Chimica organica - Diels-Alder

La reazione di Diels-Alder concertata

È una reazione periciclica di cicloaddizione, permessa dalla teoria della simmetria degli orbitali (regole di Woodward-Hoffmann).

La reazione può essere di due tipi: il tipo di reazione mostrato a sinistra è quello più comune (reazione di Diels-Alder normale).

HOMO del diene LUMO del diene

È favorita da dieni elettronricchi e dienofili elettronpoveri.

Il tipo di reazione mostrato a destra è molto meno comune e viene chiamato "inverse demand Diels-Alder". Ha luogo quando si hanno dienofili elettronricchi (ad es. vinil eteri ed enammine) e dienofili elettronpoveri (coniugati con gruppi elettronattrattori).

LUMO del dienofilo HOMO del dienofilo

In entrambi i casi la simmetria degli orbitali permette una reazione termica (senza bisogno di fotocatalisi).

Caratteristiche dei dienofili in reazioni di Diels-Alder normali

La reazione con semplici alcheni o alchini richiederebbe condizioni molto drastiche e non è pertanto quasi mai impiegata sinteticamente. I dienofili effettivamente usati hanno sempre uno o due gruppi elettronattrattori legati al doppio legame oppure sono sistemi molto tensionati (come il benzino).

Esempi di dienofili

RO C₂CO R O₂ CO R R₂ S

Acrilati fumarati

ROOO OR O

Anidride maleica

Nsolfoni RNOO ₂ R O

Vinil chetoni nitroderivati O acrilammidi

Acroleina chinoni

Sintecspec_5_1

Caratteristiche dei dieni in reazioni di Diels-Alder normali

A differenza di quello che avviene con i dienofili, anche dieni non funzionalizzati sono sufficientemente reattivi nella Diels-Alder. Due fattori incidono sulla reattività:

• La presenza di sostituenti elettrondonatori fa aumentare la reattività.
• Una maggiore percentuale di conformero s-cis fa aumentare la reattività.

s-cis s-trans

Esempi di dieni più reattivi del comune

OCH₃ OMe SiO ciclopentadiene₃ furano

(reattivo perché diene di Danishefsky bloccato nella conf. s-cis)

(molto reattivo perché bloccato nella conf. s-cis e per la presenza dell'ossigeno elettrondonatore)

(reattivo grazie ai gruppi elettrondonatori + R)

Calore O

Isobenzofurano orto-chinondimetano

(reattivo perché la Diels-Alder ripristina l'aromaticità)

(estremamente reattivo perché combina le proprietà del furano con quelle dell'orto-chinondimetano)

Sintecspec_5_2

Aspetti regio e stereochimici

In principio, una reazione di Diels-Alder potrebbe portare fino a 32 composti diversi (16 coppie di enantiomeri).

1 1R R₁R 3 3 4R R R* ** *++ * ** *4 4 3R R R₂ 2R R₂R

In realtà molto spesso il controllo regio e stereochimico è tale da portare a soli 2 prodotti (una coppia di enantiomeri) o addirittura ad un solo prodotto (nel caso di Diels-Alder asimmetriche con catalizzatori o ausiliari chirali).

La reazione di Diels-Alder è quasi sempre un processo irreversibile e quindi il controllo è cinetico (fanno eccezione le reazioni con dieni aromatici quali il furano o l'antracene, che tendono ad essere reversibili).

Regioselettività

Il problema si pone quando sia il diene che il dienofilo non sono simmetrici.

In questi casi il fattore dominante è quello elettronico. Si uniranno i carboni che hanno i più grandi coefficienti degli orbitali di frontiera interessati.

Coefficienti coefficienti coefficienti dell'HOMO dell'HOMO del LUMO

min. min. ERG magg. magg. min. magg.

EWG ERG ERG ERG EWG EWG ERG ERG

Sintecspec_5_3

Quindi:

EWG EWG + + EWG EWG ERG ERG ERG ERG

Prodotto "tipo para"

Prodotto "tipo orto"

Gruppi alchilici piccoli sul diene hanno effetto elettrondonatore (+I) e quindi aumentano la velocità e indirizzano la reazione secondo quanto detto sopra.

Quando i gruppi sono ingombrati si può però avere una diminuzione di velocità.

R H CH tBu₃+R O O vel. relativa 1 4.2 < 0.05O

L'effetto sterico è ancora più gravoso quando il sostituente è in cis:

H RH H HH RB

Stereospecificità

H 1 2 3 4

Dato che la Diels-Alder è un processo concertato, la configurazione relativa di R ed R e di R e R è decisa dalla configurazione dei 3 doppi legami. Degli 8 diastereoisomeri teoricamente possibili se ne formano solo 2. Ad esempio:

1R 1R₁ 1 1 1R R R R₃RE E E₃R 3 3 3 3R R R R+Z+ + +3R₂R₃R 3 3 3 3R R R RE Z₂R H₂ 2 2 2R R R R

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Diastereoselettività

Negli esempi visti prima abbiamo visto che la stereochimica degli alcheni di partenza controlla le configurazioni relative tra R ed R e tra i due R, ma non la configurazione relativa tra R ed R (e quindi tra R ed R): si possono in principio formare due diastereoisomeri endo ed eso.

1R 1 1R RE Normalmente (sotto controllo cinetico) si ha una netta 3R 3 3R R prevalenza dell'isomero endo, anche se esso è meno Z+ 3+ è stabile, quando almeno uno dei gruppi R elettronattrattore ed il dienofilo è Z o terminale 3R 3 3R RE 3

Con dienofili E (se i gruppi R sono diversi) la situazione è ovviamente più complessa. Tende comunque a stare in endo il gruppo più elettronattrattore.

2R 2 2R R

eso endo

2H R₃R₃R 3R 3RH 3R₂R 2H R 2

Attacco endo

RH₁R₃R H 3₃R R₁ HR 1RHH 1R₃R 3R H 2R₃R H H₃R 3R₂R 2H R 2

Attacco eso

R₃RH H₄ 3R R₃₁ RR 1RHH 1R

Stereoselezione π-facciale

Le due facce del diene e dell'alchene possono essere omotopiche (e allora il problema non sussiste) o enantiotopiche o diastereotopiche. Per discriminare due facce enantiotopiche occorrono