Перициклические реакции

Содержание

Слайд 2

Перициклические реакции

Открытие перициклических превращений поставило перед химиками вопросы, ответы на которые невозможно

Перициклические реакции Открытие перициклических превращений поставило перед химиками вопросы, ответы на которые
было дать исходя из накопленных в то время знаний. Сложившаяся ситуация стимулировала интенсивные теоретические исследования новых механизмов образования связей между взаимодействующими реагентами или активными центрами внутри молекулы. Это был настоящий революционный переворот в теоретической органической химии, позволивший объяснить тонкости механизма множества реакций, давно завоевавших широкую популярность в синтетической практике не только лабораторного, но и промышленного масштаба. Перициклические реакции явились наиболее универсальным методом получения различных карбо- и гетероциклических систем и первоначально были известны как реакции «без механизма».

Слайд 3

Перициклические реакции

Позднее в серии работ Вудворда и Гофмана они были изучены и

Перициклические реакции Позднее в серии работ Вудворда и Гофмана они были изучены
объяснены как «химические реакции, в которых согласованная реорганизация связей проходит через циклическую последовательность непрерывно связанных атомов. Реакция проходит через полностью пи сопряженное состояние».
Перициклические реакции сыграли огромную роль в развитии органической химии. В ряду разнообразных химических процессов они занимают выдающееся место по своему значению, как для синтеза, так и для теории.

Слайд 4

ТЕОРИЯ ПЕРИЦИКЛИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Множество органических реакций осуществляется в несколько последовательных стадий. Последовательность превращений

ТЕОРИЯ ПЕРИЦИКЛИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ Множество органических реакций осуществляется в несколько последовательных стадий. Последовательность
от реактантов до продуктов включает образование либо ионных, либо радикальных интермедиатов, которые часто являются нестабильными, но иногда их выделяют и идентифицируют, а иногда регистрируют с помощью различных физических или химических методов. График изменения энергии двухстадийного превращения реактанта R через интермедиат I в продукт P представлен на рис. 1. Классическим примером таких реакций являются реакции нуклеофильного или электрофильного замещенияв ароматическом ряду.

Слайд 5

ТЕОРИЯ ПЕРИЦИКЛИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Рис. 1. Энергетический профиль ступенчатой (a) и согласованной (б) реакции

ТЕОРИЯ ПЕРИЦИКЛИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ Рис. 1. Энергетический профиль ступенчатой (a) и согласованной (б) реакции

Слайд 6

Теория переходного состояния (активированного комплекса)
В попытках устранить недостатки теории активных столкновений ученые

Теория переходного состояния (активированного комплекса) В попытках устранить недостатки теории активных столкновений
предложили новую теорию химической кинетики. Это сделали практически одновременно в 1935 году, более чем через полвека после открытий Аррениуса, Г.Эйринг (США) с одной стороны, а также М.Поляни и М.Г.Эванс (Великобритания) - с другой. Они предположили, что химическая реакция между началом и завершением претерпевает некое «переходное состояние», как его назвали Эванс и Поляни, при котором образуется неустойчивый «активированный комплекс» (термин Эйринга). Энергия активации как раз и требуется для достижения этого состояния, при котором вероятность успешного завершения реакции весьма велика. Поэтому энергия активации и может быть меньшей, чем энергия разрыва исходных химических связей.      
Суть  теории переходного состояния (активированного комплекса):
1) частицы реагентов при взаимодействии теряют свою кинетическую энергию, которая превращается в потенциальную, и для того чтобы реакция свершилась, необходимо преодолеть некий барьер потенциальной энергии; 2) разница между потенциальной энергией частиц и упомянутым энергетическим барьером и есть энергия активации; 3) переходное состояние находится в равновесии с реагентами; 4) в тех реакциях, где энергия активации существенно ниже энергии разрыва химических связей, процессы образования новых связей и разрушения старых связей могут полностью или частично совпадать по времени.
Время существования активированного комплекса равно периоду колебания одной молекулы ( 10-13 с), поэтому он не может быть обнаружен экспериментально и, соответственно, его нельзя выделить и изучить. Следовательно, доказать истинность теории переходного состояния можно только с помощью расчетов.

Слайд 7

механизм некоторых реакций в органической химии включает только одну элементарную стадию, в

механизм некоторых реакций в органической химии включает только одну элементарную стадию, в
которой не происходит образование более или менее стабильной ионной или радикальной частицы. Такие реакции относят к согласованным (концертным) реакциям. Термин согласованность (концертность) означает, что реорганизация электронов при разрыве связей или образовании связей происходит одновременно как плавный и непрерывный процесс. Энергетический профиль такой реакции включает превращение реактанта R в продукт P через переходное состояние TS

Слайд 8

Реакции алкилирования по механизму SN2, протекающие как согласованный и стереоселективный процесс, проходят

Реакции алкилирования по механизму SN2, протекающие как согласованный и стереоселективный процесс, проходят
с инверсией конфигурации у реакционного центра.
Реакция Дильса−Альдера часто реализуется в достаточно мягких условиях по сравнению с димеризацией олефинов и проходит региоселективно.

Слайд 9

В фотохимических и термических таких реакций образуются разные вещества

Было трудно объяснить эти

В фотохимических и термических таких реакций образуются разные вещества Было трудно объяснить
факты, а также некоторые другие, связанные с перициклическими реакциями, поскольку невозможно было применить большинство известных механизмов к согласованным реакциям

Слайд 10

В 1965 г. Р. Вудворд и Р. Гофман назвали эти реакции перициклическими

В 1965 г. Р. Вудворд и Р. Гофман назвали эти реакции перициклическими
(ПР), и этот термин впоследствии стал широко использоваться в органической химии:
Перициклические реакции (от греч. περι − вокруг и κυκλος – круг) − процессы, при которых реорганизация связей происходит по периметру многоугольника, образованного атомами, участвующими в формировании переходного состояния

Слайд 11

Для объяснения механизма реакции в отсутствие интермедиатов необходимо детальное описание переходного состояния.

Для объяснения механизма реакции в отсутствие интермедиатов необходимо детальное описание переходного состояния.
Эту проблему всегда чрезвычайно трудно решить. Структурные изменения, которые могли бы объяснить механизм реакции, не оказывали значительного воздействия на скорость согласованных реакций. Катализаторы и растворители также практически не влияли на скорость превращений. Все это позволило Дерингу предложить для концертных реакций термин «реакции без механизма».

Слайд 12

В 1965 г. Р. Вудворд и Р. Гофман назвали эти реакции перициклическими

В 1965 г. Р. Вудворд и Р. Гофман назвали эти реакции перициклическими
(ПР), и этот термин впоследствии стал широко использоваться в органической химии:
Перициклические реакции (от греч. περι − вокруг и κυκλος – круг) − процессы, при которых реорганизация связей происходит по периметру многоугольника, образованного атомами, участвующими в формировании переходного состояния

Слайд 13

Основные отличия перициклических реакций
Изменения в состоянии связей происходят через одну синхронную

Основные отличия перициклических реакций Изменения в состоянии связей происходят через одну синхронную
стадию и охватывают одновременно несколько центров в молекуле.
Реагенты превращаются через сопряженное циклическое переходное состояние, которое часто характеризуется высокой симметрией, однако иногда может образоваться и менее симметричное переходное состояние.
Перициклические реакции не могут обсуждаться в терминах нуклеофильного или электрофильного взаимодействия, хотя в некоторых случаях в молекуле реагентов в некоторой степени и происходит разделение зарядов (поляризация).
Большинство перициклических реакций стереоселективны.
Реакции характеризуются значительной отрицательной энтропией активации, что подтверждает образование высокоорганизованного переходного состояния.
Реакции находятся в равновесии, в котором могут участвовать одна или большее количество молекул. Циклическое переходное состояние является общим как для прямой реакции, так и для обратной.

Слайд 14

Классификация перициклических реакций 1. Циклоприсоединение и обратные реакции

Дильса-Альдера

Ретродиеновый распад

Классификация перициклических реакций 1. Циклоприсоединение и обратные реакции Дильса-Альдера Ретродиеновый распад

Слайд 15

Другим примером реакций циклоприсоединения является реакция 1,3-диполярного циклоприсоединения. Молекула, электронную структуру которой

Другим примером реакций циклоприсоединения является реакция 1,3-диполярного циклоприсоединения. Молекула, электронную структуру которой
можно представить в виде 1,3-диполя, реагирует с кратными связями другой молекулы (диполярофилом) с образованием 5-членного гетероцикла

Слайд 16

Электроциклические реакции

К электроциклическим относятся реакции, в ходе которых происходит образование простой

Электроциклические реакции К электроциклическим относятся реакции, в ходе которых происходит образование простой
связи между концевыми атомами сопряженной π-системы, а также обратные реакции, ведущие к расщеплению простой связи в цикле с образованием сопряженной открытой π-системы.

Слайд 17

Сигматропные перегруппировки

Сигматропные реакции – это процесс который включает миграцию σ-связи через одну

Сигматропные перегруппировки Сигматропные реакции – это процесс который включает миграцию σ-связи через
или большее количество связей в сопряженной π-системе в новое положение в пределах этой системы. К этому типу перициклических реакций относится перегруппировка Коупа:(Важно уметь правильно называть тип сдвига)

Слайд 18

Хелетропные реакции

Циклоприсоединение, при котором простой алкадиен присоединяется двумя своими концевыми атомами углерода

Хелетропные реакции Циклоприсоединение, при котором простой алкадиен присоединяется двумя своими концевыми атомами
к одному и тому же атому второй молекулы (диенофила), получило название хелетропных реакций. Название происходит от греческого слова хелео - «клешня». В такие реакции вступают SO2, карбены и соединения трехвалентного фосфора.

Слайд 19

. Реакции переноса групп наименее изученный класс перициклических реакций характеризуются перемещением нескольких групп

. Реакции переноса групп наименее изученный класс перициклических реакций характеризуются перемещением нескольких
от одной молекулы к другой

Слайд 20

Если по формальному признаку отнести реакцию к перициклическим легко, то установление ее

Если по формальному признаку отнести реакцию к перициклическим легко, то установление ее
согласованности представляет собой сложную задачу (так как возможен альтернативный постадийный механизм). Для этого необходимо изучение стереоспецифичности реакции, кинетических изотопных эффектов, влияния заместителей и среды и т. д.
Как уже отмечалось, характерными особенностями перициклических реакций являются их высокая стереоспецифичность, значительно меньшая (чем у постадийных реакций) чувствительность к эффектам растворителей, низкие абсолютные значения реакционной константы ρ и т. д.
Протекание перициклических реакций контролируется принципом сохранения орбитальной симметрии. Согласно теории граничных орбиталей, разрешенные по симметрии перициклические реакции легче всего проходят в случае максимального перекрывания граничных орбиталей отдельных компонентов.
Эквивалентную форму обобщенного правила отбора Вудворда−Гофмана дает концепция ароматичности переходного состояния перициклических реакций, развитая M. Эвансом, M. Дьюаром и X. Циммерманом: термические перициклические реакции осуществляются через ароматические переходные состояния.
Очевидно, что большинство перициклических реакций – это реакции π-систем, т. е. сопряженных полиенов. Следовательно, орбитальная теория перициклических реакций должна основываться на молекулярно-орбитальной теории строения полиенов.

Слайд 21

Закономерности перициклических реакций  

Они согласованны и идут через циклическое переходное состояние с более

Закономерности перициклических реакций Они согласованны и идут через циклическое переходное состояние с
или менее синхронным образованием связей по концам реагирующих молекул и одновременным перераспределением π-связей внутри циклического переходного состояния.

Реакции, которые осуществляются через циклическое переходное состояние, должны проходить легче соответствующих реакций, протекающих через нециклическое переходное состояние. Переходное состояние взаимодействия двух молекул этилена является изо-π-электронным циклобутадиену, который неустойчив из-за антиароматичности.

Слайд 22

Перициклические реакции всегда высоко стереоселективны и часто стереоспецифичны (100% селективны). Например:  

Перициклические реакции всегда высоко стереоселективны и часто стереоспецифичны (100% селективны). Например:

Слайд 23

Для перициклических реакций характерна региоселективность, т. е. определенная пространственная ориентация реагентов или

Для перициклических реакций характерна региоселективность, т. е. определенная пространственная ориентация реагентов или
фрагментов молекулы, которая сохраняется вдоль координаты реакции и в конечном продукте.

Слайд 24

Очень часто одни и те же типы реакций при термической активации (т.

Очень часто одни и те же типы реакций при термической активации (т.
е. в основном электроном состоянии) идут иначе, чем при фотохимической активации (т. е. в возбужденном состоянии).