Cikloadicija definicija, mehanizem, vrste in primeri Diels-Alder

Cikloadicija je kemijska reakcija med reaktanti z dvojnimi vezmi, ki se nadomestijo z obročasto strukturo. Gre za periciklično kemijsko reakcijo, pri kateri se "dve ali več nenasičenih molekul (ali delov iste molekule) združita z nastankom cikličnega adukta, pri katerem se neto zmanjša številčnost vezi". To je reakcija ciklizacije: pri njej nastane nov obroč iz atomov.

Cikloadicije so poimenovane po osnovni velikosti molekul, ki se združujejo. Tako bi bila Diels-Alderjeva reakcija [4 + 2]cikloadicija, 1,3-dipolarna cikloadicija pa [3 + 2]cikloadicija. Ta vrsta reakcije je nepolarna adicijska reakcija.

Mehanizem

Večina cikloadicij poteka po koncertiranem mehanizmu brez medstopenj s prostimi radikali ali nabitimi intermediatih. Elektroni se premikajo v zaprtem pericikličnem toku, kar vodi do hkratne tvorbe dveh (ali več) vezi in nastanka obroča. Ključen pristop za razumevanje mehanizma je teorija meja molekulskih orbital (FMO): reakcijo običajno obvladuje interakcija med HOMO ene komponente in LUMO druge komponente.

Woodward–Hoffmannova pravila določajo, katere cikloadicije so termalno dovoljene (najpogosteje suprafacialna interakcija obeh komponent pri [4+2]) in katere zahtevajo fotonsko vzbujanje, da postanejo simetrijsko dovoljene (na primer večina [2+2] cikloadicij je termalno prepovedana, fotokemijsko pa dovoljena).

Stereokemija in selektivnost

Stereooseba reakcija: cikloadicije so pogosto stereospecifične — konfiguracija reagenta se prenese v produkt (na primer cis/trans razmerja ostanejo ohranjena).
Endo/exo selektivnost: pri Diels–Alderjevih reakcijah je pogosta preferenca za endo-produkt (pri termalnih pogojih, zaradi sekundarnih orbitalnih interakcij), vendar lahko katalizatorji ali visoke temperature spremenijo razmerje.
Regioselektivnost: substituenti na diene in dienofilih določajo, kje se vezi oblikujejo; orbitalne in elektronske lastnosti usmerjajo nastanek bolj stabilnih izomerov.
Kataliza: Lewisove kisline (npr. AlCl3, BF3·OEt2) pogosto pospešijo reakcijo in izboljšajo regio- in stereoselektivnost z znižanjem energije LUMO dienofila.

Vrste cikloadicij

[4+2] Diels–Alder: najpogostejša; diene (4 π elektronov) reagirajo z dienofili (2 π elektrona) in tvorijo šestčlenski obroč.
[3+2] 1,3-dipolarne cikloadicije: vključujejo 1,3-dipole (npr. azidi, nitrili oksidi) in π-komponente (olefine ali akilini), klasičen primer je Huisgenova azid–alkinska cikloadicija (triazoli).
[2+2] cikloadicije: pogosto fotokemične; tvorijo štiričlenske obroče (pogosto v polimerizaciji ali fotokemičnih sintezah).
Heterociklične cikloadicije: vključujejo heteroatome (O, N, S) v obroču in so pomembne za sintezo heterocikličnih spojin.
Intramolekularne cikloadicije (IMC): reaktanti so povezani v isti molekuli — to poveča hitrosti in vodi do stereokemijsko kontroliranih cikličnih sistemov (uporabno v sintezi naravnih produktov).
Tandem in periciklične zaporedne reakcije: cikloadicije so pogosto del večstopenjskih procesov, ki hitro gradijo kompleksne skelete.

Primeri in uporaba (posebno: Diels–Alder)

Klasičen primer Diels–Alderjeve reakcije: 1,3-butadien + etilen → cikloheksen (praktično sicer pogosto uporabljajo bolj reaktiven dienofil, npr. maleinska anhidrida ali akrilati, za boljše izide).
Tipična laboratorijska ilustracija: ciklopentadien + maleinska anhidrida → norbornensk derivat (z izrazitim endo-prioritetnim produktom).
1,3-dipolarna cikloadicija: azid + aktilin → 1,2,3-triazol — v klik kemiji (CuAAC) postane zelo selektiven postopek za biokonjugacije in materialne aplikacije.
V organski sintezi: Diels–Alder se uporablja za hitro izgradnjo šestčlenskih obročev v sintezi naravnih produktov, zdravil in kompleksnih molekul.
Materiali in polimerizacija: cikloadicije so ključne v pripravi polimerov, mrež in v samoregardirnih (self-healing) materialih; reverzibilne cikloadicije (retro-Diels–Alder) omogočajo dinamične vezi.

Posebnosti in praktični vidiki

Retro-cikloadicija: reversibilnost (npr. retro-Diels–Alder) se izkorišča v analitikah, termični frakcijah in za generiranje reaktivnih presežkov v situ.
Temperatura in topilo: vplivata na hitrost in selektivnost; polarna topila in hladnejše temperature lahko povečajo selektivnost za določene produkte.
Asimetrična kataliza: z uporabo kiralnih Lewisovih kislin ali organokatalizatorjev je mogoče doseči visoko enantioselektivnost v cikloadicijah, kar je pomembno za sintezo enantič‑čistih zdravil.

Skupaj so cikloadicije izredno vsestranske in močno prispevajo k konstrukciji obročastih struktur v kemiji. Zaradi svoje stereospecificnosti, možnosti katalize in širokega razpona jeder so nepogrešljive tako v osnovni kot aplikativni kemiji.

Reakcijski mehanizem

Zaradi toplote lahko dvojne vezi tvorijo obroč. Pri toplotnih cikloadicijah običajno sodelujejo (4n + 2) π elektroni iz izhodne snovi za neko celo število n. Zaradi orbitalne simetrije je večina cikloadicij suprafacialno-suprafacialnih. Redko so antarafacialne-antarafacialne. Obstaja nekaj primerov termičnih cikloadicij, ki imajo 4n π elektronov (na primer cikloadicija [2 + 2]). Te potekajo v nadfacialno-antarafacialnem smislu. Na primer, dimerizacija ketena ima ortogonalni niz p orbital. Te p orbitale omogočajo, da reakcija poteka z uporabo navzkrižnega prehodnega stanja.

Svetloba lahko povzroči tudi, da dvojne vezi tvorijo obroč. Zaradi fotokemične aktivacije lahko pride tudi do cikloadicije, pri kateri sodelujejo 4n π elektroni. Pri tem ena komponenta povzroči premik elektrona iz najvišje zasedene molekulske orbitale (HOMO) (π vez) v najnižjo nezasedeno molekulsko orbitalo (LUMO) (π* anti vez). Ko elektron napreduje v višjo orbitalo, simetrija orbitale omogoča, da reakcija poteka na način suprafacialno-suprafacialno. Primer je DeMayova reakcija. Drug primer je prikazan spodaj, fotokemična dimerizacija cimetove kisline.

Upoštevajte, da vse fotokemične (2+2) ciklizacije niso cikloadicije; za nekatere je znano, da delujejo z radikalnimi mehanizmi.

Nekatere cikloadicije namesto s π-vezmi potekajo prek napeta ciklopropanskega obroča, saj ima ta pomemben π-značaj. Analogna Diels-Alderjevi reakciji je na primer reakcija kvadriciklan-DMAD:

V zapisu (i+j+...) cikloadicije se i in j nanašata na število atomov, ki sodelujejo v cikloadiciji. V tem zapisu je Diels-Alderjeva reakcija (4+2)cikloadicija, 1,3-dipolarna adicija, kot je prvi korak pri ozonolizi, pa (3+2)cikloadicija. Pri tem zapisu se uporabljajo oklepaji. Vendar pa IUPAC daje prednost zapisu [i+j+...], ki šteje elektrone in ne atomov. Uporablja oglate oklepaje. V tem zapisu sta Diels-Alderjeva in dipolarna reakcija [4+2]cikloadicija. Reakcija med norbornadienom in aktiviranim alkinom je [2+2+2]cikloadicija.

Vrste cikloadicije

Diels-Alderjeve reakcije

Diels-Alderjeva reakcija je reakcija [4+2]cikloadicije.

Diels-Alder reaction

Huisgenove cikloadicije

Huisgenova cikloadicijska reakcija je [2+3]cikloadicija.

1,3-cycloaddition

Cikloadicija nitron-olefin

Cikloadicija nitron-olefin je [3+2]cikloadicija.

Nitrone olefin cycloaddition

Formalne cikloadicije

Cikloadicije imajo pogosto kovinsko katalizirane in stopenjske radikalne analoge, vendar v strogem smislu ne gre za periciklične reakcije. Kadar so v cikloadicijo vključeni nabiti ali radikalni vmesni produkti ali kadar se rezultat cikloadicije nahaja v vrsti reakcijskih korakov, jih včasih imenujemo formalne cikloadicije, da se razlikujejo od pravih pericikličnih cikloadicij.

Primer formalne [3+3]cikloadicije med cikličnim enonom in enaminom, ki jo katalizira n-butillitij, je kaskadna reakcija Stork enamin / 1,2- adicija:

Intermolecular Formal [3+3] Cycloaddition Reaction

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je cikloadicija?

O: Cikloadicija je kemijska reakcija med reaktanti z dvojnimi vezmi, ki se nadomestijo z obročasto strukturo.

V: Katera vrsta kemijske reakcije je cikloadicija?

O: Cikloadicija je periciklična kemijska reakcija, pri kateri se "dve ali več nenasičenih molekul (ali delov iste molekule) združita z nastankom cikličnega adukta, pri katerem se neto zmanjša številčnost vezi".

V: Kaj naredi cikloadicijska reakcija?

O: Cikloadicija je reakcija ciklizacije: tvori nov obroč iz atomov.

V: Kako se cikloadicije imenujejo?

O: Cikloadicije so poimenovane po osnovni velikosti molekul, ki se združujejo.

V: Kaj je Diels-Alderjeva reakcija?

O: Diels-Alderjeva reakcija je [4 + 2] cikloadicija.

V: Kaj je 1,3-dipolarna cikloadicija?

O: 1,3-dipolarna cikloadicija je [3 + 2] cikloadicija.

V: Katera vrsta reakcije je cikloadicija?

O: Cikloadicija je nepolarna reakcija adicije.