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狄耳士–阿德爾反應

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狄耳士–阿德爾反應
命名根據 奧托·迪爾斯
庫爾特·阿德爾
反應類型 環加成反應
反應
Diels-alder (1,3-butadiene - Ethylene) (zh-cn).svg
共軛(取代的)二烯
+
(取代的)烯烴
(取代的)環己烯
標識
RSC序號 RXNO:0000006 ✓

狄耳士–阿德爾反應英語Diels–Alder reaction)又叫Diels–Alder反應雙烯加成反應,其中狄耳士又譯作第爾斯–阿德爾又譯作阿德爾、阿德耳。狄耳士–阿德爾反應是一種有機反應(具體而言是一種環加成反應),共軛雙烯與取代烯烴(一般稱為親雙烯體)反應生成取代環己烯[1][2][3]。即使新形成的環之中的一些原子不是碳原子,這個反應也可以繼續進行。一些狄耳士–阿德爾反應是可逆的,這樣的環分解反應叫做逆狄耳士–阿德爾反應逆Diels–Alder反應retro-Diels–Alder)。

1928年德國化學家奧托·迪爾斯和他的學生庫爾特·阿德爾首次發現和記載這種新型反應,他們也因此獲得1950年的諾貝爾化學獎[4][5][6][7]

狄耳士–阿德爾反應用很少能量就可以合成六元環,是有機化學合成反應中非常重要的碳碳鍵形成的手段之一,也是現代有機合成里常用的反應之一。反應有豐富的立體化學呈現,兼有立體選擇性立體專一性區域選擇性等。

The reaction discovered by Diels and Alder in 1928

反應機理[編輯]

這是一個一步完成的協同反應[8]沒有中間體存在,只有過渡態[9]一般條件下是雙烯的最高含電子軌道(HOMO)與親雙烯體的最低空軌道(LUMO)相互作用成鍵。由於是不涉及離子的協同反應,故普通的酸鹼對反應沒有影響。但是路易斯酸可以通過絡合作用影響最低空軌道的能級,所以能催化該反應。

發現[編輯]

狄耳士-阿德爾反應是1928年由德國化學家奧托·迪爾斯(Otto Paul Hermann Diels) 和他的學生庫爾特·阿德爾(Kurt Alder)發現的,他們因此獲得1950年的諾貝爾化學獎

最早的關於狄耳士–阿德爾反應的研究可以上溯到1892年。齊克(Zinke)發現並提出了狄耳士-阿德爾反應產物四氯環戊二烯酮二聚體的結構;稍後列別捷夫(Lebedev)指出了乙烯基環己烯是丁二烯二聚體的轉化關係。但這兩人都沒有認識到這些事實背後更深層次的東西。

1906年德國慕尼黑大學研究生阿爾布萊希特英語Albrecht(Albrecht)按導師惕勒的要求做環戊二烯與酮類在鹼催化下縮合,合成一種染料的實驗。當時他們試圖用苯醌替代其他酮做實驗,但是苯醌在鹼性條件下很容易分解。實驗沒有成功。阿爾布萊希特發現不加鹼反應也能進行,但是得到了一個沒有顏色的化合物。阿爾布萊希特提了一個錯誤的結構解釋實驗結果。

1920年德國人馮·歐拉(von Euler)和學生約瑟夫(Joseph)研究異戊二烯與苯醌反應產物的結構。他們正確地提出了狄耳士–阿德爾產物結構,也提出了反應可能經歷的機理。事實上他們離狄耳士–阿德爾反應的發現已經非常近了。但馮·歐拉並沒有深入研究下去,因為他的主業是生物化學(後因研究發酵而獲諾貝爾獎),對狄耳士–阿德爾反應的研究純屬娛樂消遣性質的,所以狄耳士-阿德爾反應再次沉沒下去。

1921年,狄耳士和其研究生巴克(Back)研究偶氮二羧酸二乙酯(半個世紀後因光延反應而在有機合成中大放光芒的試劑)與胺發生的酯變胺的反應,當他們用2-萘胺做反應的時候,根據元素分析,得到的產物是一個加成物而不是期待的取代物。狄耳士敏銳地意識到這個反應與十幾年前阿爾布萊希特做過的古怪反應的共同之處。這使他開始以為產物是類似阿爾布萊希特提出的雙鍵加成產物。狄耳士很自然地仿造阿爾布萊希特用環戊二烯替代萘胺與偶氮二羧酸乙酯作用,結果又得到第三種加成物。通過計量加氫實驗,狄耳士發現加成物中只含有一個雙鍵。如果產物的結構是如阿爾布萊希特提出的,那麼勢必要有兩個雙鍵才對。這個現象深深地吸引了狄耳士,他與另一個研究生阿德爾一起提出了正確的雙烯加成物的結構。1928年他們將結果發表。這標誌著狄耳士-阿德爾反應的正式發現。

在他們的論文兩個作者很深遠地看到了這個反應對有機合成觀念的顛覆作用,他們預言了該反應日後將在天然產物合成領域的重大意義。當然兩人在文章中也透露出地主惡霸的作風。先是在文章開頭把阿爾布萊希特提出的錯誤結構這件事用很惡毒的語言痛批一頓。在文章最後又聲明兩人對該反應有專屬權,不允許其他人使用(英譯:We explicitly reserve for ourselves the application of the reaction discovered by us to the solution of such problems.)。當然,科學界不把這些話當回事。狄耳士、阿德爾兩人後來捲入該反應的發現權紛爭中,分散了精力,沒能實現他們預言的「在天然產物全合成中的應用」。

1950年,伍德沃德第一個開創了狄耳士–阿德爾反應在全合成中的應用。從此以後,合成大師們用睿智的大腦把狄耳士–阿德爾反應的應用發揮到了爐火純青的極致。

值得指出的是,在伍德沃德之前,中國化學家莊長恭曾經嘗試過用狄耳士–阿德爾反應來合成甾體化合物,但是由於當時缺乏對狄耳士–阿德爾反應區域選擇性的控制的知識而失敗了。

立體化學[編輯]

狄耳士-阿德爾反應有如下規律:

1、區域選擇性:反應產物往往以「假鄰對位」產物為主。即若把六元環產物比作苯環,那麼環上官能團(假設有兩個官能團)之間的相互位置以鄰位(如1),或者對位為主(如3)。

D-A regio.png

2、立體選擇性:反應產物以「內型(即5)」為主,即反應主產物是經過「內型」過渡態得到的。

D-A stereoselectivity.png

3、立體專一性:加熱條件下反應產物以「順旋」產物為唯一產物;光照條件下以「對旋」產物為唯一產物。

比如以下兩個熱反應中,產物7、8的相對立體構型都是唯一的,兩個烯烴原料原有的官能團A,B,C,D的順反立體化學關係都在產物中得到忠實地翻譯。

合成中的價值[編輯]

由於該反應一次生成兩個碳碳鍵和最多四個相鄰的手性中心,所以在合成中很受重視。如果一個合成設計上使用了狄耳士–阿德爾反應,則可以大大減少反應步驟,提高了合成的效率。很多有名的合成大師都擅長運用狄耳士–阿德爾反應於複雜天然產物的合成,比如羅伯特·伯恩斯·伍德沃德艾里亞斯·詹姆斯·科里丹尼謝夫斯基(Danishefsky)都是應用狄耳士–阿德爾反應方面的高手。據傳伍德沃德在童年的時候就根據凱庫勒苯環兩種結構的不可辯性預測了狄耳士–阿德爾反應的存在。伍德沃德12歲的時候通過駐波士頓的德國外交官獲得了一些德文化學期刊。在其中一期上他讀到了狄耳士和阿德爾發表的文章見證了該反應的發現。伍德沃德在其一生的合成實踐中大量應用狄耳士–阿德爾反應構建六元環。伍德沃德於1960年代開始,與剛入哈佛大學做研究的理論化學羅德·霍夫曼聯手,結合大量的實驗事實對狄耳士–阿德爾反應和相關周環反應的立體化學做了透徹的理論研究,最終導致了在當時震撼了整個有機化學界的「分子軌道對稱守恆原理」的誕生。1979年伍德沃德逝世;1981年霍夫曼因該理論而獲得當年度諾貝爾化學獎(與日本人福井謙一分享)。2004年,有機合成的另一位著名人物科里在伍德沃德逝世20多年後公開宣稱伍德沃德剽竊了他思想而創立的對稱守恆律。這一切又使得狄耳士-阿德爾反應充滿了某種宿命的傳奇色彩。

科里對狄耳士–阿德爾反應也有很大的貢獻,發明了一種路易斯酸催化的不對稱狄耳士–阿德爾反應。在其合成前列腺素過程中,科里試圖利用環戊二烯做狄耳士–阿德爾反應來構筑前列腺素的母環,由此發明了不穩定烯酮的替代試劑。丹尼謝夫斯基則以發明十分有用的「丹尼謝夫斯基雙烯」用於狄耳士–阿德爾反應而最為出名,在其全合成實踐中狄耳士–阿德爾反應也隨處可見。

丹尼謝夫斯基雙烯9與一個炔酸酯10反應,經酸化後得到一個苯衍生物11

參見[編輯]

參考資料[編輯]

  1. ^ Diels, O. .; Alder, K. . Synthesen in der hydroaromatischen Reihe. Justus Liebig's Annalen der Chemie. 1928, 460: 98–122. doi:10.1002/jlac.19284600106.  編輯
  2. ^ Synthesis of the hydro aromatic sequence, Ann. 1929, 470, 62.
  3. ^ Synthesis in the hydroaromatic series, IV. Announcement: The rearrangement of malein acid anhydride on arylated diene, triene and fulvene, Diels, O.; Alder, K. Ber. 1929, 62, 2081 & 2087.
  4. ^ Diels, O. .; Alder, K. . Synthesen in der hydroaromatischen Reihe. Justus Liebig's Annalen der Chemie. 1928, 460: 98–122. doi:10.1002/jlac.19284600106.  編輯
  5. ^ Synthesis of the hydro aromatic sequence. Ann. 1929, 470: 62. 
  6. ^ Diels, O.; Alder, K. Synthesis in the hydroaromatic series, IV. Announcement: The rearrangement of malein acid anhydride on arylated diene, triene and fulvene. Chemische Berichte. 1929, 62 (8): 2081. doi:10.1002/cber.19290620829. 
  7. ^ Diels, O.; Alder, K. Synthesen in der hydroaromatischen Reihe, V. Mitteilung: Über Δ4-Tetrahydro-o-phthalsäure. Chemische Berichte. 1929, 62 (8): 2087. doi:10.1002/cber.19290620830. 
  8. ^ Carey, Part B., pp. 474–526
  9. ^ Dewar, MJ; Olivella, S; Stewart, JJ. Mechanism of the Diels-Alder reaction: Reactions of butadiene with ethylene and cyanoethylenes. J. Am. Chem. Soc. 1986, 108 (19): 5771–9. doi:10.1021/ja00279a018. PMID 22175326.