II. Реакция Дильса –Альдера (диеновый синтез)
Сопряженным диенам свойственна важная в препаративном отношении реакции циклоприсоединения диенового синтеза. Реакции циклоприсоединения ненасыщенных углеводородов – реакции, протекающие с образованием продуктов циклического строения без отщепления каких-либо групп или атомов. Эти реакции классифицируют по числу π-электронов в каждом реагенте. Например, димеризация этилена рассматривается как [2π +2π]-циклоприсоединение.
К числу реакций [4π +2π]-циклоприсоединения относят реакции Дильса - Альдера. В реакции участвуют два компонента – диен и ненасыщенное соединение, называемое диенофилом. При этом образуется замещенный шестичленный цикл. В процессе реакции система из четырех π-электронов взаимодействует с системой из двух π-электронов, поэтому такую реакцию называют [4π +2π]-циклоприсоединением.
Реакция, протекает в отсутствие катализатора, как правило, при нагревании диена с диенофилом обычно при температуре 100-120 0С. Для этих реакций применяют инертные растворители или проводят их без растворителя. Этилен и простые алкены представляют собой «плохие» диенофилы, взаимодействие с ними если и может осуществляться, то только в жестких условиях и с невысоким выходом.
Одностадийный характер реакции Дильса-Альдера подтверждается тем, что она не требует катализатора и на скорость процесса не оказывают влияния никакие условия кроме температуры.
Электронодонорные заместители в диене облегчают реакцию циклоприсоединения. Напротив, диенофил должен содержать электроноакцепторные заместители при кратной связи.
При применении активных компонентов реакция Дильса-Альдера идет при низких температурах. Например, ниторэтилен реагирует с производными циклопентадиена даже при -100 0С.
В качестве диенофилов обычно применяют олефины, двойная связь которых активирована сопряжением с группами –СOOR, -COR, -CN, -CF3 и др. Кроме малеинового ангидрида, в качестве диенофилов часто используются тетрацианоэтилен (NC)2C=C(CN)2 , акролеин CH2=CH-CH=O, акриловая кислота CH2=CH-COOH и ее производные – эфиры CH2=CH-COOR и нитрил CH2=CH-CN, а также п-бензохинон.
Алкины также могут вступать в качестве диенофилов в реакциях Дильса - Альдера.
Диены могут быть ациклическими, но могут содержать одну или обе двойные связи внутри ненапряженного кольца. Если в реакцию вступает циклический диен, то образуется производные бициклических углеводородов.
Диенофилы реагируют также с сопряженной системой двойных связей некоторых гетероциклов. Активность гетероциклов в этой реакции убывает в ряду: фуран > пиррол> тиофен.
Из ароматических карбоциклов с диенофилами в мягких условиях реагируют антрацен; бензол и нафталин, обладающие более устойчивой ароматической системой, в реакцию диенового синтеза в обычных условиях не вступают. Антрацен относится к ароматическим углеводородам, но его ароматический характер выражен несравненно меньше, чем у бензола: ароматическая π-система сильно деформирована в центральном кольце преобладает диеновый характер. Реакция антрацена с диенофилами облегчается еще и тем, что в результате образуются два полноценных бензольных кольца, которые обладают высокой степенью ароматичности. Диенофил – п-бензохинон – имеет пониженную электронную плотность С=С-связи и поэтому сам является сильным акцептором электронов. Реакцию можно представить как связывание ВЗМО антрацена и НСМО диенофила, т.е. происходит синхронное перемещение электронной плотности без образования каких-либо интермедиатов.
Реакции Дильса – Альдера протекают и с гетероатомными насыщенными соединениями.
Реакция Дильса – Альдера протекает как согласованный процесс через циклическое переходное состояние. Ее механизм включает перераспределение шести электронов в шестичленном переходном состоянии. Атомы углерода двойной связи диенофила и атомы С-1 и С-4 диеновой системы регибридизуются из sp2- в sp3-состояние. Атомы С-2 и С-3 диеновой системы сохраняют sp2-гибридизацию и образуют новую двойную связь. В переходном состоянии разрываются три π-связи, образуются две σ-связи и одна π-связь.
Поскольку σ-связи более стабильны, чем π-связь, реакция Дильса – Альдера, как правило, экзотермична.
Реакции циклоприсоединения являются стереоспецифичными и следуют ряду правил.
Правило 1. В рамках теории МО реакции циклоприсоединения рассматривают как взаимодействие донора и акцептора. В реакциях Дильса – Альдера диен рассматривают в качестве донора, а диенофил – в качестве акцептора электронов.
Правило 2. Реакция протекает как син-присоединение по отношению как к диену, так и диенофилу и является поэтому стереоспецифичной.
Связь между атомами С-2 и С-3 диеновой системы имеет в некоторой степени двоесвязанный характер. Это приводит к тому, что свободное вращение вокруг такой связи затруднено и, следовательно, возможно существование двух конформеров, различающихся расположением двойных связей относительно одинарной связи. Такие геометрические формы молекулы диена называют s-цис- и s-транс-конформерами. Эти конформеры могут переходить друг в друга вследствие вращения вокруг формально простой связи. По энергетическому состоянию s-транс-форма стабильнее s-цис-формы:
Необходимым условием для успешного осуществления реакции Дильса – Альдера является нахождение диена в s-цис-конформации (либо он должен иметь возможность принимать ее во время реакции). Циклопентадиен является одним из наиболее активных диенов, поскольку в нем закреплена благоприятная цисоидная конфомация двойных связей. Диены, в которых s-транс-конформация закреплена, не вступают в реакцию циклоприсоединения.
По отношению к диенофилу реакция Дильса – Альдера протекает как стереспецифичное син-присоединение (цис-присоединение). Если диенофилом служит (Z)-алкен, то в конечном продукте сохранится цис-конфигурация заместителей. Если диенофил является (Е)-алкеном, то заместители в продукте реакции будут находиться в транс-положении:
Правило 3. Реакции Дильса – Альдера ускоряются электронодонор- ными заместителями в диене и электроноакцепторными заместителями в диенофиле.
Например, очень легко проекает реакции 2,3-диметил-1,3-бутадиена с этилендикарбоновыми кислотами и их эфирами.
Правило 4. Если в диенофиле имеется электроноакцепторный ненасыщенный заместитель, то среди продуктов реакции Дильса – Альдера преобладает стереоизомер в котором указанный заместитель ориентирован в сторону π-связи аддукта – эндо-изомер.
Анализ строения аддуктов циклопентадиена с акролеином дает возможность показать суть эндо-правила. Преобладающим продуктом указанного взаимодействия является эндо-изомер 2-формилбицикло[2.2.1]-5-гептена. В эндо-изомере формильная группа ориентирована в сторону двойной связи бицикла.
Реакции диенового синтеза имеют большую синтетическую ценность для получения соединений, содержащих шестичленные циклы. Она протекает легко и с высокими выходами.
Реакции диенового синтеза являются обратимыми. Термическому разложению в большей или меньшей степени подвержены все аддукты. Эта реакция носит название ретродиенового распада. При распаде разрушаются только аллильные связи; винильные связи при этом не затрагиваются. Ретродиеновый распад, как правило, приводит к исходным соединениям. Эта реакция используется для выделения сопряженных диенов из смесей с другими олефинами, а также для защиты сопряженной системы связей (например, от полимеризационных процессов) при реакциях замещающих групп. Например, лабораторным способом получения 1,3-бутадиена может служить пропускание циклогексена через кварцевую трубку при 650 0С в смеси с парами воды. В этих протекает ретореакция Дильса-Альдера:
Диеновый синтез находит также применение при промышленно важных синтезах инсектицидов – хлордана, альдрина, дильдрина.