Кіріспе

Циклдік өтпелі күйдегі реакция

Органикалық химияда перициклдік реакция – молекуланың өтпелі күйі циклдік геометрияға ие болатын органикалық реакция түрі, реакция келісімді түрде жүзеге асырылады және реакцияға қатысатын байланыс орбиталдары өтпелі күйде үздіксіз циклде бір-бірімен жапсасады. Перициклдік реакциялар сызықтық реакциялардан өзгеше, олар органикалық түрленулердің көпшілігін қамтиды және ациклдік өтпелі күй арқылы өтеді, бір жағынан, ал коарктатты реакциялар екі есе циклдік, келісімді өтпелі күй арқылы өтеді, екінші жағынан. Перициклдік реакциялар көбінесе қайта құрылымдану немесе қосылу реакциялары болып табылады. Перициклдік реакциялардың негізгі кластары төмендегі кестеде келтірілген (үш ең маңызды кластар қалың шрифтпен көрсетілген). Эне реакциялары және хелетроптық реакциялары көбінесе топтық трансферт реакциялары және циклоаддициялар/циклоэлиминациялар ретінде жіктеледі, ал диотроптық реакциялар мен топтық трансферт реакциялары (эне реакциялары ескерілмесе) сирек кездеседі. АтауБонд өзгерістері Sigma Pi Электроциклдік реакция + 1 − 1 Циклоаддиция (және циклоэлиминация) + 2 − 2 Сигматроптық реакция 0 0 Топтық трансферт реакциясы 0 0 Эне реакциясы + 1 − 1 Хелетроптық реакция + 2 − 1 Диотроптық реакция 0 0

Жалпы алғанда, бұл тепе-теңдік процестері деп есептеледі, бірақ реакцияны бір бағытта жылжытуға болады, егер реакция нәтижесінде алынған өнімнің энергия деңгейі айтарлықтай төмен болса; бұл Ле Шателье принципіне мономолекулалық тұрғыдан қарағанда түсіндіріледі. Осылайша, «ретро» перициклдік реакциялар жиынтығы бар.

Перициклді реакцияның механизмі

Анықтамасы бойынша, перициклдік реакциялар бір циклдік өтпелі күйді қамтитын келісімді механизм арқылы жүреді. Осыған байланысты, перициклдік процестерді орбиталық симметрияны сақтау принципі арқылы жүйелі түрде түсінуден бұрын, оларды "механизмсіз реакциялар" деп әжуалық айтқан. Дегенмен, перициклдік механизмдерді қолдануға болатын реакциялар көбінесе радикалдық немесе диполярлық аралықтар арқылы өтетін, сонымен қатар мүмкін болатын қадамдық механизмдерге де ие. Кейбір перициклдік реакциялар кластары, мысалы [2+2] кетен циклоаддициясы, "даулы" болуы мүмкін, себебі олардың механизмі кейде нақты келісімді деп анықталмайды (немесе реактивті жүйеге байланысты болуы мүмкін). Сонымен қатар, перициклдік реакциялар металл катализделген аналогтарға ие болуы мүмкін, бірақ олар техникалық тұрғыдан перициклдік емес, өйткені олар металл тұрақтандырылған аралықтар арқылы жүреді, сондықтан келісімді емес. Осы ескертулерге қарамастан, перициклдік реакциялардың теориялық түсінігі барлық органикалық химиядағы ең күрделі және жақсы дамығандардың бірі болып саналады. Перициклдік процесс барысында орбитальдардың өзара әрекеттесуін түсіну Вудвард-Хоффман ережелеріне әкелді, бұл реакция үшін перициклдік механизмнің ықтимал немесе қолайлы екенін болжауға арналған қарапайым критерийлер жиынтығы. Мысалы, бұл ережелер жылулық жағдайда бутадиен мен этиленнің [4+2] циклоаддициясы перициклдік процесс болып табылады, ал екі этилен молекуласының [2+2] циклоаддициясы емес екенін болжайды. Бұл деректер эксперименттік деректермен сәйкес келеді, бұл біріншісі үшін реттелген, келісімді өтпелі күйді және екіншісі үшін көп сатылы радикалды процесті қолдайды. Төменде келтірілген бірнеше эквивалентті тәсілдер бірдей болжамдарға әкеледі. Ароматтық өтпелі күйлер теориясы перициклдік процесс үшін ең төмен энергиялы өтпелі күйдің ароматтық екенін болжайды, ал реакция топологиясының таңдалуы қатысатын электрондардың санымен анықталады. (4n + 2) электронды жүйелерді (2, 6, 10, электрондар; электрон жұптарының тақ саны) қамтитын реакциялар үшін Гюкель топологиясы бойынша өтпелі күйлер ұсынылады, онда реакцияға түсетін молекуланың немесе молекулалардың реактивті бөлігі орбитальдар үздіксіз циклмен өзара әрекеттеседі. 4n электронды жүйелерде (4, 8, 12, электрондар; электрон жұптарының жұп саны) Мёбиус топологиясы бойынша өтпелі күйлер ұсынылады, онда реакцияға түсетін молекулалардың орбитальдары бұрылған үздіксіз циклмен өзара әрекеттеседі. Тиісінше, 4n + 2 электронды Мёбиус және 4n электронды Гюкель өтпелі күйлері антиароматты және сондықтан қолайсыз. Ароматтық өтпелі күйлер теориясы жалпыланған Вудвард-Хоффман ережесінің ерекше қарапайым тұжырымын береді: Электрон жұптарының тақ санын қамтитын перициклдік реакция Гюкель өтпелі күйі (Вудвард-Хоффман терминологиясында интерфациалдық компоненттердің жұп саны) арқылы өтеді, ал электрон жұптарының жұп санын қамтитын перициклдік реакция Мёбиус өтпелі күйі (интерфациалдық компоненттердің тақ саны) арқылы өтеді. Сонымен қатар, перициклдік реакциялар корреляциялық диаграммалармен талданады, бұл реакцияға түсетін молекулалардың молекулалық орбитальдарының эволюциясын (молекулалық орбитальдардың "корреляциясы" деп аталады) өтпелі күй арқылы реакцияланушылардан өнімдерге қарай олардың симметриялық қасиеттеріне сүйене отырып бақылайды. Реакциялар қолайлы ("рұқсат етілген") болып саналады, егер реакцияланушылардың негізгі күйі өнімдердің негізгі күйімен сәйкес келсе, ал реакциялар қолайсыз ("тыйым салынған") болып саналады, егер реакцияланушылардың негізгі күйі өнімдердің қоздырылған күйімен сәйкес келсе. Бұл идея орбиталық симметрияны сақтау деп аталады. Перициклдік реакцияның өтпелі күйін талдаудың тағы бір тәсілі – ең жоғары орналасқан және ең төменгі бос молекулалық орбитальдардың өзара әрекеттесуін қарастыру (шекаралық орбитальды талдау).

Перициклдік реакциялар үшін жебелер

Перициклдік реакциялардың жебелеу конвенциясы полярлы (және радикалды) реакциялармен салыстырғанда сәл өзгеше мағынаға ие. Перициклдік реакцияларда электронға бай көзден электронға муқтаж қабылдағышқа электрондардың анық қозғалысы көбінесе байқалмайды. Керісінше, электрондар циклдік өтпелі күйде қайта таралады. Сондықтан, перициклдік реакция үшін электрондар екі бағыттың бірінде ителуі мүмкін. Дегенмен, кейбір перициклдік реакцияларда асинхрондылық салдарынан (байланыс түзiлуi мен үзілуі өтпелі күйде бiркелкі жүрмейдi) өтпелі күйде зарядтың анық поляризациясы болады. Осылайша, бiр бағыт екіншiсiнен артық болуы мүмкiн, бiрақ екеуi де формальды түрде дұрыс деп есептелуі мүмкін. Төменде көрсетілген Дильс-Альдер реакциясының жағдайында резонанс аргументтері поляризация бағытын анық көрсетеді. Алайда, күрделі жағдайларда поляризацияның бағытын және шамасын анықтау үшін толыққанды есептеулер қажет болуы мүмкін.

Псевдоперициклдік процестер

Перициклді процестерге ұқсас псевдоперициклді реакциялар да бар. Псевдоперициклді реакция циклдік өтпелі күй арқылы жүргенімен, қатысатын екі орбиталь өзара перпендикуляр болып, әрекеттесе алмайды. Ең белгілі мысалы – олефиннің гидроборациясы. Бұл 4 электронды Хюкель топологиясы бойынша рұқсат етілмеген топтық ауысу процесі сияқты көрінсе де, бос p орбиталы мен sp2 гибридтелген B–H байланысы перпендикуляр болып, өзара әрекеттеспейді. Сондықтан Вудвард-Хоффман ережелері осыған қолданылмайды. (Гидроборацияның бастапқы π-комплекстеу арқылы жүретіні де маңызды болуы мүмкін.)