین، حرارت دادن واکنش (افزایش T) عبارت –TΔS را به طور فزاینده ای منفی می کند، تا زمانی که بر عبارت ΔH مثبت غالب شود.

نکته 3. تفاوت در نرخ 500 تفاوتی در انرژی فعال سازی 3.8 کیلوکالری در مول ایجاد می کند که به نفع اندو است.

(پیشرفته) مراجع و مطالعه بیشتر
فروسن
جی. ویلکینسون
سازمان مصنوعی. 1956، 36، 31
DOI: 10.15227/orgsyn.036.0031
امروزه سنتز فروسن معمولاً در آزمایشگاه‌های لیسانس انجام می‌شود، و این به سیکلوپنتادین نیاز دارد که با «ترک‌شدن» دی سیکلوپنتادین تهیه می‌شود. این روش به ویژه معروف است، زیرا کشف فروسن زمینه شیمی آلی فلزی مدرن را در قرن بیستم آغاز کرد. پروفسور ویلکینسون در ادامه به دلیل فعالیت خود در این زمینه جایزه نوبل را دریافت کرد.
مطالعه واکنش دیلز – توسکا و رترو – دیلز – توسکا بین مشتقات فوران و مالیمید برای ایجاد مواد جدید
V. Froidevaux، M. Borne، E. Laborbe، R. Auvergne، A. Gandinib و B. Boutevin
RSC Adv., 2015, 5, 37742-37754
DOI: 10.1039/C5RA01185J
کاربردهای مصنوعی شیمی فوران دیلز-آلدر
الیور کاپ، اس. شان مورفری و آلبرت پادو
Tetrahedron 1997, 53 (42), 14179-14233
DOI: 10.1016/S0040-4020(97)00747-3
این دو بررسی جنبه‌های مکانیکی و کاربردهای مصنوعی واکنش Diels-Alder با فوران را پوشش می‌دهند.
استریوشیمی درونی و بیرونی در واکنش دیلز-آلدر: کنترل جنبشی در مقابل ترمودینامیکی
جیمز اچ کولی و ریچارد وان ویلیامز
مجله آموزش شیمی 1376، 74 (5)، 582
DOI: 10.1021/ed074p582
آزمایشی مناسب برای دانشجویان کارشناسی که کنترل ترمودینامیکی و جنبشی را در واکنش‌های دیلز-آلدر نشان می‌دهد.
کنترل ترمودینامیکی در مقابل جنبشی در سیکلودافزودن سیکلوپنتادین دیلز-آلدر به 2،3-دی سیانو-p-بنزوکینون
Bott، S.G.، Marchand، A.P. & Kumar، K.A.
شیمی. کریستالوگر. 1996، 26، 281-286
DOI: 10.1007/BF01677782
طرح 2 در این مقاله یک واکنش نماینده دیلز-آلدر را نشان می دهد که به ترتیب محصولات اندو یا اگزو را تحت شرایط ترمودینامیکی یا جنبشی می دهد و محصول جنبشی (exo) را می توان با حرارت دادن به محصول ترمودینامیکی (Endo) تبدیل کرد.
https://organichemistrydata.org/hansreich/resources/pericyclic/#pericyclic04
مرحوم پروفسور هانس رایش (U. Wisconsin-Madison) وب سایتی پر از اطلاعات مفید در مورد شیمی آلی داشت، از جمله این صفحه در مورد واکنش Diels-Alder. وب سایت او اکنون توسط بخش شیمی آلی ACS نگهداری می شود.