Diels–Alder-reaktio

Diels–Alder-reaktio on orgaaninen kemiallinen reaktio, tarkemmin sykloadditio. Reaktiossa konjugoitunut dieeni reagoi dienofiiliksi nimitettävän alkeenin kanssa muodostaen syklohekseenirakenteen sisältävän tuotteen. Nimensä Diels–Alder-reaktio on saanut saksalaisilta kemisteiltä Otto Dielsiltä ja Kurt Alderilta, jotka dokumentoivat reaktiotyypin vuonna 1928. He saivat reaktiosta Nobelin kemianpalkinnon vuonna 1950.

Mekanismi

Kuten kaikki sykloadditiot, myos Diels–Alder-reaktio on perisyklinen reaktio eli myös muodostuva transitiotilassa oleva tuote on syklinen. Orbitaalisymmetrialuokituksessa Diels–Alder-reaktio on [4π + 2π]-sykloadditio. Reaktio tapahtuu yhdessä vaiheessa ja useasti sen käynnistämiseen riittää lämpöenergia. Reaktiossa kaksi π-sidosta hajoaa ja tilalle muodostuu kaksi uutta σ-sidosta. Lisäksi muodostuu yksi uusi π-sidos. Reagoivat orbitaalit ovat dieenin HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital suom. korkein miehitetty molekyyliorbitaali) ja dienofiilin LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital suom. alin miehittämätön molekyyliorbitaali). Reaktio tapahtuu suhteellisen helposti, mikä selittyy transitiomuodon suhteellisella stabiilisuudella. Transitiotilassa yhdisteellä on kuusi delokalisoitunutta π-elektronia, kuten esimerkiksi bentseenillä. Tällainen rakenne on hyvin stabiili.

Dieeni

Dieeni voi olla joko avoketjuinen tai syklinen eli rengasrakenteinen ja siihen voi olla kiinnittyneenä erilaisia substituentteja eli atomeja tai atomiryhmiä, jotka korvaavat vetyatomeja rakenteessa. Dieenin stereokemia on kuitenkin rajoittunut; jotta reaktio tapahtuisi, tulee dieenin olla s-cis-konformaatiossa. Esimerkiksi butadieeni esiintyy yleensä trans-konformaatiossa, joka on energeettisesti edullisempi kuin cis-konformaatio johtuen steerisestä esteestä. Tällöin kaksi kaksoissidosta ovat mahdollisimman kaukana toisistaan. Tässä tilassa butadieeni ei kuitenkaan voi reagoida dienofiilin kanssa. Kuitenkin butadieenin eri konformaatiot ovat tasapainossa ja muuntuvat nopeasti toisikseen. Tämän vuoksi butadieeni voi toimia dieeninä ja reagoida Diels–Alder-reaktion mekanismilla.

Dienofiili

Yksinkertaisen dieenin ja dienofiilin reaktio on usein saannoltaan vaatimaton. Tämän vuoksi dienofiilin rakenteeseen kuuluu usein elektroneja puoleensa vetäviä ryhmiä, jotka muodostavat konjugoidun systeemin alkeenin kaksoissidoksen kanssa. Hyvin reaktiivisia ovat dienofiilit, jotka sisältävät nitro-, syano, ja sulfonihapporyhmiä. Aktiivisia ovat myös esteri- ja ketorakenteita sisältävät yhdisteet ja α,β-tyydyttymättömät aldehydit.
Dienofiilien aktiivisuuteen voidaan vaikuttaa käyttämällä Lewis-happoja, kuten niobiumpentakloridia. Esimerkiksi syklopentadieeni ei reagoi sykloheksenonin kanssa huoneenlämpötilassa eikä myöskään paremman saannon antavassa -78 °C lämpötilassa, jolloin sivureaktio, syklopentadieenin dimerisoituminen, on vähäisempää. Sen sijaan käytettäessä Lewis-happoa, kuten alumiinikloridia tai niobiumpentakloridia reaktio tapahtuu. Alumiinikloridia käytettäessä muodostuu isomerien seos, kun taas niobiumpentakloridilla saadaan selektiivisesti vain yhtä isomeeria.

Stereoselektiivisyys

Diels–Alder-reaktio on stereospesifinen. Dienofiilin stereokemia on myös tuotteessa. Jos dienofiilissä on substituentteja trans-asemassa ovat ne trans-asemassa myös reaktiotuotteessa eli eri puolella rengasta. Vastaavasti, jos dienofiilin konformaatio on cis-konformaatio, on sama konformaatio myös tuotteessa. Tämä periaate pätee myös dieeneille.

Endo-sääntö

Yksi tunnetuimmista Diels–Alder-reaktioista on reaktio syklopentadieenin ja maleiinianhydridin välillä. Syntyvällä tuotteella on kaksi eri konformaatiomahdollisuutta: ekso- ja endo-isomeerit. Kuitenkin reaktiossa muodostuu vain endo-isomeeriä. Ekso-isomeeri olisi stabiilimpi, koska steerinen este on pienempi eli ekso-isomeeri on termodynaaminen tuote. Endo-isomeeri on kuitenkin vallitseva, koska se muodostuu ekso-tuotetta nopeammin ja on kineettinen tuote. Suurempi muodostumisnopeus johtuu karbonyyliryhmien ja dieenien välisistä vuorovaikutuksista.
Lähes kaikissa Diels–Alder-reaktioissa endo-isomeeri on kineettinen tuote ja ekso-isomeeri termodynaaminen tuote.

Regioselektiivisyys

Diels–Alder-reaktiossa transitiotilan tuote on aromaattisen yhdisteen kaltainen. Tämä vaikuttaa substituenttien sijoittumiseen rengasrakenteessa. Jos dieenin hiilivetyketjun päässä on elektroneja luovuttava atomiryhmä ja dienofiili sisältää elektroneja puoleensa vetävän ryhmän ovat nämä substituentit tuotteessa orto-asemassa. Jos dieenin substituentti on hiilivetyketjun keskellä on tuote para-isomeeri.

Liuottimien ja katalyyttien vaikutus reaktioon

Diels–Alder-reaktion yhteydessä ei välttämättä tarvitse käyttää liuottimia. Jos liuottimia käytetään, ovat yleisimpiä hiilivedyt, jotka liuottavat hyvin orgaanisia yhdisteitä. Veden lisääminen orgaaniseen liuottimeen kiihdyttää reaktiota ja lisää selektiivisyyttä endo-isomeerin suuntaan. Tämä johtuu siitä, että veteen liukenemattomat orgaaniset lähtöaineet muodostavat pisaroita ja pisaroiden vuorovaikutukset veden kansa kokoavat ne yhteen, jolloin lähtöaineiden kohtaavat toisensa paremmin.
Reaktiossa voidaan käyttää myös vesiliukoisia dieenejä, jotka sisältävät joko karboksyylihappo- tai protonoituneen aminoryhmän.
Lewis-happoja voidaan käyttää reaktion katalyyttinä. Katalyyttinen toiminta perustuu siihen, että Lewis-happo sitoutuu dienofiilin elektroneja puoleensa vetävään ryhmään, jolloin dienofiilin LUMO:n energiataso madaltuu entisestään. Tällainen katalyysi voi myös parantaa reaktion regioselektiivisyyttä.

Retro-Diels–Alder-reaktio

Dieeni ja dienofiili muodostavat sykloadditiotuotteen. Tämä tuote voi kuitenkin hajota korkeassa lämpötilassa, jolloin reaktiota kutsutaan retro-Diels–Alder-reaktioksi. Reaktiolla on synteettistä arvoa, koska alkuperäisestä Diels–Alder-reaktion tuotteesta voi näin muodostue uusia erilaisia dieenejä tai dienofiilejä. Alla olevassa esimerkissä kuumennetaan kinonin ja 1,3-sykloheksadieenin sykloadditiotuotetta, jolloin rakenteesta eliniminoituu eteeniä ja muodostuu antrakinoni.

Asymmetrinen Diels–Alder-reaktio

Asymmetrisissä Diels–Alder-reaktiossa muodostuva tuote on ainoastaan yhtä enantiomeerista muotoa. Reaktio tapahtuu asymmetristen katalyyttien kuten imidatsolipohjaisten niin kutsuttujen MacMillan-katalyyttien avulla. Esimerkkinä sykloheksadieenin ja akroleiinin reaktio.
Kiraalisessa synteesissä voidaan käyttää myös kiraalisia apuaineita. Käyttämällä L-asparagiinihaposta johdettua kiraalista apuainetta syklopentadieenin ja akryylihapon välinen reaktio tuottaa yhdisteen, jolla on kolme kiraalista hiiliatomia. Tuote on pääasiassa endo-konformaatiossa ja sen enantioylimäärä on 54 %.