狄爾斯-阿爾德反應機理

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簡介

在狄爾斯-阿爾德反應機理中，共軛二烯僅與烯烴結合形成環己烯化合物。在 20 世紀中葉，德國基爾大學的研究員奧托·狄爾斯及其學生庫爾特·阿爾德一直在嘗試發現一種可以輕鬆生成更多環己烷環的機理。他們共同開發了狄爾斯-阿爾德反應，並因此獲得了諾貝爾化學獎。

它常用於合成橡膠、塑膠，甚至包括皮質醇和維生素 D 在內的人工類固醇。該反應實際上是一個一步過程，從 2 個分子開始，並以一個六元環結束。在整個反應過程中，3 個雙鍵被破壞，產生了 2 個新的單鍵，以及 1 個新的雙鍵。根據反應物，所得的環狀六元環似乎在其周圍連線有其他環，以及主要位於外側的官能團和取代基。

什麼是狄爾斯-阿爾德反應？

在狄爾斯-阿爾德反應中，共軛二烯與烯烴反應生成不穩定的六元烴。該反應有時被稱為“環加成反應”，儘管它包括透過環狀中間體階段生成環狀副產物。它是一個電環反應，其中共軛二烯的 4 個 π 電子以及親雙烯體的 2 個 π 電子發生 [4+2] 環加成反應。這種反應導致生成比原來的 π 鍵更穩定的附加 σ 鍵。

這種反應的一個衍生物，即雜狄爾斯-阿爾德反應，有利於六元雜環的生成。在整個反應過程中，雜原子（通常是 N 和 O）存在於二烯體和親雙烯體中。

狄爾斯-阿爾德反應機理

由於 π 鍵已轉化為更強的 σ 鍵，因此該過程在熱力學上是有利的。具有電子鈍化基團的親電子親雙烯體是狄爾斯-阿爾德反應的合適選擇。它也吸引含有給電子基團的親核二烯體。以下是狄爾斯-阿爾德反應的一些有效二烯體和親雙烯體的例子。

由於機理是同步的，因此狄爾斯-阿爾德反應似乎是一個一步環加成反應。如果 2 個不飽和分子結合在一起，它們會生成一個環狀加合物。鍵數淨減少。所有鍵的形成和斷裂同時發生。下圖說明了這個基本反應機理。二烯和親雙烯體之間的反應產物得到環己烯變體。如方法圖所示，3 個 C=C π 鍵斷裂，只形成 1 個 π 鍵，同時形成 2 個 σ 鍵。

立體選擇性和變體

狄爾斯-阿爾德反應有幾個變體，如下所示 -

• 雜狄爾斯-阿爾德變體 - 所有這些反應都包含 1 個或多個雜原子。當羰基與二烯體結合時，會形成二氫吡喃。在氮雜狄爾斯-阿爾德反應中，亞胺可用作親雙烯體。作為這種反應的結果，形成了一個 N-雜環分子。當使用亞硝基分子作為親雙烯體時，由於與二烯體相互作用，會生成惡嗪。

• 路易斯酸應用 - 在此變體中，路易斯酸作為催化劑。它可用於包括 AlCl₃、BF₃、SnCl₄ 和 ZnCl₂ 在內的反應中。路易斯酸增加了親電性。這種變體具有更快的反應時間以及更高的立體選擇性和區域選擇性。僅限於低溫狄爾斯-阿爾德反應。

• 不對稱變體 - 一系列變數會影響該反應的立體選擇性。但是，此示例涉及使用手性助劑。含有相對較小分子的有機催化劑也可用於改變反應的立體選擇性。它具有許多重要的應用，例如維生素 B6 的合成以及環戊二烯及其可逆反應的商業開發。

• 六脫氫狄爾斯-阿爾德 - 即使沒有二烯體和烯烴，在此反應中也使用了二炔體或炔烴，從而產生不穩定的苯炔加合物，隨後可以回收以產生雜環化合物。這種反應還允許在一個步驟中生成廣泛的雙官能團芳香環。

狄爾斯-阿爾德反應的應用

狄爾斯-阿爾德反應可用於製備以下化合物 -

• 利用芳炔與雙官能團非環狀二烯的新型狄爾斯-阿爾德反應，經常解釋重要的順式取代二氫萘基本單元的製備。

• 多碳環和多雜環存在於天然和人造形式中。

• 許多生物鹼是修飾的喹啉以及其他具有吡咯並喹啉和環戊並喹啉環結構的 N-多雜環。

• 1,8-二氮雜-9,10-蒽醌化合物的對稱修飾。

• 由 N-甲苯磺醯基 (S, R)-甲基色氨酸合成的惡氮雜環硼烷催化了兩種溴丙烯醛和呋喃的對映選擇性狄爾斯-阿爾德生物合成。作為該反應的結果，產生了手性 7-氧雜雙環[2.2.1]庚烯類似物。

結論

狄爾斯-阿爾德反應是共軛二烯與烯烴之間的環加成反應。這種反應導致形成 1,4-加成產物。雖然二烯上存在吸電子基團，以及親雙烯體上存在給電子基團（雖然它是一個基團，也許是一個鍵，被吸引到二烯體上），但會促進狄爾斯-阿爾德反應。該反應的過程表明，它不會透過碳正離子中間體進行。然而，該反應是透過周環反應進行的，其中涉及電子對的環狀重排。在特定的順式加成反應中，二烯體和親雙烯體的初始立體化學得以保留。存在立體專一的狄爾斯-阿爾德反應。在整個反應過程中，取代基連線到二烯體或親雙烯體上，並保留其手性分子。

常見問題

1. 什麼導致狄爾斯-阿爾德反應的放熱和自發性？

在反應物中消除三個 π 鍵，同時在產物中形成兩個 σ 鍵和一個 π 鍵，會產生負的焓值，表明該反應是放熱和自發的。

2. 狄爾斯-阿爾德反應中內型和外型有什麼區別？

當 2 個環狀環在狄爾斯-阿爾德反應中結合時，它們之間會形成一個第 3 個環。2 個初始環可以以多種方式相互作用，從而導致不同的立體化學結果。這 2 個結果分別稱為“外型”和“內型”加成。

3. 什麼導致狄爾斯-阿爾德反應具有立體專一性？

該過程是立體專一的，因為親雙烯體的立體化學在環己烯產物中得以保留：反式親雙烯體生成反式產物，順式親雙烯體生成順式產物。

4. 為什麼狄爾斯-阿爾德反應可以逆轉？

這是一個可以逆轉的化學反應。雖然初始元素的熵高於產物，但在給定足夠高的溫度下，所有狄爾斯-阿爾德反應都可以逆轉為起始二烯體和親雙烯體。

5. 為什麼狄爾斯-阿爾德反應傾向於內型？

內型產物在熱力學上是優先的，因此表明它是在低溫以及有限時間條件下產生的主要產物。這是因為內型產物的合成平衡位置效率較低，導致次級軌道重疊。