Κεφάλαιο 9: Περικυκλικές αντιδράσεις

Transcript

1 Κεφάλαιο 9: Περικυκλικές αντιδράσεις Σύνοψη Το κεφάλαιο αυτό ασχολείται με τη μελέτη των περικυκλικών αντιδράσεων, συμπεριλαμβανομένων των ηλεκτροκυκλικών αντιδράσεων, των αντιδράσεων κυκλοπροσθήκης, των σιγματοτροπικών αναδιατάξεων και των αντιδράσεων ενίου. Γίνεται ανάλυση διαφόρων παραμέτρων που επηρεάζουν την πορεία και έκβασή τους και δίνονται κάποιες από τις σημαντικότερες αντιδράσεις που χωρούν με αυτού του είδους τις αντιδράσεις. Η συγγραφή του κεφαλαίου βασίστηκε εν μέρει στα σχετιζόμενα κεφάλαια των βιβλιογραφικών αναφορών [1-12]. Προαπαιτούμενη γνώση Για την ευκολότερη και καλύτερη κατανόηση αυτού του κεφαλαίου ο αναγνώστης θα πρέπει να είναι σε θέση να σχεδιάζει σωστές δομές Lewis, να έχει εξοικειωθεί με τη χρήση κυρτών βελών, να κατέχει τους βασικούς κανόνες ονοματολογίας και στερεοχημείας, να αναγνωρίζει τις διάφορες τάξεις οργανικών ενώσεων και να γνωρίζει καλά τη θεωρία μοριακών τροχιακών και τη θερμοδυναμική θεώρηση μιας οργανικής αντίδρασης (και ό,τι σχετίζεται με αυτήν). Για τα αντικείμενα αυτά ο αναγνώστης μπορεί να ανατρέχει στα σχετιζόμενα κεφάλαια των βιβλιογραφικών αναφορών [1-12] και στα προηγούμενα κεφάλαια του παρόντος συγγράμματος. 9. Περικυκλικές αντιδράσεις Περικυκλική είναι μια αντίδραση στην οποία, μέσω μιας κυκλικής μεταβατικής κατάστασης, γίνεται η ταυτόχρονη δημιουργία ή/και διάσπαση δεσμών στο άκρο ενός ή περισσότερων π συστημάτων. Οι αντιδράσεις αυτές είναι σύγχρονες και δεν μεσολαβεί κανένα ενδιάμεσο, πράγμα που τις διαφοροποιεί από τις περισσότερες πολικές αντιδράσεις ή αντιδράσεις ριζών. 9.1 Ταξινόμηση των περικυκλικών αντιδράσεων Οι περικυκλικές αντιδράσεις διακρίνονται στις ηλεκτροκυκλικές αντιδράσεις (παράγραφος 9.2), στις αντιδράσεις κυκλοπροσθήκης (παράγραφος 9.3), στις σιγματοτροπικές αναδιατάξεις (παράγραφος 9.4) και στις αντιδράσεις ενίου (παράγραφος 9.5). Στις ηλεκτροκυκλικές αντιδράσεις (electrocyclic reactions) μπορεί να λαμβάνει χώρα σχηματισμός δακτυλίου (ηλεκτροκυκλικές αντιδράσεις κλείσιμου δακτυλίου, ring-closing electrocyclic reactions) ή διάνοιξη δακτυλίου (ηλεκτροκυκλικές αντιδράσεις διάνοιξης δακτυλίου, ring-opening electrocyclic reactions). Στην πρώτη περίπτωση δημιουργείται ένας σ δεσμός μεταξύ των άκρων ενός συζυγιακού π συστήματος, ενώ στη δεύτερη (αντίστροφη πορεία) ένας σ δεσμός διασπάται για να δώσει ένα συζυγιακό σύστημα. Τυπικά σε μια διαδικασία κλείσιμου δακτυλίου ο αριθμός των σ δεσμών αυξάνεται κατά 1, ενώ ο αριθμός των π δεσμών μειώνεται κατά 1 (το αντίθετο συμβαίνει στις διαδικασίες διάνοιξης). Οι ηλεκτροκυκλικές αντιδράσεις μπορούν επιπλέον να ταξινομηθούν ανάλογα με τον αριθμό των π ηλεκτρονίων που εμπλέκονται στην αντίδραση, Σχήμα

2 Σχήμα 9.1 Παραδείγματα ηλεκτροκυκλικών αντιδράσεων. Στις αντιδράσεις κυκλοπροσθήκης (cycloaddition reactions) δύο σ δεσμοί δημιουργούνται μεταξύ των άκρων δύο π συστημάτων για να σχηματισθεί ένα κυκλικό προϊόν. Η αντίθετη διαδικασία καλείται retroκυκλοπροσθήκη (retro-cycloaddition). Οι αντιδράσεις αυτές ταξινομούνται ανάλογα με τον αριθμό των ατόμων κάθε συστατικού που εμπλέκονται στη μετατροπή (x και y) ή τον αριθμό των ηλεκτρονίων κάθε συστατικού που εμπλέκονται στη μετατροπή (x και y ). Σε κάθε περίπτωση, αυτό υποδεικνύεται με τη μορφή [x+y] ή [x +y ] και πρέπει να διευκρινίζεται αν η αναφορά γίνεται σε αριθμό ατόμων ή ηλεκτρονίων. Μερικές από τις πιο γνωστές περικυκλικές αντιδράσεις είναι αντιδράσεις κυκλοπροσθήκης, όπως οι [2+2] κυκλοπροσθήκες (1), οι αντιδράσεις Diels-Alder (2) και οι 1,3-διπολικές κυκλοπροσθήκες (3), Σχήμα 9.2. Τυπικά σε μιαν τέτοια διαδικασία ο αριθμός των σ δεσμών αυξάνεται κατά 2, ενώ ο αριθμός των π δεσμών μειώνεται κατά 2. Οι χηλοτροπικές αντιδράσεις μπορούν επίσης να ταξινομηθούν ως αντιδράσεις κυκλοπροσθήκης (4). Σχήμα 9.2 Παραδείγματα αντιδράσεων κυκλοπροσθήκης. Στις σιγματοτροπικές αναδιατάξεις (sigmatotropic rearrangements) λαμβάνει χώρα μετακίνηση ενός σ δεσμού γειτονικού ενός ή δύο π συστημάτων σε μια νέα θέση μέσα στο μόριο με την ταυτόχρονη αναδιοργάνωση του ή των π συστημάτων. Οι αντιδράσεις αυτές ταξινομούνται ανάλογα με τον αριθμό των ατόμων καθενός των συστημάτων που εμπλέκονται στη μετατροπή (x και y) και αυτό υποδεικνύεται με τη μορφή [x,y], Σχήμα 9.3. Τυπικά σε μιαν τέτοια διαδικασία ο αριθμός των σ δεσμών και των π δεσμών δεν μεταβάλλεται. Σχήμα 9.3 Παραδείγματα αντιδράσεων σιγματοτροπικής αναδιάταξης. Στις αντιδράσεις ενίου (ene reactions) ένα αλλυλικό συστατικό 4 ατόμων αντιδρά με ένα άλλο συστατικό με π δεσμό με τη δημιουργία ενός σ δεσμού και τη μετακίνηση ενός Η (συνήθως). Είναι πάντα μια διαδικασία 6 ηλεκτρονίων, Σχήμα 9.4. Τυπικά σε μιαν τέτοια διαδικασία ο αριθμός των σ δεσμών αυξάνεται κατά 1, ενώ ο αριθμός των π δεσμών μειώνεται κατά 1. 2

3 Σχήμα 9.4 Παράδειγμα αντίδρασης ενίου. 9.2 Ηλεκτροκυκλικές αντιδράσεις Η αντιστρεπτότητα των ηλεκτροκυκλικών αντιδράσεων Όπως αναφέρθηκε και στην παράγραφο 9.1, στις ηλεκτροκυκλικές αντιδράσεις ένας νέος σ δεσμός δημιουργείται ή διασπάται στα άκρα ενός συζυγιακού συστήματος. Οι αντιδράσεις αυτές είναι αντιστρεπτές και η ισορροπία καθορίζεται από τη σχετική σταθερότητα του άκυκλου και του κυκλικού συστήματος. Θεωρητικά η κυκλική ένωση θα έπρεπε να είναι σταθερότερη, αλλά αυτό δεν συμβαίνει πάντα, ιδιαίτερα στις περιπτώσεις μικρών δακτυλίων με μεγάλη τάση, Σχήμα 9.5. Σχήμα 9.5 Η ισορροπία μερικών ηλεκτροκυκλικών αντιδράσεων Η στερεοειδικότητα των ηλεκτροκυκλικών αντιδράσεων Οι ηλεκτροκυκλικές αντιδράσεις είναι στερεοειδικές και το αποτέλεσμά τους, σε ό,τι αφορά το στερεοχημικό αποτέλεσμα, εξαρτάται από τις πειραματικές συνθήκες. Αντιπροσωπευτικό παράδειγμα αποτελεί η ισορροπία 1,3-βουταδιενίου/κυκλοβουτενίου, Σχήμα 9.6. Μια προσεκτική ματιά στον τρόπο αλληλεπίδρασης των τροχιακών δείχνει καταρχήν ότι το 1,3-βουταδιένιο μπορεί να αντιδράσει μόνο μέσω της s-ζ-διαμόρφωσης. Επιπλέον, είναι προφανές ότι θα πρέπει να υπάρχει περιστροφή των άκρων ώστε να επιτευχθεί η επικάλυψη των τροχιακών που θα δημιουργήσουν αυτόν τον δεσμό. Σχήμα 9.6 Ο τρόπος επικάλυψης των τροχιακών σε μιαν ηλεκτροκυκλική αντίδραση. 3

4 Όμως, η περιστροφή αυτή μπορεί να γίνει με δύο διαφορετικούς τρόπους: τη συν-στροφική διαδικασία Α (con-rotatory, όπου τα άκρα περιστρέφονται με την ίδια φορά) και την αντι-στροφική διαδικασία Β (disrotatory, όπου τα άκρα περιστρέφονται με την αντίθετη φορά), Σχήμα 9.7. Η ανάλυση αυτή πρακτικά δεν έχει ιδιαίτερη σημασία για το ίδιο το 1,3-βουταδιένιο (αφού και οι δύο πορείες οδηγούν στο ίδιο προϊόν), αλλά σε υποκατεστημένα συστήματα τα προϊόντα θα είναι διαφορετικά. Και μάλιστα, με βάση τα πειραματικά δεδομένα, με συνθήκες θέρμανσης η αντίδραση χωρεί με τη συν-στροφική διαδικασία, ενώ με φωτοχημικές συνθήκες η αντίδραση χωρεί με την αντι-στροφική διαδικασία. Σχήμα 9.7 Οι συν- και αντι-στροφικές διαδικασίες περιστροφής. Η θεώρηση των μετωπικών μοριακών τροχιακών (FMOs, frontier molecular orbitals) βοηθά σημαντικά στην κατανόηση αυτού του φαινομένου. Έτσι, στην περίπτωση της θερμικής αντίδρασης το υψηλότερης ενέργειας κατειλημμένο τροχιακό (ΗΟΜΟ, highest occupied molecular orbital) είναι το ψ 2, ενώ το χαμηλότερης ενέργειας μη κατειλημμένο τροχιακό (LUMO, lowest unoccupied molecular orbital) είναι το ψ 3. Το ΗΟΜΟ είναι αυτό μέσω του οποίου γίνεται η διαδικασία μετάβασης στη μεταβατική κατάσταση και, όπως φαίνεται, μόνο με μια συν-στροφική διαδικασία περιστροφής μπορούν τα επικαλυπτόμενα τροχιακά να είναι της ίδιας φάσης, Σχήμα 9.8. Σχήμα 9.8 Η θερμική κυκλοποίηση του 1,3-βουταδιενίου μέσω των FMOs. Αντίθετα, στην περίπτωση της φωτοχημικής αντίδρασης, λόγω της μετάβασης ενός ηλεκτρονίου από το ψ 2 στο ψ 3, το ΗΟΜΟ αντιστοιχεί στο τελευταίο και το LUMO είναι στο ψ 4. Έτσι, τώρα μόνο με μιαν αντιστροφική διαδικασία μπορούν τα επικαλυπτόμενα τροχιακά να είναι της ίδιας φάσης, Σχήμα

5 Σχήμα 9.9 Η φωτοχημική κυκλοποίηση του 1,3-βουταδιενίου μέσω των FMOs. Ένας εναλλακτικός τρόπος παρουσίασης αυτής της εκλεκτικότητας είναι με τη διερεύνηση των FMOs που οδηγούν σε αντίδραση, μέσω των όρων suprafacial (ή απλά supra) και antarafacial (ή απλά antara). Η αλληλεπίδραση ενός π συστήματος σε μιαν περικυκλική αντίδραση χαρακτηρίζεται ως suprafacial όταν η επικάλυψη των τροχιακών γίνεται από την ίδια φάση και antarafacial όταν γίνεται από αντίθετες φάσεις, Σχήμα Σχήμα 9.10 Η θεώρηση της supra-antara προσέγγισης στην κυκλοποίηση του 1,3-βουταδιενίου. Η στερεοχημεία της ηλεκτροκυκλικής κυκλοποίησης του 1,3,5-εξατριενίου είναι αντίθετη αυτής που αναφέρθηκε για το 1,3-βουταδιένιο. Δηλαδή, η θερμική αντίδραση χωρεί μέσω μιας αντι-στροφικής διαδικασίας, ενώ η φωτοχημική αντίδραση μέσω μιας συν-στροφικής διαδικασίας, Σχήμα Σχήμα 9.11 Η θεώρηση της ηλεκτροκυκλικής κυκλοποίησης του 1,3,5-εξατριενίου. Σύμφωνα με τα παραπάνω έχουν διαμορφωθεί κανόνες επιλογής για τις ηλεκτροκυκλικές αντιδράσεις, οι κανόνες Woodward-Hoffmann (Woodward-Hoffmann rules), Πίνακας

6 Πίνακας 9.1 Οι κανόνες επιλογής για τις ηλεκτροκυκλικές αντιδράσεις (Woodward-Hoffmann) (n = 0, 1, 2, ) Η στερεοεκλεκτικότητα των ηλεκτροκυκλικών αντιδράσεων Οι ηλεκτροκυκλικές αντιδράσεις εκτός από στερεοειδικές είναι και στεροεκλεκτικές. Η εξέταση της ηλεκτροκυκλικής διάνοιξης του trans-3,4-διμεθυλοκυκλοβουτενίου αποτελεί έναν εύκολο τρόπο κατανόησης αυτής της ιδιότητας. Σύμφωνα με όσα ειπώθηκαν στην παράγραφο η φωτοχημική αντίδραση είναι μια συν-στροφική διαδικασία. Ωστόσο, η συν-στροφική διαδικασία μπορεί να υφίσταται προς δύο διαφορετικές κατευθύνσεις, οδηγώντας σε δύο ισομερή προϊόντα (Α και Β). Στην πράξη ευνοείται περισσότερο το ένα από τα δύο (Β), λόγω της μεγάλης στερεοχημικής παρεμπόδισης που υφίσταται στη μεταβατική κατάσταση του άλλου, Σχήμα Σχήμα 9.12 Η στερεοεκλεκτικότητα της αντίδρασης ηλεκτροκυκλικής διάνοιξης του trans-3,4-διμεθυλοκυκλοβουτενίου. 9.3 Αντιδράσεις κυκλοπροσθήκης Οι αντιδράσεις κυκλοπροσθήκης διακρίνονται στις [2+2] κυκλοπροσθήκες (παράγραφος 9.3.1), τις αντιδράσεις Diels-Alder (παράγραφος 9.3.2), τις αντιδράσεις 1,3-διπολικής κυκλοπροσθήκης (παράγραφος 9.3.3) και τις χηλοτροπικές αντιδράσεις (παράγραφος 9.3.4) Αντιδράσεις [2+2] κυκλοπροσθήκης Η γενική θεώρηση των αντιδράσεων [2+2] κυκλοπροσθήκης Οι αντιδράσεις [2+2] κυκλοπροσθήκης ([2+2] cycloaddition reactions) παρέχουν τη δυνατότητα σύνθεσης τετραμελών δακτυλίων. Είναι αντιδράσεις στις οποίες δύο π συστήματα αντιδρούν για να δώσουν κυκλοβουτανικά και κυκλοβουτενικά παράγωγα, Σχήμα

7 Σχήμα 9.13 Το γενικό σχήμα των αντιδράσεων [2+2] κυκλοπροσθήκης. Διακρίνονται σε θερμικές αντιδράσεις (ένα από τα αντιδρώντα συμμετέχει μέσω antara προσέγγισης και γενικά είναι σπάνιες λόγω της γεωμετρικής και τροχιακής τάσης) και στις φωτοχημικές αντιδράσεις (και τα δύο αντιδρώντα συμμετέχουν μέσω supra προσέγγισης). Κατηγοριοποιούνται στις φωτοχημικές [2+2] κυκλοπροσθήκες (παράγραφος ), τις [2+2] κυκλοπροσθήκες κετενών (παράγραφος ) και τις [2+2] κυκλοπροσθήκες καρβονυλικών ενώσεων (παράγραφος ) Φωτοχημικές [2+2] κυκλοπροσθήκες Ο πιο συνήθης τύπος φωτοχημικών [2+2] κυκλοπροσθηκών αφορά στην αντίδραση ενονών με πολλαπλούς δεσμούς, Σχήμα Σχήμα 9.14 Παράδειγμα [2+2] κυκλοπροσθήκης ενόνης. Εντούτοις, η αντίδραση αυτή δεν είναι συχνά σύγχρονη και η στερεοχημεία του αλκενίου δεν διατηρείται, π.χ. Σχήμα Σχήμα 9.15 Η μη διατήρηση της συμμετρίας σε μιαν αντίδραση [2+2] κυκλοπροσθήκης. H θεώρηση των FMOs των [2+2] κυκλοπροσθηκών των ενονών εξηγεί γιατί οι αντιδράσεις αυτές είναι επιτρεπτές φωτοχημικά και όχι θερμικά, κατ αναλογία με τις ηλεκτροκυκλικές αντιδράσεις (παράγραφος 9.2.2), Εικόνα 9.1. Έτσι, στη θερμική αντίδραση η προσέγγιση είναι sa (απαγορευμένη), ενώ στη φωτοχημική είναι ss (επιτρεπτή) με τη μετακίνηση ενός ηλεκτρονίου σε υψηλότερη ενέργεια (φωτοδιέγερση) για ένα από τα δύο αλκένια (αλκένιο β). Εικόνα 9.1 Η θεώρηση των FMOs σε μιαν αντίδραση [2+2] κυκλοπροσθήκης ενόνης. Η τοποεκλεκτικότητα της αντίδρασης εξαρτάται από τους υποκαταστάτες του αλκενίου, Σχήμα

8 Σχήμα 9.16 Η τοποεκλεκτικότητα στις αντιδράσεις φωτοχημικής [2+2] κυκλοπροσθήκης. Η αντίδραση γίνεται μέσω της διεγερμένης κατάστασης της ενόνης με αναστροφή της πολικότητας. Γι αυτό και θα πρέπει η μελέτη της τοποεκλεκτικότητας να βασίζεται σε αυτήν την πόλωση, Σχήμα Σχήμα 9.17 Παράδειγμα εξήγησης της τοποεκλεκτικότητας στις αντιδράσεις φωτοχημικής [2+2] κυκλοπροσθήκης. Στις αντιδράσεις φωτοχημικής [2+2] κυκλοπροσθήκης χρησιμοποιούνται κυρίως κυκλικές ενόνες (εξαμελείς ή μικρότερες), γιατί τα άκυκλα ανάλογα ή τα κυκλικά με μεγαλύτερο δακτύλιο δίνουν συνήθως ισομερείωση cis-trans. Οι ενδομοριακές αντιδράσεις χωρούν ευκολότερα και η τοποεκλεκτικότητά τους δεν ακολουθεί τους κανόνες των διαμοριακών, Σχήμα Σχήμα 9.18 Παράδειγμα αντίδρασης ενδομοριακής φωτοχημικής [2+2] κυκλοπροσθήκης. Ιδιαίτερη περίπτωση φωτοχημικής [2+2] κυκλοπροσθήκης είναι η αντίδραση De Mayo (De Mayo reaction), στην οποία ένα αλκένιο αντιδρά με την ενολική μορφή μιας 1,3-δικετόνης, Σχήμα Το αρχικά σχηματιζόμενο προϊόν (αλδόλη) δίνει στη συνέχεια μια retro-αλδολική αντίδραση (παράγραφος ) και σχηματίζεται μια 1,5-δικετόνη. Η αντίδραση γίνεται με κυκλικές και με άκυκλες 1,3-δικετόνες. Σχήμα 9.19 Παράδειγμα αντίδρασης De Mayo. 8

9 [2+2] Κυκλοπροσθήκες κετενών Οι κετένες μπορούν να παρασκευαστούν από τα αντίστοιχα αλογονίδια οξέων με την επίδραση μιας βάσης (αντίδραση απόσπασης Ε2, δείτε την παράγραφο 3.2.1). Οι περισσότερες δεν είναι σταθερές και έτσι παρασκευάζονται in situ. Δίνουν εύκολα θερμικές αντιδράσεις [2+2] κυκλοπροσθήκης με εκτεταμένη εφαρμογή στη σύνθεση κυκλικών κετονών (όταν αντιδρούν με αλκένια) και λακταμών (όταν αντιδρούν με ιμίνες), Σχήμα Σχήμα 9.20 Παρασκευή κυκλικών κετονών και λακταμών από κετένες. Η αντίδραση χωρεί θερμικά με σύγχρονο μηχανισμό μέσω της sa προσέγγισης, λόγω της ιδιαίτερης στερεoχημικής διευθέτησης των π τροχιακών της κετένης, Σχήμα Σχήμα 9.21 Η θεώρηση των FMOs για τις αντιδράσεις [2+2] κυκλοπροσθήκης κετενών. Γενικά γίνεται παραδεκτό ότι υπάρχει αρχικά μεγαλύτερη προσέγγιση του C του καρβονυλίου με τον περισσότερο πυρηνόφιλο C του αλκενίου, Σχήμα Σχήμα 9.22 Η προσέγγιση των αντιδρώντων σε μιαν αντίδραση [2+2] κυκλοπροσθήκης κετένης. Η γεωμετρία προσέγγισης των αντιδρώντων σε αυτές τις αντιδράσεις οδηγεί στον σχηματισμό του προϊόντος εκείνου στο οποίο ο μεγαλύτερος υποκαταστάτης της κετένης είναι προσανατολισμένος προς την περισσότερο στερεοχημικά παρεμποδισμένη πλευρά του κυκλοβουτανονικού δακτυλίου, Σχήμα

10 Σχήμα 9.23 Παράδειγμα στερεοεκλεκτικότητας σε μιαν αντίδραση [2+2] κυκλοπροσθήκης κετένης. Οι κετένες με ακετυλενικά παράγωγα δίνουν κυκλοβουτενόνες, Σχήμα Σχήμα 9.24 Παράδειγμα αντίδρασης κετένης με ακετυλυνικό παράγωγο. Οι ενδομοριακές αντιδράσεις γίνονται ευκολότερα όταν η κετένη και η ολεφίνη απέχουν 3 άτομα C, Σχήμα Σχήμα 9.25 Παραδείγματα ενδομοριακών αντιδράσεων [2+2] κυκλοπροσθήκης κετενών [2+2] Κυκλοπροσθήκες καρβονυλικών ενώσεων Η φωτοχημική κυκλοπροσθήκη αλκενίων σε αλδεΰδες ή κετόνες καλείται αντίδραση Paterno-Büchi (Paterno- Büchi reaction) και δίνει οξετανικά παράγωγα, Σχήμα Γενικά γίνεται παραδεκτό ότι ο μηχανισμός δεν είναι σύγχρονος, αλλά ότι περιλαμβάνει μια δίρριζα. Σχήμα 9.26 Η αντίδραση Paterno-Büchi. Πιο συνήθεις είναι οι αντιδράσεις με αλκένια που υπάγονται στην κατηγορία των ενολαιθέρων, οι οποίες εμφανίζουν μέτρια τοποεκλεκτικότητα (1), Σχήμα Μεγαλύτερη τοποεκλεκτικότητα δίνουν τα φουρανικά παράγωγα (2). Τα προϊόντα κυκλοπροσθήκης καρβονυλικών ενώσεων με ενολαιθέρες (και φουράνια) είναι στην πραγματικότητα ακετάλες και υδρολύονται σε όξινο περιβάλλον (3). 10

11 Σχήμα 9.27 Παραδείγματα αντιδράσεων Paterno-Büchi με ενολαιθέρες και φουράνια Η αντίδραση Diels-Alder Η γενική θεώρηση της αντίδραση Diels-Alder H αντίδραση Diels-Alder (Diels-Alder reaction) είναι μια [4+2] κυκλοπροσθήκη (σε ό,τι αφορά τόσο τον αριθμό ατόμων όσο και τον αριθμό π ηλεκτρονίων). Στην κλασική της εκδοχή χωρεί μεταξύ ενός 1,3-διενίου (διένιο, diene) και ενός συστήματος με π δεσμό (διενόφιλο, dienophile) δίνοντας ένα κυκλοεξενικό παράγωγο, Σχήμα Είναι μια σύγχρονη αντίδραση που χωρεί με μικρή επίδραση της πολικότητας του διαλύτη. Οι αντιδράσεις Diels-Alder έχουν γενικά μεγάλη ενέργεια ενεργοποίησης, αλλά χωρούν γιατί δημιουργούνται δύο σ δεσμοί με την κατανάλωση δύο π δεσμών και η διαδικασία είναι εξώθερμη. Σχήμα 9.28 Το γενικό σχήμα μιας αντίδρασης Diels-Alder. Ανάλογα με τους υποκαταστάτες στο διένιο και στο διενόφιλο, οι αντιδράσεις Diels-Alder διακρίνονται σε αντιδράσεις κανονικής ηλεκτρονικής απαίτησης (normal electron demand reactions), σε ουδέτερες και σε αντίστροφης ηλεκτρονικής απαίτησης (reverse electron demand reactions). Οι αντιδράσεις κανονικής ηλεκτρονικής απαίτησης γίνονται με ηλεκτρονικά φτωχά διενόφιλα (φέρουν δέκτες ηλεκτρονίων) και ηλεκτρονικά πλούσια διένια (φέρουν δότες ηλεκτρονίων). Μια αντίδραση Diels-Alder αντίστροφης ηλεκτρονικής απαίτησης γίνεται με διενόφιλα ηλεκτρονικά πλούσια και διένια ηλεκτρονικά φτωχά. Βέβαια υπάρχουν και ενδιάμεσες περιπτώσεις, όπως π.χ. το διενόφιλο να μην είναι ηλεκτρονικά φτωχό, αλλά το διένιο να είναι ηλεκτρονικά πλούσιο. Για τις αντιδράσεις αυτές απαιτούνται δραστικότερες συνθήκες. Η θεώρηση των FMOs μπορεί να βοηθήσει στην κατανόηση της εξάρτησης της ταχύτητας μιας αντίδρασης Diels-Alder σε σχέση με τη φύση των αντιδρώντων. Σε μιαν αντίδραση κανονικής ηλεκτρονικής απαίτησης υφίσταται αλληλεπίδραση του ΗΟΜΟ διενίου με το LUMO διενόφιλου. Αντίθετα, σε μιαν αντίδραση αντίστροφης ηλεκτρονικής απαίτησης υφίσταται αλληλεπίδραση LUMO διενίου -HOMO διενόφιλου, Εικόνα

12 Εικόνα 9.2 Η αλληλεπίδραση των FMOs στις αντιδράσεις Diels-Alder κανονικής και αντίστροφης ηλεκτρονικής απαίτησης. Η ενέργεια της μεταβατικής κατάστασης μιας αντίδρασης Diels-Alder σχετίζεται με την ισχύ της αλληλεπίδρασης των επικαλυπτόμενων τροχιακών και, κατά συνέπεια, με τη διαφορά στην ενέργεια των τελευταίων. Όσο μικρότερη είναι η διαφορά στην ενέργεια των επικαλυπτόμενων τροχιακών τόσο μικρότερη θα είναι και η ενέργεια της μεταβατικής κατάστασης και κατ επέκταση τόσο μεγαλύτερη η ταχύτητα της αντίδρασης. Σε μιαν αντίδραση κανονικής ηλεκτρονικής απαίτησης υποκαταστάτες δότες ηλεκτρονίων στο διένιο αυξάνουν την ενέργεια του HOMO του και υποκαταστάτες δέκτες ηλεκτρονίων στο διενόφιλο μειώνουν την ενέργεια του LUMO του, ευνοώντας έτσι την αντίδραση. Η ανάλογη θεώρηση ισχύει και για τις αντιδράσεις αντίστροφης ηλεκτρονικής απαίτησης, Εικόνα 9.3. Εικόνα 9.3 Η συσχέτιση της ταχύτητας της αντίδρασης Diels-Alder με τις ενέργειες των FMOs. Παρατηρώντας την επικάλυψη των FMOs στην Εικόνα 9.2 διαπιστώνουμε ότι και στις δύο περιπτώσεις η αλληλεπικάλυψη των τροχιακών γίνεται με ss τρόπο (s = suprafacial) γι αυτό και οι αντιδράσεις Diels-Alder ταξινομούνται ως [π 4 s+ π 2 s] κυκλοπροσθήκες και είναι θερμικά επιτρεπτές και φωτοχημικά απαγορευμένες. 12

13 Η τοποοεκλεκτικότητα της αντίδρασης Diels-Alder Στις αντιδράσεις Diels-Alder κανονικής ηλεκτρονικής απαίτησης, ανάλογα με τους υποκαταστάτες στο διένιο και στο διενόφιλο, διακρίνονται οι παρακάτω περιπτώσεις (Σχήμα 9.29): Τα 1-υποκατεστημένα διένια όταν αντιδρούν με μονο-υποκατεστημένα αλκένια δίνουν κατά προτίμηση τα «ορθο»-προϊόντα (συνήθως η αναλογία είναι 6:1-9:1), (1). Τα 2-υποκατεστημένα διένια όταν αντιδρούν με μονο-υποκατεστημένα αλκένια δίνουν κατά προτίμηση τα «παρα»-προϊόντα (συνήθως η αναλογία είναι 6:1-10:1), (2). Η πολλαπλή υποκατάσταση επηρεάζει συνεργιστικά, (3), ή ανταγωνιστικά, (4), το τοποεκλεκτικό αποτέλεσμα. Για τους υποκαταστάτες του διενίου ισχύει γενικά η ακόλουθη σειρά επηρεασμού: ΝΗCO 2 R > SR > OR > R > H. Σχήμα 9.29 Η τοποεκλεκτικότητα μιας αντίδρασης Diels-Alder κανονικής ηλεκτρονικής απαίτησης. Η εκλεκτικότητα αυτή μπορεί να εξηγηθεί εύκολα διερευνώντας την πόλωση των συμμετεχόντων ατόμων με βάση τις ευνοούμενες δομές συντονισμού σε κάθε αντιδραστήριο (διένιο και διενόφιλο). Μπορεί επίσης να δικαιολογηθεί με τη θεώρηση των συντελεστών των FMOs. Αν και ο δεύτερος τρόπος είναι ο θεωρητικά περισσότερο ορθός, ο πρώτος τρόπος προσέγγισης είναι πιο εύκολος. Με ανάλογο τρόπο γίνεται και η ανάλυση της τοποεκλεκτικότητας στις αντιδράσεις Diels-Alder αντίστροφης ηλεκτρονικής απαίτησης, Σχήμα

14 Σχήμα 9.30 Παράδειγμα τοποεκλεκτικότητας μιας αντίδρασης Diels-Alder αντίστροφης ηλεκτρονικής απαίτησης Η στεροειδικότητα της αντίδρασης Diels-Alder (αρχή της cis-προσθήκης) Εξαιτίας της ss προσέγγισης των τροχιακών (παράγραφος ), η γεωμετρία του διενόφιλου και του διενίου διατηρούνται στο προϊόν της αντίδρασης Diels-Alder (αρχή της cis-προσθήκης, cis-addition principle), δηλαδή η αντίδραση είναι στερεοειδική, Σχήμα Παρατηρήστε ότι η αρχή της cis-προσθήκης ισχύει μόνο για υποκαταστάτες του ίδιου συστατικού (διένιο και διενόφιλο). Σχήμα 9.31 Η στερεοειδικότητα μιας αντίδρασης Diels-Alder Η στεροεκλεκτικότητα της αντίδρασης Diels-Alder (endo κανόνας) Η αντίδραση Diels-Alder είναι στερεοκλεκτική σε ό,τι αφορά τη σχετική διευθέτηση στο χώρο των υποκαταστατών του διενίου και του διενόφιλου (endo κανόνας, endo rule). Προτιμάται ο σχηματισμός του endo προϊόντος (cis, κινητικό προϊόν) παρά του exo (trans, θερμοδυναμικό προϊόν), Σχήμα Η μεταβατική κατάσταση που οδηγεί στο endo προϊόν (TS 1 ) ευνοείται λόγω σταθεροποιητικών δευτερογενών αλληλεπιδράσεων των τροχιακών, παρά το γεγονός ότι υφίσταται μεγαλύτερη στερεοχημική παρεμπόδιση. Στις άλλες περιπτώσεις αποτελεί απλά το σημείο εκκίνησης για τη διερεύνηση της στερεοκλεκτικότητας. 14

15 Σχήμα 9.32 Παράδειγμα στερεοεκλεκτικότητας μιας αντίδρασης Diels-Alder. O endo κανόνας ισχύει πολύ ικανοποιητικά ιδιαίτερα για αντιδράσεις κυκλικών διενίων ή/και κυκλικών διενόφιλων, Σχήμα Σχήμα 9.33 Παράδειγμα στερεοεκλεκτικότητας μιας αντίδρασης Diels-Alder κυκλικού διενίου. Όμως, σε όλες τις περιπτώσεις προϋπόθεση είναι να υφίστανται οι σταθεροποιητικές δευτερογενείς αλληλεπιδράσεις των τροχιακών κι αυτό επιτυγχάνεται με υποκαταστάτες δέκτες στο διενόφιλο, Σχήμα Σχήμα 9.34 Παράδειγμα στερεοεκλεκτικότητας μιας αντίδρασης Diels-Alder μεταξύ διυποκατεστημένου διενίου και διυποκατεστημένου διενόφιλου. Εφαρμόζοντας τα όσα αναφέρθηκαν παραπάνω (για την τοποεκλεκτικότητα, την αρχή της cisπροσθήκης και τον endo-κανόνα) σε ένα διενόφιλο με δέκτη ηλεκτρονίων προκύπτει το γενικευμένο Σχήμα Σημειώνεται πως αποδίδεται η σχετική στερεοχημεία των υποκαταστατών και όχι η απόλυτη (το προϊόν είναι στην πράξη ρακεμικό μίγμα). Σχήμα 9.35 Το γενικευμένο σχήμα στερεοεκλεκτικότητας και τοποεκλεκτικότητας σε μιαν αντίδραση Diels-Alder κανονικής ηλεκτρονικής απαίτησης. Η endo εκλεκτικότητα μπορεί να αυξηθεί με την κατάλυση από οξέα κατά Lewis, με την αύξηση της πίεσης και με την αύξηση της θερμοκρασίας, Σχήμα

16 Σχήμα 9.36 Παράδειγμα στερεοεκλεκτικότητας σε μιαν αντίδραση Diels-Alder ανάλογα με τις πειραματικές συνθήκες. H endo εκλεκτικότητα αναιρείται όταν το αρχικά σχηματιζόμενο endo προϊόν βρίσκεται σε ισορροπία με τα αντιδρώντα (δείτε και την παράγραφο ). Τότε σχηματίζεται το θερμοδυναμικά σταθερότερο exo ισομερές, Σχήμα 9.37 (δείτε και τη θεώρηση για τον σχηματισμό του κινητικού ή θερμοδυναμικού προϊόντος στην παράγραφο 1.9.4). Σχήμα 9.37 Παράδειγμα αναίρεσης του endo κανόνα. H endo εκλεκτικότητα ισχύει ικανοποιητικά και για τις αντιδράσεις αντίστροφης ηλεκτρονικής απαίτησης Ο παράγοντας διενόφιλο Δραστικά διενόφιλα θεωρούνται εκείνα που φέρουν υποκαταστάτες που είναι είτε δέκτες (αντίδραση κανονικής ηλεκτρονικής απαίτησης) είτε δότες (αντίδραση αντίστροφης ηλεκτρονικής απαίτησης) ηλεκτρονίων. Αντιπροσωπευτικά, το μέγεθος επίδρασης των υποκαταστατών που είναι δέκτες ηλεκτρονίων στην ταχύτητα μιας αντίδρασης κανονικής ηλεκτρονικής απαίτησης δίνεται στο Σχήμα Οι αλκυλομάδες κάνουν πιο αργές τις αντιδράσεις, λόγω στερεοχημικής παρεμπόδισης. Σχήμα 9.38 Η δραστικότητα διαφόρων διενίων στην αντίδραση Diels-Alder με το κυκλοπενταδιένιο. Ανάλογα, λόγω μειωμένης στερεοχημικής παρεμπόδισης, τα trans διενόφιλα αντιδρούν γρηγορότερα από τα ισομερή τους cis, Εικόνα

17 Εικόνα 9.4 Η διαφορά δραστικότητας cis-trans ισομερών διενίων στην αντίδραση Diels-Alder Ο παράγοντας διένιο Για να αντιδράσουν τα διένια πρέπει να υφίστανται με την s-z διαμόρφωση (cisoid). Τα απλά διένια δεν είναι ιδιαίτερα δραστικά γιατί η s-e (transoid) είναι περισσότερο σταθερή, (1), Σχήμα Αντίθετα, η ύπαρξη υποκαταστάτων στη θέση 2 ή στις θέσεις 2 και 3 ευνοεί την s-z διαμόρφωση, (2) και (3). Επίσης, τα Ε-1- μονο-υποκατεστημένια διένια βρίσκονται σε ισορροπία και είναι δραστικά (4), ενώ τα Ζ-1-μονουποκατεστημένια διένια έχουν κυρίως την s-ε διαμόρφωση και δεν είναι δραστικά (5). Η ενέργεια που απαιτείται για την ισομερείωση της s-e στην s-z διαμόρφωση [στην περίπτωση της (1) είναι περίπου 2,3 kcal/mol] συμβάλλει σημαντικά στη συνολική ενέργεια ενεργοποιήσεως της αντίδρασης. Σχήμα 9.39Η σύγκριση σταθερότητας της cisoid και της transoid διαμόρφωσης για διάφορα διένια. Τα κυκλικά διένια είναι ιδιαίτερα δραστικά, αφού θεωρείται ότι είναι «κλειδωμένα» στη cisoid διαμόρφωση, Εικόνα

18 Εικόνα 9.5 Η δραστικότητα των κυκλικών διενίων. Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω (παράγραφος ), τα πλούσια ηλεκτρονικά αλκένια είναι δραστικά σε αντιδράσεις κανονικής ηλεκτρονικής απαίτησης. Η σχετική δραστικότητα διαφόρων διενίων στην αντίδρασή τους με τον μηλεϊνικό ανυδρίτη δίνεται στο Εικόνα 9.6. Εικόνα 9.6 Η σχετική δραστικότητα διαφόρων διενίων. Το διένιο Danishefsky (Danishefky s diene, Α) είναι ένα πολύ δραστικό διένιο που δίνει αντιδράσεις ακόμα και με μη δραστικά διενόφιλα. Είναι ένας σιλυλενολαιθέρας, που οδηγεί, μετά την υδρόλυση του προϊόντος κυκλοπροσθήκης, σε κυκλοεξανονικά παράγωγα, Σχήμα Σχήμα 9.40 Η σύνθεση και μια αντίδραση Diels-Alder του διενίου Danishefsky. Γενικά τα μη δραστικά διένια αντιδρούν μόνο με πολύ δραστικά διενόφιλα ή ενδομοριακά Η επίδραση των οξέων κατά Lewis στην αντίδραση Diels-Alder Τα οξέα κατά Lewis αυξάνουν συνήθως την ταχύτητα της αντίδρασης Diels-Alder μειώνοντας την ενέργεια του LUMO του διενόφιλου, Σχήμα Παραδείγματα τέτοιων καταλυτών είναι: BF 3, ZnCl 2, SnCl 4, MgBr 2 και διαλυτά σύμπλοκα των λανθανιδών. Σχήμα 9.41 Παράδειγμα κατάλυσης μιας αντίδρασης Diels-Alder από οξύ κατά Lewis. 18

19 Τα οξέα κατά Lewis αυξάνουν την τοποεκλεκτικότητα της αντίδρασης Diels-Alder αυξάνοντας τη διαφορά των μαγνητικών συντελεστών του διενόφιλου, Σχήμα H παρατηρούμενη εκλεκτικότητα εξαρτάται σημαντικά από τον τρόπο συναρμογής του οξέος κατά Lewis. Σχήμα 9.42 Παράδειγμα της επίδρασης οξέος κατά Lewis στην τοποεκλεκτικότητα της αντίδρασης Diels-Alder. Τα οξέα κατά Lewis αυξάνουν την endo εκλεκτικότητα της αντίδρασης αλλάζοντας τον μαγνητικό συντελεστή του υποκαταστάτη του διενόφιλου και αυξάνοντας έτσι τη δυνατότητα δευτερογενών αλληλεπιδράσεων των τροχιακών (δείτε και την παράγραφο ). Το νερό μπορεί να δράσει ως ασθενές οξύ κατά Lewis με τη δημιουργία δεσμών Η και να επιταχύνει τις αντιδράσεις αυξάνοντας ταυτόχρονα την endo εκλεκτικότητα Αντιδράσεις ετερο-diels-alder Στις αντιδράσεις ετερο-diels-alder (hetero-diels-alder reactions) ένα ή περισσότερα άτομα των π δεσμών του διενόφιλου ή/και του διενίου έχουν αντικατασταθεί από ετεροάτομα. Τα ετεροδιενόφιλα (heterodienophiles) είναι συνήθως φτωχά ηλεκτρονικά και δίνουν κανονικές αντιδράσεις Diels-Alder (ΗΟΜΟ διενίου ελεγχόμενες). Στον Πίνακα 9.2 δίνεται μια σύνοψη των αντιδράσεων που δίνουν διάφορα ετεροδιενόφιλα και ετεροδιένια (heterodienes). 19

20 Πίνακας 9.2 Οι κυριότερες κατηγορίες ετεροδιενόφιλων και ετεροδιενίων Ενδομοριακές αντιδράσεις Diels-Alder Οι ενδομοριακές αντιδράσεις Diels-Alder (intramolecular Diels-Alder reactions) ευνοούνται λόγω της εντροπίας και γι αυτό απαιτούνται ηπιότερες συνθήκες (γίνονται και μη με δραστικά συστήματα). Κατά τις αντιδράσεις αυτές δημιουργούνται δύο δακτύλιοι οι οποίοι ανάλογα με την προσέγγιση των π συστημάτων μπορεί να είναι cis ή trans, Σχήμα Γενικά παρατηρείται υψηλή στερεοεκλεκτικότητα και τοποεκλεκτικότητα. Η endo εκλεκτικότητα εξαρτάται από τις πειραματικές συνθήκες και τα συμμετέχοντα υποστρώματα. 20

21 Σχήμα 9.43 Παρaδείγματα μελέτης της στερεοχημείας ενδομοριακών αντιδράσεων Diels-Alder Αντιδράσεις retro-diels-alder Πολλές από τις αντιδράσεις Diels-Alder είναι αντιστρεπτές και καλούνται αντιδράσεις retro-diels-alder (retro-diels-alder reactions). Οι μετατροπές αυτές δεν ευνοούνται ιδιαίτερα αφού είναι ενδόθερμες (δείτε την παράγραφο ), αλλά σε ορισμένες περιπτώσεις γίνονται με σχετική ευκολία, εδικά όταν ένα από τα προϊόντα της αντίδρασης είναι αέριο, π.χ. Ν 2, CO 2 (αύξηση της εντροπίας) ή σχηματίζεται αρωματικό σύστημα. Οι αντιδράσεις retro-diels-alder μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την τροποποίηση των προϊόντων κυκλοπροσθήκης και στη συνέχεια τη σύνθεση προϊόντων διαφορετικών των αρχικών διενίων και διενόφιλων, Σχήμα

22 Σχήμα 9.44 Παράδειγμα τροποποίησης ενός αλκενίου μέσω μιας αντίδρασης retro-diels-alder Αντιδράσεις 1,3-διπολικής κυκλοπροσθήκης Γενική θεώρηση των αντιδράσεων 1,3-διπολικής κυκλοπροσθήκης Οι αντιδράσεις 1,3-διπολικής κυκλοπροσθήκης (1,3-dipolar cycloadditio reactions) είναι [4+2] κυκλοπροσθήκες σε ό,τι αφορά τον αριθμό των π ηλεκτρονίων, αλλά [3+2] κυκλοπροσθήκες σε ό,τι αφορά τον αριθμό των ατόμων. Δηλαδή συμμετέχουν σε αυτές 6π ηλεκτρόνια, όπως και στις αντιδράσεις Diels- Alder. Η διαφορά εντοπίζεται στο αντιδρών των 4π ηλεκτρονίων το οποίο είναι 1,3-δίπολο (1,3-dipole), έχει 3 άτομα και τουλάχιστον το ένα από αυτά (το b) είναι ετεροάτομο. Τα δίπολα αυτά αντιδρούν με π συστήματα (διπολόφιλα, dipolarophiles) για να δώσουν πενταμελή ετεροκυκλικά παράγωγα, Σχήμα Σχήμα 9.45 Το γενικό σχήμα αντίδρασης 1,3-διπόλων σε αντιδράσεις 1,3-διπολικής κυκλοπροσθήκης. Tα δίπολα είναι συνήθως ασταθείς οντότητες που παρασκευάζονται in situ. Διακρίνονται σε δύο κατηγορίες, αλλυλικού και προπαργυλο-αλλενυλικού τύπου, Σχήμα Σχήμα 9.46 Οι δύο κατηγορίες 1,3-διπόλων Στον Πίνακα 9.3 δίνονται οι σημαντικότερες τάξεις 1,3-διπόλων. Ο τρόπος παρασκευής τους και οι αντιδράσεις 1,3-διπολικής κυκλοπροσθήκης τους αναλύονται στις επόμενες παραγράφους. 22

23 Πίνακας 9.3 Οι κυριότερες τάξεις 1,3-διπόλων. Η εξέταση των FMOs μπορεί να δώσει πληροφορίες για την τοποεκλεκτικότητα μιας αντίδρασης 1,3- διπολικής κυκλοπροσθήκης και την ταχύτητά της (όπως και στην αντίδραση Diels-Alder, παράγραφος και παράγραφος ). Η ταχύτητα εξαρτάται από τη μικρότερη διαφορά ενέργειας μεταξύ των πιθανών συνδυασμών HOMO και LUMO. Γενικεύοντας, η ΗΟΜΟ διπόλου -LUMO διπολόφιλου αλληλεπίδραση ευνοείται όταν υπάρχουν υποκαταστάτες δότες στο δίπολο και δέκτες στο διπολόφιλο (ΗΟΜΟ διπόλου ελεγχόμενη αντίδραση, HOMO dipole controlled reaction), ενώ η LUMO διπόλου -ΗΟΜΟ διπολόφιλου αλληλεπίδραση όταν υπάρχουν υποκαταστάτες δέκτες στο δίπολο και δότες στο διπολόφιλο (LUMO διπόλου ελεγχόμενη αντίδραση, LUMO dipole controlled reactions), Εικόνα 9.7. Και στις δύο περιπτώσεις οι επικαλύψεις των τροχιακών είναι του τύπου ss, γι αυτό και οι 1,3-δπολικές κυκλοπροσθήκες ταξινομούνται ως [π 4 s+π 2 s] κυκλοπροσθήκες. Εικόνα 9.7 Η θεώρηση της 1,3-διπολικής κυκλοπροσθήκης μέσω των FMOs. Στην πραγματικότητα, στις περισσότερες αντιδράσεις 1,3-διπολικής κυκλοπροσθήκης, για το ίδιο δίπολο, και οι δύο αλληλεπιδράσεις μπορεί να λαμβάνουν χώρα, επηρεάζοντας έτσι την τοποεκλεκτικότητα. Αυτή εξαρτάται από το μέγεθος των τροχιακών που πρόκειται να αντιδράσουν. Το μεγαλύτερο τροχιακό του 1,3-διπόλου θα προτιμήσει να αντιδράσει με το μεγαλύτερο τροχιακό του διπολόφιλου, Σχήμα

24 Σχήμα 9.47 Παράδειγμα διαφορετικής τοποεκλεκτικότητας με το ίδιο 1,3-δίπολο. Η στερεοχημεία των αντιδρώντων σε μιαν αντίδραση 1,3-διπολικής κυκλοπροσθήκης διατηρείται (cis-προσθήκη, όπως και στην αντίδραση Diels-Alder, παράγραφος ). Ειδικότερα όμως, για ορισμένα δίπολα, θα πρέπει η αντίδραση κυκλοπροσθήκης να χωρεί ταχύτερα της ισομερείωσής τους. Η διαστερεοεκλεκτικότητα της αντίδρασης εξαρτάται από τις δευτερογενείς αλληλεπιδράσεις των τροχιακών (endo προσέγγιση) ή από στερεοχημικές παρεμποδίσεις (exo προσέγγιση), όπως και στις αντιδράσεις Diels-Alder (παράγραφος ), Σχήμα Σχήμα 9.48 Παράδειγμα διαστερεοκλεκτικότητας μιας αντίδρασης 1,3-διπολικής κυκλοπροσθήκης. Όπως και στις αντιδράσεις Diels-Alder (παράγραφος ), τα trans- αλκένια αντιδρούν ταχύτερα των cis ισομερών τους, λόγω μειωμένης στερεοχημικής παρεμπόδισης Αζίδια Τα αζίδια είναι συνήθως σταθερά δίπολα. Παρασκευάζονται με πυρηνόφιλη υποκατάσταση από την επίδραση νατραζιδίου σε ενώσεις με καλή αποχωρούσα ομάδα, Σχήμα Σχήμα 9.49 Σύνθεση αζιδίων. Αντιδρούν με αλκένια και αλκύνια για να δώσουν Δ 2 -τριαζολίνες και 1,2,3-τριαζόλια, αντίστοιχα, Σχήμα Σχήμα 9.50 Αντιδράσεις 1,3-διπολικής κυκλοπροσθήκης αζιδίων. 24

25 Οι αντιδράσεις κυκλοπροσθήκης με αζίδια μπορεί να είναι είτε ΗΟΜΟ διπόλου, είτε LUΜΟ διπόλου ελεγχόμενες. Τα μονοϋποκατεστημένα αλκένια με δότες ηλεκτρονίων δίνουν κυρίως τα 1,5-παράγωγα, ενώ με δέκτες ηλεκτρονίων δίνουν μίγμα των 1,4- και 1,5-ισομερών. Τα προϊόντα κυκλοπροσθήκης σε αλκένια είναι συνήθως ασταθή και μετατρέπονται εύκολα σε άλλες ενδιαφέρουσες ενώσεις. Έτσι, επίδραση βάσης δίνει β-αμινοδιαζωενώσεις (1), ενώ θερμική διάσπαση μπορεί να οδηγήσει σε αζιριδίνες ή ιμίνες (2), Σχήμα Σχήμα 9.51 Οι μετατροπές των προϊόντων 1,3-διπολικής κυκλοπροσθήκης αζιδίων Αζωμεθινικά υλίδια Τα αζωμεθινικά υλίδια παρασκευάζονται in situ από αζιριδίνες θερμικά ή φωτολυτικά (1), από ιμίνες α- αμινοξέων [1,2-πρωτοτροπική μεταφορά, (2)] και από αλδεΰδες με την επίδραση Ν-αλκυλαμινο-εστέρων ή οξέων, (3), Σχήμα Τα πιο χρήσιμα είναι τα σταθεροποιημένα υλίδια. 25

26 Σχήμα 9.52 Αντιδράσεις σύνθεσης αζωμεθινικών υλιδίων. Τα αζωμεθινικά υλίδια αντιδρούν με αλκένια ή αλκύνια για να δώσουν πυρρολιδίνες ή Δ 3 - πυρρολίνες, αντίστοιχα, Σχήμα Σχήμα 9.53 Αντιδράσεις 1,3-διπολικής κυκλοπροσθήκης αζωμεθινικών υλιδίων. Δίνουν κυρίως αντιδράσεις με διπολόφιλα που έχουν δέκτες ηλεκτρονίου (ΗΟΜΟ διπόλου ). Οι μονοϋποκατεστημένες ολεφίνες δίνουν 2,4-διυποκατεστημένες πυρρολιδίνες, ενώ οι διυποκατεστημένες ολεφίνες δίνουν προϊόντα με τον δέκτη στην 4 θέση, Σχήμα Σχήμα 9.54 Παράδειγμα τοποεκλεκτικότητας 1,3-διπολικής κυκλοπροσθήκης αζωμεθινικού υλιδίου. 26

27 Αζωμεθινιμίνες Οι αζωμεθινιμίνες παρασκευάζονται in situ από αλδεΰδες, (1), και θερμική κατεργασία των Ν- ακυλοϋδραζονών, (2), Σχήμα Σχήμα 9.55 Αντιδράσεις σύνθεσης αζωμεθινιμινών. Οι αζωμεθινιμίνες αντιδρούν με αλκένια ή αλκύνια και προκύπτουν πυραζολιδίνες και διυδροπυραζόλια, αντίστοιχα, Σχήμα Σχήμα 9.56 Αντιδράσεις 1,3-διπολικής κυκλοπροσθήκης αζωμεθινιμινών. Τα μονοϋποκατεστημένα αλκένια δίνουν το 3-υποκατεστημένο προϊόν, αλλά με ισχυρούς δέκτες προκύπτουν μίγματα των 3- και 4-ισομερών, Σχήμα Σχήμα 9.57 Παραδείγματα τοποεκλεκτικότητας αντιδράσεων 1,3-διπολικής κυκλοπροσθήκης αζωμεθινιμινών Διαζωαλκάνια Τα διαζωαλκάνια παρασκευάζονται in situ από τοσυλυδραζόνες με την επίδραση βάσης, (1), και από διαζώτωση εστέρων της γλυκίνης, (2), Σχήμα

28 Σχήμα 9.58 Αντιδράσεις σύνθεσης διαζωαλκανίων. Τα διαζωαλκάνια αντιδρούν με αλκένια ή αλκύνια και δίνουν Δ 1 -πυραζολίνες ή πυραζόλια, αντίστοιχα, Σχήμα Σχήμα 9.59 Αντιδράσεις 1,3-διπολικής κυκλοπροσθήκης διαζωαλκανίων. Τα μονοϋποκατεστημένα αλκένια δίνουν σχεδόν σε όλες τις περιπτώσεις με απλά διαζωαλκάνια 3- υποκατεστημένες πυραζολίνες. Τα διαζωαλκάνια που είναι υποκατεστημένα με δέκτες ηλεκτρονίων προτιμούν να αντιδράσουν με πλούσιες ηλεκτρονικά ολεφίνες και να δώσουν τα 4-υποκατεστημένα προϊόντα. Οι αρχικά σχηματιζόμενες Δ 1 -πυραζολίνες μπορεί να ισομερειωθούν με τις συνθήκες της αντίδρασης κυκλοπροσθήκης προς Δ 2 -πυραζολίνες, Σχήμα Σχήμα 9.60 Ισομερείωση Δ 1 -πυραζολινών. Επίσης, οι Δ 1 -πυραζολίνες έχουν την τάση να δίνουν, θερμικά ή φωτοχημικά, κυκλοπροπανικά παράγωγα με αποβολή αζώτου, Σχήμα Σχήμα 9.61 Θερμική ή φωτοχημική διάσπαση Δ 1 -πυραζολινών Νιτριλιμίνες Οι νιτριλιμίνες παρασκευάζονται in situ από αλδεΰδες [μέσω υδραζονών, (1)] και από εστέρες, (2), Σχήμα

29 Σχήμα 9.62 Αντιδράσεις σύνθεσης νιτριλιμινών. Οι νιτριλιμίνες δίνουν με αντιδράσεις κυκλοπροσθήκης με αλκένια και αλκύνια Δ 2 -πυραζολίνες και πυραζόλια, αντίστοιχα, Σχήμα Σχήμα 9.63 Αντιδράσεις 1,3-διπολικής κυκλοπροσθήκης νιτριλιμινών Νιτριλοξείδια Τα νιτριλοξείδια παρασκευάζονται in situ από αλδεΰδες [μέσω οξιμών και των αντίστοιχων χλωριδίων τους, (1)] και από νιτροενώσεις με την επίδραση αρυλοϊσοκυανικού εστέρα, (2), Σχήμα Μερικά νιτριλοξείδια (κυρίως 2,6-διυποκατεστημένα αρωματικά) είναι αρκετά σταθερά ώστε να είναι απομονώσιμα σε θερμοκρασία δωματίου. Σχήμα 9.64 Αντιδράσεις σύνθεσης νιτριλοξειδίων. Αντιδρούν με αλκένια ή αλκύνια για να δώσουν Δ 2 -ισοξαζολίνες και ισοξαζόλια, αντίστοιχα, (1), Σχήμα Επίσης, διμερίζονται πολύ εύκολα δίνοντας Ν-φουραζανοξείδια, (2). 29

30 Σχήμα 9.65 Αντιδράσεις 1,3-διπολικής κυκλοπροσθήκης νιτριλοξειδίων. Οι αντιδράσεις τους με μονοϋποκατεστημένα αλκένια δίνουν αποκλειστικά ή σε μεγαλύτερη αναλογία το 5-προϊόν, ανεξάρτητα του χαρακτήρα του υποκαταστάτη, Σχήμα Τα μονοϋποκατεστημένα αλκύνια με δέκτες μπορούν να δώσουν και 4-υποκατεστημένα προϊόντα. Σχήμα 9.66 Παράδειγμα τοποεκλεκτικότητας 1,3-διπολικής κυκλοπροσθήκης νιτριλοξειδίου με αλκένιο. Με τα ηλεκτρονικά πλούσια αλκένια ευνοείται η LUMO διπόλου αλληλεπίδραση, ενώ με ηλεκτρονικά φτωχά αλκένια ευνοείται τόσο η LUMO διπόλου όσο και η ΗΟΜΟ διπόλου αλληλεπίδραση. Η κυκλοπροσθήκη σε μονοϋποκατεστημένα αλκένια μπορεί να είναι στερεοεκλεκτική όταν στο αλκένιο υπάρχει ασύμμετρο κέντρο και ευννοείται το erythro ισομερές. Τα καλύτερα αποτελέσματα δίνουν τα αλκοξυ-αλλυλικά αντιδραστήρια, Σχήμα Σχήμα 9.67 Παράδειγμα στερεοεκλεκτικότητας 1,3-διπολικής κυκλοπροσθήκης νιτριλοξειδίου με αλκένιο. Τα διυποκατεστημένα αλκένια δίνουν αντιδράσεις φτωχότερες σε ό,τι αφορά τη στερεο- και την τοπο-εκλεκτικότητα. Οι παραγόμενες, από την αντίδραση με αλκένια, ισοξαζολίνες μετατρέπονται εύκολα με αναγωγή σε β-υδροξυκετόνες, παρέχοντας έτσι μιαν εναλλακτική μέθοδο παρασκευής αλδολών (η κλασική είναι η αλδολική αντίδραση, παράγραφος 6.2.5), Σχήμα

31 Σχήμα 9.68 Η μετατροπή ισοξαζολινών σε αλδόλες. Επιπλέον, υπάρχει η δυνατότητα παρασκευής γ-αμινοαλκοολών από τις ισοξαζολίνες με τη χρήση αντιδραστηρίων που παρέχουν H. Η προσβολή του υδριδίου γίνεται από anti θέση όταν οι υποκαταστάτες δεν έχουν δυνατότητα συναρμογής (erythro προϊόντα). Σε αντίθετη περίπτωση σχηματίζονται τα threo ανάλογα, Σχήμα Σχήμα 9.69 Η μετατροπή ισοξαζολινών σε γ-αμινοαλκοόλες. Οι ενδομοριακές αντιδράσεις χωρούν χωρίς ιδιαίτερα προβλήματα στερεο- και τοπο-εκλεκτικότητας, αφού τον καθοριστικό παράγοντα παίζει το μέγεθος του δακτυλίου που δημιουργείται, Σχήμα Σχήμα 9.70 Παράδειγμα ενδομοριακής 1,3-διπολικής κυκλοπροσθήκης νιτριλοξειδίου Νιτρόνες Οι νιτρόνες παρασκευάζονται in situ από αλδεΰδες ή κετόνες με την επίδραση Ν-υποκατεστημένων υδροξυλαμινών, (1), και από δευτεροταγείς αμίνες με οξείδωση, (2), Σχήμα Σχήμα 9.71 Αντιδράσεις σύνθεσης νιτρονών Aντιδρούν με αλκένια και αλκύνια και δίνουν ισοξαζολιδίνες και Δ 2 -ισοξαζολίνες, αντίστοιχα, Σχήμα Σχήμα 9.72 Αντιδράσεις 1,3-διπολικής κυκλοπροσθήκης νιτρονών. 31

32 Τα μονοϋποκατεστημένα αλκένια δίνουν συνήθως το 5-υποκατεστημένο προϊόν, εκτός από τις περιπτώσεις που φέρουν πολύ ισχυρούς δέκτες, Σχήμα Σχήμα 9.73 Παραδείγματα τοποεκλεκτικότητας 1,3-διπολικής κυκλοπροσθήκης νιτρόνης με αλκένιο. Οι αντιδράσεις κυκλοπροσθήκης με νιτρόνες μπορεί να είναι ΗΟΜΟ διπόλου ή LUMO διπόλου ελεγχόμενες και οι ταχύτητές τους αυξάνονται με υποκαταστάτες είτε δέκτες είτε δότες στο διπολόφιλο. Η στερεοεκλεκτικότητα (endo ή exo προϊόν) εξαρτάται από τις δευτερογενείς αλληλεπιδράσεις των τροχιακών και τη στερεοχημική παρεμπόδιση και γενικά είναι δύσκολα προβλέψιμη, Σχήμα Σχήμα 9.74 Παραδείγματα στερεοεκλεκτικότητας 1,3-διπολικής κυκλοπροσθήκης νιτρόνης με αλκένιο. Ένας παράγοντας που περιπλέκει ακόμη περισσότερο την κατάσταση είναι η cis και trans ισομέρεια των νιτρονών. Για τις μη κυκλικές νιτρόνες ευννοείται το Ζ-ισομερές, Σχήμα Σχήμα 9.75 Ισομερείωση νιτρόνης. H διαστερεοεκλεκτικότητα των αντιδράσεων έχει επιτευχθεί τόσο με τη χρήση οπτικά ενεργών διπολόφιλων όσο και νιτρονών που φέρουν ασύμμετρο κέντρο (χειρόμορφες νιτρόνες). 32

33 Οι ενδομοριακές αντιδράσεις των νιτρονών χωρούν με μεγάλη ευκολία και δίνουν σχεδόν πάντα cis συμπυκνωμένα παράγωγα στην περίπτωση των 4-αλκενυλο-νιτρονών, (1). Η περίπτωση των 5-αλκενυλονιτρονών είναι περισσότερο περίπλοκη και μπορεί να σχηματιστούν και γεφυρωμένα προϊόντα, (2), Σχήμα Σχήμα 9.76 Παραδείγματα ενδομοριακών αντιδράσεων 1,3-διπολικής κυκλοπροσθήκης νιτρόνης με αλκένιο. Οι ισοξαζολιδίνες μπορούν εύκολα να μετατραπούν σε γ-αμινο-αλκοόλες με αναγωγή (όπως και στα προϊόντα κυκλοπροσθήκης των νιτριλοξειδίων, παράγραφος ), Σχήμα Σχήμα 9.77 Η μετατροπή ισοξαζολιδινών σε γ-αμινοαλκοόλες Νιτρονικοί εστέρες Οι νιτρονικοί εστέρες παρασκευάζονται in situ από νιτροενώσεις, Σχήμα Σχήμα 9.78 Αντιδράσεις σύνθεσης νιτρονικών εστέρων. Δίνουν με αντιδράσεις κυκλοπροσθήκης με αλκένια και αλκύνια Ν-αλκοξυ-ισοξαζολιδίνες και ισοξαζολίνες, αντίστοιχα, Σχήμα

34 Σχήμα 9.79 Αντιδράσεις 1,3-διπολικής κυκλοπροσθήκης νιτρονικών εστέρων. Τα προϊόντα κυκλοπροσθήκης των νιντρονικών εστέρων μπορούν εύκολα να αποξυγονωθούν δίνοντας άλλα ενδιαφέροντα ετεροκυκλικά παράγωγα Όζον Μια από τις πιο χρήσιμες αντιδράσεις 1,3-διπολικής κυκλοπροσθήκης είναι η αντίδραση του όζοντος με αλκένια (οζονόλυση). Η χρησιμότητα της οζονόλυσης δεν έχει να κάνει τόσο με το προϊόν κυκλοπροσθήκης αυτό καθ αυτό, αλλά με το πώς αυτό χρησιμοποιείται για τη σύνθεση καρβονυλικών ενώσεων, Σχήμα Η αρχική 1,3-διπολική κυκλοπροσθήκη δίνει το 1,2,3-τριοξολάνιο Α. Αυτό δίνει, με μια retro-1,3-διπολική κυκλοπροσθήκη, το καρβονυλο-υλίδιο Β και μιαν αλδεΰδη, τα οποία αντιδρούν και πάλι μέσω μιας 1,3- διπολικής κυκλοπροσθήκης για να δώσουν το 1,2,4-τριοξολάνιο C. Η προσθήκη μιας αλκοόλης οδηγεί στις υδροξυπεροξειδικές κετάλες D. Τα τριοξολάνια C μπορούν να διασπαστούν με διάφορους τρόπους. Προσθήκη Me 2 S (ή Ph 3 P) παράγει μιαν αλδεΰδη, ενώ η χρήση ισχυρότερων αναγωγικών (π.χ. NaBH 4 ) παράγει αλκοόλες και η χρήση οξειδωτικών (π.χ. Η 2 Ο 2 ) παράγει καρβοξυλικά οξέα. Κατ αναλογία, ξεκινώντας από περισσότερο υποκατεστημένα αλκένια η αναγωγική κατεργασία μπορεί να δώσει και κετόνες. Σχήμα 9.80 Ο μηχανισμός της οζονόλυσης Σύνοψη των αντιδράσεων 1,3-διπολικής κυκλοπροσθήκης Στον Πίνακα 9.4 δίνεται μια σύνοψη των αντιδράσεων που δίνουν τα διάφορα 1,3-δίπολα. 34

35 Πίνακας 9.4 Σύνοψη των αντιδράσεων των 1,3-διπόλων Χηλοτροπικές αντιδράσεις 35

36 Οι χηλοτροπικές αντιδράσεις (chelotropic reactions) είναι αντιδράσεις κυκλοπροσθήκης στις οποίες οι δύο σ δεσμοί δημιουργούνται στο ίδιο άτομο. Η χαρακτηριστικότερη περίπτωση [2+1] κυκλοπροσθήκης είναι η προσθήκη καρβενίων σε π δεσμούς (δείτε την παράγραφο ). Άλλο ενδιαφέρον παράδειγμα αποτελεί η θερμική retro-χηλοτροπική αντίδραση του 3-σουλφολενίου (μια retro-[4+1] κυκλοπροσθήκη), Σχήμα Σχήμα 9.81 retro-χηλοτροπική αντίδραση του 3-σουλφολενίου. Οι retro-[4+1] κυκλοπροσθήκες χωρούν μέσω s προσέγγισης με διατήρηση της στερεοχημείας, Σχήμα Σχήμα 9.82 Η διατήρηση της στερεοχημείας σε μια retro-[4+1] κυκλοπροσθήκη Οι κανόνες επιλογής για τις αντιδράσεις κυκλοπροσθήκης Σύμφωνα με τα παραπάνω έχουν διαμορφωθεί κανόνες επιλογής για τις αντιδράσεις κυκλοπροσθήκης, οι κανόνες Woodward-Hoffmann, Πίνακας 9.5. Πίνακας 9.5 Οι κανόνες επιλογής για τις αντιδράσεις κυκλοπροσθήκης (Woodward-Hoffmann) (n = 0, 1, 2, ). 9.4 Σιγματοτροπικές αναδιατάξεις Γενική θεώρηση των σιγματοτροπικών αναδιατάξεων Πρόκειται για σύγχρονες αντιδράσεις που εξαρτώνται από τη συμμετρία των τροχιακών. Όπως αναφέρθηκε στην παράγραφο 9.1, κατά την πορεία της αναδιάταξης υφίσταται μετακίνηση ενός σ δεσμού που είναι γειτονικός σε ένα ή δύο π συστήματα (Υ και ΧΑΒ) σε μια νέα θέση, ενώ ταυτόχρονα αναδιοργανώνονται οι π δεσμοί του ΧΑΒ και του Υ (εφόσον έχει π δεσμούς, Υ => Ζ), Σχήμα Είναι γενικά αντιστρεπτές αντιδράσεις, ίσως ο τύπος των περικυκλικών αντιδράσεων με τη μεγαλύτερη δυνατότητα αντιστρεψιμότητας. Η ισορροπία τους εξαρτάται από τις σχετικές σταθερότητες (θερμοδυναμικές και κινητικές) του αντιδρώντος και του προϊόντος. 36

37 Σχήμα 9.83 Το γενικό σχήμα μιας σιγματοτροπικής αναδιάταξης. Οι σιγματοτροπικές αναδιατάξεις ταξινομούνται με το σύστημα [x,y] όπου x και y ο αριθμός ατόμων των δύο συστημάτων που εμπλέκονται. Το άθροισμα x+y μπορεί να προβλέψει πόσο εύκολα μπορεί να γίνει η μετάθεση σύμφωνα με τους κανόνες Woodward-Hoffmann και μέσω ποιας διαδικασίας. Οι κανόνες Woodward-Hoffmann που ισχύουν για τις σιγματοτροπικές αναδιατάξεις είναι ίδιοι με τους κανόνες των κυκλοπροσθηκών (παράγραφος 9.3.5). Τα κύρια είδη τέτοιων αντιδράσεων είναι: οι [3,3]-σιγματοτροπικές αναδιατάξεις (παράγραφος 9.4.2), οι [2,3]-σιγματοτροπικές αναδιατάξεις (παράγραφος 9.4.3) και οι [1,3]-σιγματοτροπικές αναδιατάξεις (παράγραφος 9.4.4). Άλλες αντιδράσεις αυτού του τύπου είναι οι 1,2-αναδιατάξεις υδριδίου ή αλκυλίου (στην πράξη [1,2]-σιγματοτροπικές αναδιατάξεις, δείτε την παράγραφο και την παράγραφο 2.3.2) [3,3]-Σιγματοτροπικές αναδιατάξεις Οι κυριότερες [3,3]-σιγματοτροπικές αναδιατάξεις είναι η αναδιάταξη Cope (παράγραφος ), η αναδιάταξη Claisen (παράγραφος ) και οι διάφορες παραλλαγές τους Η αναδιάταξη Cope Η αναδιάταξη Cope (Cope rearrangement) είναι μια αντιστρεπτή αντίδραση στην οποία ένα 1,5-διένιο ισομερίζεται σε ένα νέο 1,5-διένιο, Σχήμα Λαμβάνει χώρα συνήθως σε υψηλές θερμοκρασίες. Σχήμα 9.84 Ένα απλοποιημένο παράδειγμα αναδιάταξης Cope. Διάφοροι παράγοντες μπορεί να επηρεάζουν την ισορροπία της μετατροπής, όπως π.χ. ποιο μέρος της ισορροπίας περιλαμβάνει την ένωση με τους περισσότερο υποκατεστημένους δεσμούς C=C, Σχήμα Σχήμα 9.85 Παράδειγμα μετατοπισμένης ισορροπίας σε μιαν αναδιάταξη Cope. Η διβινυλοκυκλοπροπανική αναδιάταξη (divinylcyclopropane rearrangement) χρησιμοποιείται για την παρασκευή 1,5-κυκλοεπταδιενικών παραγώγων, Σχήμα Στην πραγματικότητα το cisδιβινυλοκυκλοπροπάνιο μπορεί να απομονωθεί μόνο σε χαμηλές θερμοκρασίες (< 40 o C) γιατί σε θερμοκρασία δωματίου υφίσταται μετάθεση. 37

38 Σχήμα 9.86 Παράδειγμα διβινυλοκυκλοπροπανικής αναδιάταξης. Οι αναδιάταξεις Cope χωρούν μέσω μιας μεταβατικής κατάστασης τύπου ανάκλιντρου με τη μικρότερη στερεοχημική παρεμπόδιση και την τοποθέτηση των ογκοδέστερων υποκαταστατών σε ισημερινές θέσεις (στερεοεκλεκτικά). H μεταβατική δομή τύπου λουτήρα είναι επίσης δυνατή, αλλά παρατηρείται σχετικά σπάνια. Η μεταβατική κατάσταση της αντίδρασης (Α) περιλαμβάνει μιαν ss προσέγγιση, Σχήμα Σχήμα 9.87 Παράδειγμα στερεοεκλεκτικότητας μιας αναδιάταξης Cope. Η στερεοεκλεκτικότητα της αντίδρασης εξαρτάται από τη σχετική θέση των υποκαταστατών στην ανθρακική αλυσίδα και στον χώρο, π.χ. Σχήμα Σχήμα 9.88 Παράδειγμα στερεοεκλεκτικότητας 3,4-διυποκατεστημένου υποστρώματος σε μιαν αναδιάταξη Cope. Παραλλαγές της αναδιάταξης Cope είναι οι αναδιατάξεις oxy-cope, η ανιονική oxy-cope και η ανιονική aza-cope. Η οxy-cope αναδιάταξη [(1), oxy-cope rearrangement] και η ανιονική οxy-cope αναδιάταξη [(2), anionic oxy-cope rearrangement] γίνονται με 3-υδροξυ-υποκατεστημένες πρώτες ύλες και οδηγούν σε καρβονυλικές ενώσεις, Σχήμα Στην oxy-cope εκδοχή η ισορροπία είναι μετατοπισμένη προς τα δεξιά αφού η προκύπτουσα ενόλη ταυτομερειώνεται στην καρβονυλική ένωση. Στην ανιονική εκδοχή, λόγω του μεγαλύτερου απεντοπισμού του αρνητικού φορτίου στην μεταβατική κατάσταση από ό,τι στην πρώτη ύλη, η αντίδραση γίνεται ακόμη και σε χαμηλές θερμοκρασίες, σε αντίθεση με την κανονική oxy-cope που απαιτεί θέρμανση σε υψηλότερες. 38

39 Σχήμα 9.89 Παραδείγματα αναδιατάξεων oxy-cope και ανιονικής oxy-cope. Η ανιονική aza-cope αναδιάταξη (anionic aza-cope rearrangement) χωρεί επίσης σε χαμηλές θερμοκρασίες, Σχήμα Σχήμα 9.90 Παράδειγμα αναδιάταξης ανιονικής aza-cope Η αναδιάταξη Claisen Η αναδιάταξη Claisen (Claisen rearrangement) γίνεται σε αλλυλοβινυλαιθέρες, είναι μια αντιστρεπτή διαδικασία και δίνει γ,δ-ακόρεστες καρβονυλικές ενώσεις, Σχήμα Γενικά, οι αναδιατάξεις αυτές είναι ταχύτερες των αναδιατάξεων Cope, αφού σχηματίζεται δεσμός C=O. Σχήμα 9.91 Το γενικό σχήμα μιας αναδιάταξης Claisen. Οι πρώτες αντιδράσεις αναδιάταξης Claisen που μελετήθηκαν ήταν αυτές με αλλυλοφαινυλαιθέρες. Στην περίπτωση αυτή η αρχικά σχηματιζόμενη καρβονυλική ένωση επαναρωματοποιείται με ταυτομερείωση για να δώσει μιαν ο-αλλυλοφαινόλη, Σχήμα Σχήμα 9.92 Η αναδιάταξη Claisen σε αλλυλοφαινυλαιθέρες. Η αναδιάταξη Claisen χωρεί, όπως και η αναδιάταξη Cope (παράγραφος ), κυρίως μέσω μιας μεταβατικής δομής τύπου ανάκλιντρου, Σχήμα

40 Σχήμα 9.93 Παράδειγμα στερεοεκλεκτικότητας σε μιαν αναδιάταξη Claisen. Μερικά ακόμη γενικευμένα παραδείγματα στερεοεκλεκτικότητας δίνονται στο Σχήμα Σχήμα 9.94 Γενικευμένα παραδείγματα στερεοεκλεκτικότητας στις αναδιάταξεις Claisen. Παραλλαγές της αναδιάταξης Claisen είναι οι αναδιατάξεις Claisen ορθοεστέρων, Ireland-Claisen και η αντίδραση Carroll. Η αναδιάταξη Claisen ορθοεστέρων (orthoester Claisen rearrangement) δίνει 4-ενοϊκά οξέα, Σχήμα Καταλύεται από ασθενή οξέα, όπως το προπιονικό οξύ. Για το μεταβατικό της στάδιο και τη στερεοεκλεκτικότητά της ισχύουν όσα αναφέρθηκαν για την κλασική αναδιάταξη Claisen. Σχήμα 9.95 Αναδιάταξη Claisen ορθοεστέρων. Η αναδιάταξη Claisen αλλυλοτριμεθυλοσιλυλοκετενο-ακεταλών (αναδιάταξη Ireland-Claisen, Ireland-Claisen rearrangement), Σχήμα 9.96, είναι ίσως η πιο χρήσιμη από όλες τις αναδιατάξεις Claisen. Σχήμα 9.96 Αναδιάταξη Ireland-Claisen. Η στερεοχημεία της αναδιάταξης Claisen τύπου Ireland εξαρτάται τόσο από τη στερεοχημεία του αλλυλικού δεσμού, (1)-(2), όσο και από τη στερεοχημεία του σιλυλενολαιθέρα, (3)-(4), Σχήμα

41 Σχήμα 9.97 Η στερεοχημεία της αναδιάταξης Ireland-Claisen. Ακόμη, σε συνδυασμό με το γεγονός ότι ο σιλυλενολαιθέρας μπορεί να παρασκευασθεί στερεοεκλεκτικά (με διαλύτη ΤΗF παράγεται μόνο το Ε-ισομερές, ενώ παρουσία ΗΜΡΑ παράγεται το Ζ- ισομερές), Σχήμα 9.98, η αναδιάταξη Ireland-Claisen αποτελεί ένα πολύ δυναμικό και εύχρηστο εργαλείο στη σύνθεση. Σχήμα 9.98 Ο στερεοκλεκτικός σχηματισμός των σιλυλαινολαιθέρων. Η αντίδραση Carroll (Carroll reaction) γίνεται με τη χρήση αλλυλο-β-κετοεστέρων που σχηματίζονται in situ με την επίδραση βάσης, Σχήμα Σχήμα 9.99 Η αντίδραση Carroll. 41