Реакция Дильса — Альдера: эндо-правило и региоселективность
Эндо-правило
Циклопентадиен с диенофилом даёт бициклический продукт — производное бицикло[2.2.1]гептена (норборнена). Заместитель диенофила может быть направлен в нём двояко: к новой двойной связи бицикла (эндо-положение) или к мостику \(\ce{CH2}\) (экзо-положение).
Правило Альдера
При кинетическом контроле преобладает эндо-продукт, хотя он менее устойчив. Причина — в переходном состоянии. Когда акцепторная группа диенофила (например, C=O) расположена под диеном, её p-орбитали дополнительно взаимодействуют с p-орбиталями атомов C2 и C3 диена. Это вторичное орбитальное взаимодействие понижает энергию эндо-переходного состояния.
Экзо-продукт устойчивее: заместитель в нём меньше стеснён. При длительном нагревании обратимая реакция может привести к экзо-продукту — снова кинетический и термодинамический контроль (урок 67).
edit_noteРазбор задачи: циклопентадиен и метилакрилат
При 0 °C циклопентадиен и метилакрилат \(\ce{CH2=CH-COOCH3}\) образуют в основном эндо-метилбицикло[2.2.1]гепт-5-ен-2-карбоксилат: сложноэфирная группа направлена к двойной связи C5=C6. Так получается потому, что в переходном состоянии группа C=O находится под π-системой диена.
boltЭндо — к двойной связи
Эндо-продукт: заместитель диенофила обращён к двойной связи бицикла, экзо-продукт — к мостику \(\ce{CH2}\). Эндо образуется быстрее, экзо устойчивее.
auto_awesomeПравило с исключениями
Эндо-правило Альдер сформулировал в 1937 году. Оно хорошо выполняется для диенофилов с группами C=O, но не для всех: например, с диенофилами без акцепторных групп эндо- и экзо-продукты часто образуются в сравнимых количествах.
Региоселективность: правило орто-пара
Если и диен, и диенофил несимметричны, возможны два региоизомерных продукта. На практике один из них резко преобладает.
- 1-Замещённый диен (например, пента-1,3-диен) даёт орто-продукт: заместители при соседних атомах цикла (положения 1 и 2).
- 2-Замещённый диен (например, изопрен) даёт пара-продукт: заместители в положениях 1 и 4.
Мета-продукты (1,3) образуются в малых количествах.
Почему так
Донорный заместитель диена (алкильная группа, \(\ce{OCH3}\)) повышает электронную плотность на одном из концевых атомов диена. Акцепторная группа диенофила создаёт дефицит электронов на дальнем от неё атоме двойной связи: в метилакрилате частичный положительный заряд несёт группа \(\ce{CH2}\) (резонанс с группой C=O). Новая связь образуется прежде всего между атомом диена, более богатым электронами, и атомом диенофила, более бедным электронами.
edit_noteРазбор задачи: 2-метоксибутадиен и акролеин
Метоксигруппа при атоме C2 диена — донор; по резонансу электронная плотность повышается на атоме C1. Он связывается с группой \(\ce{CH2}\) акролеина, а атом C4 диена — с атомом, несущим группу CHO. В продукте метоксигруппа и группа CHO оказываются в положениях 1 и 4: 4-метоксициклогекс-3-енкарбальдегид — пара-продукт, как и предсказывает правило для 2-замещённого диена.
boltОрто-пара по номеру заместителя
Заместитель у атома C1 диена — орто-продукт, у атома C2 — пара-продукт. Название орто-пара заимствовано из химии бензола (урок 80): положения 1,2 и 1,4.
auto_awesomeСогласованная, но несимметричная
Правило орто-пара описывает строение продукта, а не механизм: реакция остаётся согласованной, просто одна из двух новых σ-связей в переходном состоянии образуется немного раньше другой.
Ретросинтез: от циклогексена к диену и диенофилу
Чтобы найти исходные вещества для производного циклогексена, проводят обратный анализ.
- Найдите в цикле двойную связь: она была одинарной связью C2–C3 диена.
- Атомы цикла, соседние с атомами двойной связи, — это атомы C1 и C4 бывшего диена.
- Разорвите две σ-связи, которыми эти атомы соединены с оставшейся парой атомов цикла.
- Четыре атома с двойной связью в середине превратите в диен с двумя концевыми двойными связями, оставшиеся два атома соедините двойной связью — это диенофил.
edit_noteРазбор задачи: 4-метилциклогекс-3-енкарбальдегид
Двойная связь цикла — между атомами C3 и C4, метильная группа — у атома C4. Соседние с ней атомы C2 и C5 — бывшие концы диена. Разрываем связи C1–C2 и C5–C6: четыре атома C2, C3, C4, C5 с метильной группой у третьего из них — это изопрен, а атомы C1 и C6 с группой CHO — акролеин. Правило орто-пара подтверждает выбор: 2-замещённый диен даёт пара-продукт.
boltПравило через одну
В продукте разрывают две σ-связи, отстоящие от двойной связи цикла на одну связь. Двойная связь цикла всегда была серединой диена.
auto_awesomeДильс — Альдер в полном синтезе
Реакцию Дильса — Альдера широко применяют в синтезе сложных молекул. Роберт Вудворд начал с неё синтез кортизона и холестерина (1951): в одну стадию образуется цикл и сразу нужная стереохимия.
push_pinГлавное
Циклические диены дают бициклические продукты; при кинетическом контроле преобладает эндо-продукт (правило Альдера), потому что в эндо-переходном состоянии акцепторная группа диенофила дополнительно взаимодействует с π-системой диена. Экзо-продукт устойчивее. Несимметричные реагенты подчиняются правилу орто-пара: 1-замещённый диен даёт 1,2-продукт, 2-замещённый — 1,4-продукт. Чтобы найти исходные вещества, в циклогексене разрывают две σ-связи, отстоящие от двойной связи цикла на одну связь.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.