Cycloadditionen

Cycloadditionen vereinigen zwei Pi-Systeme in einem einzigen konzertierten Schritt zu einem Ring, wobei die Diels-Alder-[4+2]-Reaktion die leistungsfähigste ringbildende Reaktion in der organischen Synthese ist.

Definition

Eine Cycloaddition ist eine pericyclische Reaktion, bei der sich zwei oder mehr ungesättigte Moleküle zu einem cyclischen Addukt verbinden, wobei die Anzahl der Pi-Bindungen netto reduziert und neue Sigma-Bindungen gebildet werden.

Scope

Dieses Thema behandelt die Diels-Alder-Reaktion und ihre Regio- und Stereochemie, die Rolle der Elektronik von Dien und Dienophil, die Endo-Regel, 1,3-dipolare Cycloadditionen, photochemische [2+2]-Cycloadditionen und die Grenzorbitaltheorie der Durchführbarkeit von Cycloadditionen.

Core questions

• Warum ist die thermische Diels-Alder-[4+2]-Reaktion erlaubt, während die thermische [2+2]-Reaktion verboten ist?
• Was steuert die Regiochemie und die Endo-/Exo-Stereochemie der Diels-Alder-Reaktion?
• Wie beschleunigen Elektronennachfrage- und Substituenteneffekte Cycloadditionen?

Key theories

Diels-Alder-[4+2]-Cycloaddition

Ein Dien und ein Dienophil verbinden sich suprafacial in einer konzertierten, stereospezifischen [4+2]-Reaktion zu einem Cyclohexen, wobei in einem Schritt zwei Sigma-Bindungen und bis zu vier Stereozentren gebildet werden.

Grenzorbital-Kontrolle von Cycloadditionen

Die Geschwindigkeit und Orientierung von Cycloadditionen ergeben sich aus der Überlappung des HOMO des Diens mit dem LUMO des Dienophils (oder umgekehrt), was die elektronische Beschleunigung und Regioselektivität erklärt.

Mechanisms

Die Diels-Alder-Reaktion verläuft über einen einzigen aromatischen Übergangszustand, in dem das Dien eine s-cis-Konformation einnehmen muss; die suprafacial-suprafaciale Addition macht sie stereospezifisch und bewahrt die Geometrie beider Partner. Sekundäre Orbitalwechselwirkungen begünstigen den Endo-Übergangszustand. 1,3-dipolare Cycloadditionen folgen einem analogen [4+2]-artigen Mechanismus unter Verwendung eines Dipols und eines Dipolarophils.

Clinical relevance

Cycloadditionen bilden die sechsgliedrigen Ringe und polycyclischen Gerüste, die in Naturprodukten und Medikamenten weit verbreitet sind; die kupferkatalysierte Azid-Alkin-Version (Click-Chemie) ist zu einem Schlüsselwerkzeug für die Biokonjugation und Wirkstoffentdeckung geworden.

History

Diels und Alder berichteten 1928 über ihre namensgebende Reaktion, eine Arbeit, die 1950 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wurde; Huisgen systematisierte später 1,3-dipolare Cycloadditionen und erweiterte das Konzept auf eine breite Klasse von Heterocyclesynthesen.

Key figures

• Otto Diels
• Kurt Alder
• Rolf Huisgen

Seminal works

• dielsalder1928
• careysundberg2007a

Frequently asked questions

Was ist die Endo-Regel?

Die Endo-Regel besagt, dass die Diels-Alder-Reaktion in der Regel den Endo-Übergangszustand bevorzugt, bei dem sich die Substituenten des Dienophils unter das Dien schieben; sekundäre Orbitalwechselwirkungen stabilisieren diese Anordnung und machen das Endo-Produkt zur kinetischen Präferenz.

Warum muss das Dien s-cis sein?

Nur in der s-cis-Konformation können die beiden Enden des Diens beide Enden des Dienophils erreichen, um den neuen Ring zu bilden; ein s-trans fixiertes Dien kann die Diels-Alder-Reaktion nicht eingehen.