Elektrociklična reakcija: definicija, mehanizem in stereoselektivnost
V organski kemiji je elektrociklična reakcija posebna vrsta periciklične reakcije preureditve, pri kateri se v eni concertirani (enostopenjski) preureditvi spremeni ena vez pi v eno vez sigma (zapiranje obroča) ali obratno, ena vez sigma v vez pi (odpiranje obroča). Elektrociklične reakcije imajo več skupnih značilnosti:
- lahko so spodbudjene s svetlobo (fotoinducirane) ali s toploto (termične); način poteka (konrotatorno ali disrotatorno) je odvisen od stanja (ground ali excited)
- način reakcije je odvisen od števila π elektronov v konjugiranem sistemu; pomembno je, ali gre za sistem z 4n ali 4n+2 π elektroni
- reakcija lahko zapre obroč (elektrociklizacija) ali odpre obroč (elektrociklično odpiranje)
- stereospecifičnost je določena s konrotatorno ali disrotatorno tvorbo prehodnega stanja, kot to napovedujejo Woodward-Hoffmannova pravila
Osnovni mehanizem in pravila izbire poti
Elektrociklične reakcije potekajo concertirano skozi ciklično prehodno stanje, pri čemer so ključne simetrijske lastnosti molekulske orbitalne porazdelitve. Woodward-Hoffmannova pravila dajejo preprosto pravilo, katera stereokemijska pot bo termično in katera fotokemično favorizirana:
- Za sisteme z 4n π elektroni (n = 1, 2, ...): termično poteka konrotatorno, fotokemično pa disrotatorno.
- Za sisteme z 4n+2 π elektroni (n = 0, 1, ...): termično poteka disrotatorno, fotokemično pa konrotatorno.
To pomeni, da je odločilen HOMO reagenta (pri termični reakciji) oziroma orbitali v fotokemijskem ekscitiranem stanju: pri zapiranju obroča morajo p-orbitale vzdolž konjugiranega sistema poravnati faze tako, da se lahko tvorijo ali prekinjajo σ vezi brez kršitve ohranitve simetrije orbit.
Metoda mejnih orbital (FMO) in primeri
Metoda mejne orbite (frontier molecular orbital, FMO) pojasni, zakaj določena smer rotacije (konrotatorna ali disrotatorna) vodi do produkta z ustrezno simetrijo. Pri termičnem odpiranju ciklobutenov (4 π elektronov) se σ vez odpira tako, da nastale p-orbitale ohranijo fazno ujemanje HOMO produkta (butadiena). To je mogoče le s konrotatornim odpiranjem obroča, medtem ko bi disrotatorno odpiranje dalo nezdružljive faze in zato neproduktivno pot.
Tipičen primer je termična reakcija obročnega odpiranja 3,4-dimetilciklobutena. Cis-izomer daje izključno cis,trans-2,4-heksadien, medtem ko trans-izomer daje trans,trans-dien. Slika prikazuje potek in stereokemijo:
Diagram mejnih orbital, ki prikazuje faze lobusov in zahtevo po konrotatornem odpiranju v tem primeru, je prikazan spodaj:
Torkoselektivnost (torquoselectivity) in stereokontrol
Torkoselektivnost se nanaša na preferenčno smer vrtenja (»torque«) substituentov med elektrocikličnim zapiranjem ali odpiranjem. Čeprav je splošna metoda (konrotatorno/disrotatorno) določena z orbitalno simetrijo, lahko dodatni dejavniki — sterični vplivi, elektronski učinki substituentov, koordinacija s kovinskimi kationi ali kompleksacija z Lewisovimi kislinami — favorizirajo eno smer vrtenja nad drugo. Posledica je lahko enantioselektivnost (enantiomerni presežek) ali diastereoselektivnost produkta.
Pri konrotatorni reakciji imajo substituenti še vedno možnost vrtenja v levo ali desno; če noben vpliv ne preferira smeri, se tvori racemična mešanica enantiomerov. Če pa nek dejavnik omeji eno smer vrtenja (delno ali popolnoma), nastane enantiomerni presežek produkta. Takšno nadzorovanje torkoselektivnosti se uporablja v sintetični kemiji za pridobivanje posameznih stereoizomerov.
Pomembne reakcije in aplikacije
Nazarova reakcija ciklizacije je praktičen primer elektrociklične elektrociklizacije, pri kateri se divinilketoni pretvorijo v ciklopentenone; to je pomembna metoda za gradnjo cikličnih struktur v organski sintezi. (Odkril jo je Ivan Nikolajevič Nazarov (1906–1957).)
Drugi primeri vključujejo elektrocilizacijo heksatriena v cikloheksadien (6 π sistem) in različne fotokemijske elektrociklične reakcije, ki se uporabljajo pri pripravi poličnih naravnih produktov in kompleksnih cikličnih ogljikovih ogrodij. Elektrociklične reakcije so tudi temelj nekaterih procesov v materialih in fotokemiji, kjer se s svetlobo krmilijo spremembe konjugacije in oblikovanja obročev.
Zaključek in eksperimentalni dokazi
Kemike zanimajo elektrociklične reakcije, ker eksperimentalni rezultati pogosto potrjujejo teoretične napovedi ohranitve simetrije molekulskih orbital in ohranitev njihovega zaporedja. Spektralni podatki, stereokemijska analiza produktov in študije z oznakami (labeling) dajejo neposredne dokaze za concertiran mehanizem in napovedano stereospecifičnost.
V praksi se izbira termalnega ali fotokemičnega pogoja ter uvedba katalizatorjev ali koordinacijskih partnerjev uporablja kot orodje za nadzor stereokemije in torkoselektivnosti, kar omogoča natančno načrtovanje sintez kompleksnih molekul.
Več o stereokemiji elektrocikličnih reakcij in praktičnih primerih najdete v specializirani literaturi ter v izvornih člankih o Woodward–Hoffmannovih pravilih in o konkretnih reakcijah, kot je Nazarova ciklizacija.
Woodward-Hoffmanova pravila
Woodward-Hoffmannova pravila obravnavajo ohranjanje simetrije orbital v elektrocikličnih reakcijah.
Korelacijski diagrami povezujejo molekulske orbitale reaktanta z orbitali produkta z enako simetrijo. Korelacijske diagrame lahko narišemo za oba procesa.
Ti korelacijski diagrami kažejo, da je "simetrično dovoljeno" le konrotacijsko odpiranje obroča 3,4-dimetilciklobutena, medtem ko je "simetrično dovoljeno" le disrotacijsko odpiranje obroča 5,6-dimetilcikloheksa-1,3-diena. Razlog za to je, da bi le v teh primerih prišlo do največjega prekrivanja orbital v prehodnem stanju. Poleg tega bi bil nastali produkt v osnovnem stanju in ne v vzbujenem stanju.
Mejna molekularna orbitalna teorija
Teorija mejnih molekulskih orbital predvideva, da se bo vez sigma v obroču odprla tako, da bodo nastale p-orbitale imele enako simetrijo kot HOMO produkta.
Zgornji diagram prikazuje dva primera. Pri 5,6-dimetilcikloheksa-1,3-dienu (zgornja vrstica diagrama) bi le disrotacijski način povzročil, da bi p-orbitale imele enako simetrijo kot HOMO heksatriena. Dve p-orbitali se vrtijo v nasprotnih smereh. Pri 3,4-dimetilciklobutenu (spodnja vrstica diagrama) bi le konrotacijski način povzročil, da bi p-orbitali imeli enako simetrijo kot HOMO butadiena. P-oribtale se vrtijo v isti smeri.
Elektrociklizacije vzbujenega stanja
Svetloba lahko premakne elektron v vzbujeno stanje, ki zaseda višjo orbitalo. Vzbujeni elektron zasede LUMO, ki ima višji energijski nivo od stare orbitale elektrona. Če svetloba odpre obroč 3,4-dimetilciklobutena, bo nastala elektrociklizacija z disrotacijskim načinom namesto s konrotacijskim. Korelacijski diagram za dovoljeno reakcijo odpiranja obroča v vzbujenem stanju kaže, zakaj:
Največje prekrivanje orbital v prehodnem stanju je mogoče le pri disrotacijskem načinu, pri katerem se simetrija glede na odbojno ravnino ohranja ves čas reakcije. Tudi v tem primeru bi nastal produkt, ki je v vzbujenem stanju s stabilnostjo, primerljivo z vzbujenim stanjem reaktantne spojine.
Elektrociklične reakcije v bioloških sistemih
Elektrociklične reakcije se v naravi pogosto pojavljajo. Ena najpogostejših takšnih reakcij v naravi je biosinteza vitamina D3.
V prvem koraku svetloba odpre obroč 7-dehidroholesterola, tako da nastane predvitamin D3. To je fotokemično inducirana konrotatorna elektrociklična reakcija. Drugi korak je [1,7]-hidridni premik, pri katerem nastane vitamin D3.
Drug primer je predlagana biosinteza aranotina, oksepina, ki ga najdemo v naravi, in sorodnih spojin.
Fenilalanin se uporablja za izdelavo diketopiperazina (ni prikazano). Nato encimi epoksidirajo diketopiperazin, da nastane arenski oksid. Ta se podvrže reakciji elektrociklizacije z odpiranjem 6π disrotacijskega obroča, pri čemer nastane necikliziran oksepin. Po drugi epoksidaciji obroča bližnji nukleofilni dušik napade elektrofilni ogljik, pri čemer nastane petčlenski obroč. Nastali obročni sistem je pogost obročni sistem, ki ga najdemo v aranotinu in sorodnih spojinah.
Benzonorkaradienski diterpenoid (A) smo z vrenjem raztopine metilen klorida preuredili v benzocikloheptatrienski diterpenoid izosalvipuberlin (B). To pretvorbo si lahko predstavljamo kot disrotacijsko elektrociklično reakcijo, ki ji sledita dva nadfazna 1,5-sigmatropna vodikova premika, kot je prikazano spodaj:
Področje uporabe
Primer elektrociklične reakcije je konrotatorno termično obročno odpiranje benzociklobutana. Produkt reakcije je zelo nestabilen orto-kvinodimetan. Ta molekula se lahko ujame v endo adiciji z močnim dienofilom, kot je maleinski anhidrid, na Diels-Alderjev adukt. Ugotovljeno je bilo, da je kemijski izkoristek pri odpiranju obroča benzociklobutana, prikazanega v shemi 2, odvisen od vrste substituenta R. Pri reakcijskem topilu, kot je toluen, in reakcijski temperaturi 110 °C se izkoristek povečuje od metila prek izobutilmetila do trimetilsililmetila. Povečano hitrost reakcije za trimetilsilil spojino je mogoče razložiti s hiperkonjugacijo silicija, saj vez βC-Si oslabi ciklobutansko vez C-C z oddajanjem elektronov.
V zvezi z izolacijo in sintezo nekaterih endiandričnih kislin je bila odkrita biomimetična elektrociklična kaskadna reakcija:
Vprašanja in odgovori
V: Kaj je elektrociklična reakcija?
O: Elektrociklična reakcija je vrsta periciklične reakcije preureditve, pri kateri ena vez pi postane vez sigma ali ena vez sigma postane vez pi.
V: Kako potekajo elektrociklične reakcije?
O: Elektrociklične reakcije poganja svetloba (fotoinducirane) ali toplota (termične).
V: Kako število pi elektronov vpliva na elektrociklično reakcijo?
O: Število pi elektronov vpliva na način reakcije pri elektrociklični reakciji.
V: Kaj se zgodi med procesom elektrociklizacije?
O: Med postopkom elektrociklizacije se lahko obroč zapre.
V: Kaj določa stereospecifičnost pri elektrociklični reakciji?
O: Stereospecifičnost v elektrociklični reakciji je določena s konrotatornim ali disrotatornim prehodnim stanjem, kot predvidevajo Woodward-Hoffmannova pravila.
V: Kaj je torkvoselektivnost v zvezi z elektrociklično reakcijo?
O: Torkoselektivnost se nanaša na smer, v katero se substituenti vrtijo med elektrociklično reakcijo, pri kateri lahko nastanejo enantiomerni produkti, če poteka po konrotacijskem postopku, in presežek enantiomerov, če poteka po torkoselektivnem postopku.
V:Kateri primer ponazarja, kako metoda mejne orbite pojasnjuje, kako to deluje?
O:Reakcija termičnega obročnega odpiranja 3,4-dimetil ciklobutena je primer, ki ponazarja, kako metoda frontier-orbital pojasnjuje, kako to deluje. Vez sigma se bo odprla tako, da bodo nastale p-orbitale imele enako simetrijo kot najvišja zasedena molekulska orbitala (HOMO) produkta (butadiena). To se zgodi le pri konrotatornem odpiranju obroča, ki povzroči nasprotne znake za dva lobusa na zlomljenih koncih obroča, medtem ko bi disrotatorni tvorili antivezavo.
