Regiochemistry (“انتخاب منطقه”) در واکنش دیلز-آلدر

Diels-Alder یک پیاز است و ما فقط لایه ها را پوست می کنیم. پست امروز درباره ژیوشیمی در دیلز-آلدر است. خلاصه سریع:

هنگامی که دیین های غیر متقارن با دی انوفیل های غیر متقارن واکنش می دهند، دو منطقه ایزومر ممکن است. دین‌هایی که جانشین‌هایی در انتهای آن دارند (“1-substituted dienes”) تمایل به تولید محصولات “1،2” (“اورتو”) دارند. دی‌ن‌هایی با جانشین‌هایی در موقعیت 2 («دین‌های جایگزین 2») معمولاً محصول «1،4» («پارا») را می‌دهند. به طور کلی، محصولات “1،3” (“متا”) فقط محصولات فرعی جزئی هستند.

فهرست مطالب

Regiochemistry در واکنش Diels-Alder
فلاش بک: قانون مارکوفنیکف و «انتخاب منطقه»
واکنش دیلز-آلدر انتخابی منطقه ای است
خلاصه: انتخاب منطقه ای در واکنش دیلز-آلدر
یادداشت ها (بیشتر در مورد منشا انتخاب منطقه ای)
(پیشرفته) مراجع و مطالعه بیشتر
1. “Regiochemistry” در واکنش Diels-Alder

تا کنون در Diels-Alder، نمونه هایی از موارد زیر را دیده ایم:

دین های متقارن با دینوفیل های متقارن
دین های نامتقارن با دی انوفیل های متقارن
دین های متقارن با دی انوفیل های نامتقارن

این سه موقعیت (در تصویر زیر نشان داده شده اند) هر کدام پتانسیل تشکیل استریو ایزومرها (یعنی دیاسترومرها و/یا انانتیومرها) را دارند. اما همه محصولات دقیقاً اتصال یکسانی دارند.

این ما را به یک مورد چالش برانگیز می رساند. چه اتفاقی می‌افتد وقتی یک دی ان نامتقارن با یک دی انوفیل نامتقارن واکنش نشان می‌دهد؟

چرا این وضعیت با سه مورد اول متفاوت است؟

زیرا دو راه متفاوت برای “صاف شدن” دایئن و دیانوفیل وجود دارد! “. در مثال بالا، diene و dienophile می توانند به دو صورت با هم ترکیب شوند:

“سر به سر” به گونه ای که گروه متیل روی دی ئن و پیوند C=O در یک جهت باشند (محصول برتر را می دهد).
“سر تا دم” به طوری که آنها در جهت مخالف (محصول پایین) اشاره می کنند.

این محصولات به طور کلی (بدون احتساب استریوشیمی) چگونه به یکدیگر مرتبط هستند؟

از آنجایی که آنها فرمول مولکولی یکسانی دارند اما اتصالات متفاوتی دارند،  ایزومرهای اساسی هستند.

حالا سوال بزرگ پیش می آید. آیا در این نوع Diels-Alder، این محصولات در نسبت‌های تقریباً مساوی تشکیل می‌شوند… یا آیا ترجیحی برای یک نوع اتصال بر دیگری وجود دارد؟

پاسخ کوتاه این است، “بله، Diels-Alder یک نوع اتصال را ترجیح می دهد.”

به عبارت دیگر، واکنش دارای انتخاب منطقه ای است.

صبر کن. انتخاب منطقه چیست؟ بررسی سریع:

2. فلاش بک: قانون مارکوفنیکف و «انتخاب منطقه»

قبلاً کجا چنین وضعیتی را دیده بودیم؟

با آلکن ها! دیدیم که با افزودن اسیدی مانند HCl به آلکنی مانند 1-بوتن، می‌توانیم دو محصول ممکن به دست آوریم: 1-کلروبوتان یا 2-کلروبوتان. [نگاه کنید به: قانون مارکوفنیکف]

این محصولات فرمول مولکولی یکسانی دارند، اما اتصالات متفاوتی دارند که آنها را به ایزومرهای اساسی تبدیل می کند.

با این حال، دیدیم که واکنش نسبت یکسانی از محصولات را به دست نمی دهد. درعوض، ترجیح 4:1 برای 2-کلروبوتان نسبت به 1-کلروبوتان وجود دارد، که دیدیم به دلیل ترجیح بیشتر برای واسطه کربوکاتیون پایدارتر است.

این ترجیح با نام “قاعده مارکوفنیکف” خوانده می شود:

تمایل آلکن ها به اطاعت از «قاعده مارکوفنیکوف» در این واکنش ها نمونه ای از انتخاب منطقه است. واکنش در تشکیل یک ایزومر اساسی بر دیگری انتخابی است.

(ما می گوییم «انتخابی» و نه «اختصاصی» زیرا بیش از یک محصول تشکیل شده است. استفاده از پیشوند «regio» از این مشاهده ناشی می شود که کلرید تمایل دارد به یک ناحیه از پیوند دوگانه حمله کند و پروتون به ناحیه دیگر. )

شایان ذکر است که 2-کلروبوتان به عنوان یک مخلوط راسمیک از انانتیومرها تشکیل می شود. بنابراین در حالی که واکنش منطقه‌ای انتخابی است، انانتیو انتخابی نیست.

3. توسکا Diels Regioselective است

مانند واکنش اسیدها با آلکن ها، واکنش دیلز-آلدر نیز انتخابی منطقه ای است. دو مورد اصلی موضوع را نشان می دهد.

مورد 1: 1-دین های جایگزین

اولین مورد مهم مربوط به یک دین با یک جانشین در موقعیت “1” دین، مانند 1-متوکسی بوتادین است. (من می دانم که اگر یک گروه متیل به جای آن وجود داشت، طبق IUPAC از نظر فنی موقعیت “4” خواهد بود – در این مورد با من همراه باشید).

Diels-Alder از 1-متوکسی بوتادین با متیل متاکریلات را در نظر بگیرید. دو راه وجود دارد که diene و dienophile می توانند به یکدیگر متصل شوند.

آن را به یک سمت ردیف کنید (“سر به سر”، در زیر)، و یک حلقه شش عضوی جدید دریافت می کنید که در آن دو جایگزین روی دو کربن مجاور قرار دارند (رابطه “1،2”)
آن را به شکل دیگری ردیف کنید (“سر تا دم”)، و دو جایگزین یک رابطه “1،3” دارند.

این دو محصول اتصالات متفاوتی دارند و بنابراین ایزومرهای اساسی (“ناحیه ایزومر”) هستند.

بر اساس قیاس با نامگذاری معطر، الگوهای «1،2» و «1،3» به ترتیب دارای نام مستعار ارتو و متا هستند. [من می گویم “مستعار” زیرا اینها شرایط راحتی است، نه چیز دیگری. به IUPAC نگویید!]

بنابراین کدام یک از دو محصول Diels-Alder مورد علاقه است؟ «اورتو» یا «متا»؟

در اینجا آزمایشات چیست

به ما بگو:

محصول ارتو اصلی و فرامحصول فرعی است.

این برای تعداد زیادی از 1-جایگزین دین ها صدق می کند. من فقط دو نفر را نشان می دهم. Hans Reich در UW-Madison فهرست طولانی‌تری از نمونه‌ها دارد – اینجا را ببینید.

با 1-متوکسی بوتادین، اورتو تنها محصول است!!
وقتی یک گروه متیل در آن موقعیت قرار دارد، ارتو تقریباً 8:1 از متا بیشتر است

مورد 2: دین های 2 جایگزین

دومین مورد مهم زمانی است که یک جایگزین در موقعیت 2 دین وجود دارد، مانند 2-متیل بوتادین.

مجدداً، دو راه وجود دارد که می تواند ردیف شود، با این تفاوت که این بار ارائه محصولات پاراگراف (1،4) و متا (1،3) است.

بنابراین کدام یک از این محصولات غالب است؟

محصول پارا عمده و فرامحصول فرعی است.

2-متوکسی بوتادین حدود 8:1 بر محصول پارا برتری می بخشد
2-متیل بوتادین تقریباً 2:1 به محصول پارا کمک می کند

اگر جایگزین‌هایی در هر دو موقعیت 1 و 2 وجود داشته باشد، چه؟ در این موارد، مشخص می شود که جایگزین روی موقعیت 1 در هدایت محصولات قدرتمندتر است. [به پاورقی مراجعه کنید]

4. خلاصه: Regiochemistry In The Diels-Alder Reaction

از متا محصول اجتناب کنید. واقعا همین است.

پس چرا Diels-Alder به این شکل ختم می‌شود؟

سؤال خوبی بود.

برای پاسخ به ادامه مطلب بروید…..

یادداشت
درک منطقه انتخابی

دین را به عنوان یک هسته دوست و دی انوفیل را به عنوان الکتروفیل در نظر بگیرید.

محصول غالب محصولی خواهد بود که در آن بیشترین کربن هسته دوست روی دین با الکتروفیل ترین کربن روی دی انوفیل قرار می گیرد.

پس چگونه تعیین کنیم که این کربن ها چیست؟

به دنبال دومین شکل رزونانس بهترین دین و دیانوفیل باشید! (گاهی اوقات به عنوان قانون گروسمن شناخته می شود)
بار منفی دین را با بار مثبت دی انوفیل ردیف کنید.

این شما را به نتیجه درست می رساند!

توجه داشته باشید که چگونه این منجر به محصول ارتو و نه فرامحصول می شود، درست مانند آنچه در آزمایش مشاهده شده است.

در مورد دین های 2 جایگزین چطور؟

همان معامله فرم رزونانس “دومین بهترین” را ترسیم کنید. اکنون بار منفی هسته دوست را با بار مثبت در شکل رزونانس “دومین بهترین” الکتروفیل ردیف کنید:

توجه داشته باشید که چگونه این به درستی پیش‌بینی می‌کند که محصول پارا بر محصول متا ترجیح داده می‌شود.

خودشه.

حالا… آیا واقعا این بهترین راه برای انجام آن است؟

برای اهداف ما، بله.

برای اهداف پیشرفته‌تر… ما بر محاسبات مداری مولکولی تکیه می‌کنیم. در دوره های پیشرفته، ما در مورد اندازه «ضرایب» روی HOMO یا LUMO از diene/dienophile زیاد صحبت می کنیم و به آنجا نمی رویم. اگر به این موضوع علاقه دارید، اوربیتال های مرزی و واکنش های شیمیایی آلی ایان فلمینگ را به شدت توصیه می کنم. کتاب کلاسیک

در مورد 1،2-جایگزین دین ها چطور؟

اگر هر دو جایگزین شوند چه؟ در اینجا یک مثال عملی است.

آنچه مشاهده می شود این است که موقعیت 1 روی دین تأثیر بیشتری بر محصول نسبت به موقعیت 2 دارد.

(پیشرفته) مراجع و مطالعه بیشتر
نظریه اوربیتال مولکولی مرزی واکنش‌های سیکلودافزودن
کندال ان. هوک
حساب های تحقیقات شیمیایی 1975، 8 (11)، 361-369
DOI: 10.1021/ar50095a001
اوربیتال های مرزی تعمیم یافته آلکن ها و دین ها. انتخاب منطقه ای در واکنش های دیلز-آلدر
K. N. Houk
مجله انجمن شیمی آمریکا 1973، 95 (12)، 4092-4094
DOI: 10.1021/ja00793a069
مدل‌سازی واکنش‌پذیری شیمیایی 1. انتخاب منطقه‌ای سیکلودافزودن‌های دیلز-آلدر دی‌ن‌های غنی از الکترون با دی انوفیل‌های دارای کمبود الکترون
D. Kahn، C. F. Pau، L. E. Overman، و Warren J. Hehre
مجله انجمن شیمی آمریکا 1986، 108 (23)، 7381-7396
DOI: 10.1021/ja00283a038
خصوصیات کمی الکتروفیلیسیتی موضعی مولکول های آلی. درک انتخاب‌پذیری منطقه در واکنش‌های دیلز-آلدر
لوئیس آر. دومینگو، ام. خوزه اورل، پاتریشیا پرز و رناتو کنتراس
مجله شیمی فیزیک A 2002، 106 (29)، 6871-6875
DOI: 10.1021/jp020715j
انتخاب منطقه ای واکنش دیلز-آلدر بین یک دی ئن با یک جایگزین دهنده الکترون و یک دی انوفیل با یک جایگزین دهنده الکترون: یک مورد آزمایشی برای نظریه اوربیتال مرزی
یان فلمینگ، فدریکو ال جیانی، طلعت ماه
چهار وجهی لت. 1976، 17 (11)، 881-884
DOI: 10.1016/S0040-4039(00)92909-5
بهتر از شهرت یان فلمینگ جیمز باند – اما کتاب او در مورد نظریه مداری مولکولی مرزی عالی است و برای همه دانشجویان پیشرفته شیمی آلی توصیه می شود.
انتخاب منطقه ای در واکنش های هترو دیلز-آلدر
کارلا گروسو، مارتا لیبر، آمادو اف. بریگاس، ترزا ام. وی. دی. پینیو و ملو و آمریکو لموس
مجله آموزش شیمی 2019، 96 (1)، 148-152
DOI: 10.1021/acs.jchemed.7b00933
در مورد قاعده انتخاب‌پذیری منطقه براسارد در واکنش‌های دیلز-آلدر بین هالوکینون‌ها و دی‌ن‌های قطبی
مائوریسیو مالدونادو-دومینگز، کارن رویز-پرز، اسکار گونزالس-آنتونیو، مارگاریتا رومرو-آویلا، خوزه مندز-استیوالت و بلاس فلورس-پرز
RSC Adv., 2016, 6, 75194-75201
DOI: 10.1039/C6RA14073D
ریشه‌های انتخاب‌پذیری منطقه‌ای واکنش‌های دیلز- توسکا برای سنتز آنتی‌بیوتیک بیسانتراکینون BE-43472B
امی ای. هایدن، رابرت اس. پاتون، یوخن بکر، یی هوی لیم، کی سی نیکولائو وK. N. Houk
مجله شیمی آلی 2010، 75 (3)، 922-928
DOI: 10.1021/jo902572y
مطالعه تجربی و نظری روی یک جفت پیچیده دی ئن / دی انوفیل.