Кіріспе
Перициклдік химиялық реакцияның түрі. 1,3-диполярлы циклоаддиция – 1,3-диполь мен диполярофилдің арасындағы химиялық реакция, нәтижесінде бес мүшелі сақина пайда болады. Ең алғашқы 1,3-диполярлы циклоаддициялар 19 ғасырдың соңы мен 20 ғасырдың басында 1,3-дипольдердің ашылуынан кейін сипатталған. Реакцияның механизмін зерттеу және синтезде қолданылуы 1960 жылдары, негізінен Рольф Хьюсгеннің еңбектері арқылы қалыптасты. Сондықтан, бұл реакция кейде Хьюсген циклоаддициясы деп аталады (бұл термин көбінесе органикалық азид пен алкин арасындағы 1,2,3-триазол алуға арналған 1,3-диполярлы циклоаддицияны сипаттау үшін қолданылады). 1,3-диполярлы циклоаддиция – бес мүшелі гетероциклдер мен олардың сақинасы ашылған ациклді туындыларын аймақтық және стереоселективті түрде синтездеудің маңызды жолы болып табылады. Диполярофил әдетте алкен немесе алкин болып келеді, бірақ басқа π-жүйелер де болуы мүмкін. Егер диполярофил алкин болса, көбінесе ароматты сақиналар түзіледі.
The 1,3 dipolar cycloaddition is a chemical reaction between a 1,3 dipole and a dipolarophile to form a five membered ring. The earliest 1,3 dipolar cycloadditions were described in the late 19th century to the early 20th century, following the discovery of 1,3 dipoles. Mechanistic investigation and synthetic application were established in the 1960s, primarily through the work of Rolf Huisgen. Hence, the reaction is sometimes referred to as the Huisgen cycloaddition (this term is often used to specifically describe the 1,3 dipolar cycloaddition between an organic azide and an alkyne to generate 1,2,3 triazole). 1,3 dipolar cycloaddition is an important route to the regio and stereoselective synthesis of five membered heterocycles and their ring opened acyclic derivatives. The dipolarophile is typically an alkene or alkyne, but can be other pi systems. When the dipolarophile is an alkyne, aromatic rings are generally produced.
Механизмдік шолу
Бастапқыда екі ұсынылған механизм 1,3 диполярлы циклоаддицияны сипаттайды: біріншісі, Рольф Хьюсген ұсынған келісімді перициклді циклоаддиция механизмі; екіншісі, Фирестоун ұсынған дирадикалды аралықты қатыстыратын қадамдық механизм. Көптеген талқылардан кейін, бұрынғы ұсыныс қазіргі таңда жалпы қабылданды – 1,3 диполь диполофилмен келісімді, көбінесе асинхронды және симметрияға сәйкес π4s + π2s түрінде, термиялық алты электронды Хюккел ароматылық өткіш күй арқылы реакцияға түседі. Дегенмен, тиокарбонил илидтер мен нитрил оксидтерінің катализаторсыз 1,3 диполярлы циклоаддиция реакциялары үшін қадамдық механизмге бірнеше мысал бар.
Перициклдік механизм
Хуисген 1,3-диполярлы диазо қосылыстары мен әртүрлі диполярофильді алкендер арасындағы циклоаддициялар сериясын зерттеді. Күкірт немесе фосфор сияқты жоғарғы қатарлы элементтер бар 1,3-дипольдер де белгілі, бірақ олар жиі қолданылмайды. Резонанстық құрылымдарды теріс және оң зарядтарды 1,3-диполының кез келген ұшына бөлу үшін салуға болады (төмендегі схеманы қараңыз). 1,3-дипольдегі электрондық таралымын сипаттаудың дәл әдісі – диполь моментін өлшеу немесе есептеу сияқты эксперименталды немесе теориялық деректерге негізделген басты резонанс үлескерін анықтау. Мысалы, диазометан терминалды азот атомында ең үлкен теріс сипатқа ие, ал гидразой қышқылы ішкі азот атомында ең үлкен теріс сипатқа ие. Осы екіұштылықтың салдарынан 1,3-диполының ұштарын бір уақытта нуклеофильдік және электрофильдік деп қарастыруға болады. Әр шеттегі нуклеофилділік және электрофильділік деңгейін шекаралық молекулалық орбитальдарды пайдалану арқылы бағалауға болады, оларды есептеу арқылы алуға болады. Жалпы алғанда, HOMO-да ең үлкен орбиталық коэффициентке ие атом нуклеофиль ретінде, ал LUMO-да электрофиль ретінде әрекет етеді. Ең нуклеофильді атом әдетте, бірақ әрқашан емес, ең электронға толы атом болып табылады. 1,3-диполярлы циклоаддицияларда диполь-диполярофиль жұбының табиғаты 1,3-дипольдің HOMO немесе LUMO сипатының басым болатынын анықтайды (төмендегі шекаралық молекулалық орбитальдар туралы талқылауды қараңыз).
Диполарофилді
Ең көп қолданылатын диполофилдер алкендер мен алкиндер болып табылады. Карбонилдер мен иминдер сияқты гетероатомдарды қамтитын диполофилдер де 1,3-диполярлы циклоаддицияға түсуі мүмкін. Диполарофильдердің басқа мысалдарына фуллерендер мен нанотүтіктер жатады, олар Прато реакциясында азометин илідімен 1,3-диполярлы циклоаддицияға түсе алады.
Еріткіш әсері
1,3 Диполярлы циклоаддициялар еріткіш әсеріне өте аз ұшырайды, себебі реактивтер де, аралық күйлер де көбінесе полярлы емес. Мысалы, фенилдиазометан мен этилакрилат немесе норборнен арасындағы реакция жылдамдығы (төмендегі схеманы қараңыз) циклогексаннан метанолға дейін еріткіштерді өзгерту кезінде аз ғана өзгереді. 1,3 диполярлы циклоаддицияда еріткіш әсерінің болмауы энаминдер мен диметилдиазомалонат арасындағы реакцияда анық байқалады (төмендегі схеманы қараңыз). Полярлы реакция, N-циклопентенилпирролидиннің диазоқосылысқа нуклеофильді қосылуы, полярлы DMSO-да полярлы емес декалинге қарағанда 1500 есе жылдам өтеді. Ал, осы реакцияның ұқсас аналогы, N-циклогексенилпирролидиннің диметилдиазомалонатқа 1,3 диполярлы циклоаддициясы, декалинге қарағанда DMSO-да 41 есе ғана жылдамдайды.
Молекулалық орбитальдық теорияның шегі
1,3 Диполярлы циклоқосылымдар – бұл Девар-Циммерман және Вудвард-Хоффман ережелеріне бағынатын перициклдік реакциялар. Девар-Циммерман қарастыруынша, реакция осы молекулалық орбитальдық схема үшін 5 орталықтан, 0 түйінден және 6 электроннан тұратын Геккель өткізілмелі күйі арқылы жүзеге асады. Дегенмен, бірдей нәтижеге жету үшін әр орбитальға кездейсоқ таңба тағайындауға болады. Вудвард-Хоффман қарастыруынша, 1,3 диполының және диполофилдің шекаралық молекулалық орбиталдары (ШМО) симметриялық тұрғыдан π4s + π2s жағдайында жапсысады. Мұндай орбитальдық жапсысуға үш түрлі жолмен қол жеткізуге болады: I, II және III типтері. Басым жол – ең кішкентай HOMO-LUMO энергиялық айырмасына ие жол.
I типті
Диполярдың жоғары орналасқан ЖЕҰО-сы (HOMO) бар, ол диполофилдің ЕЖҰО-сымен (LUMO) жақындасады. Осы кластағы диполяр ЖЕҰО-мен басқарылатын диполяр немесе нуклеофильді диполяр деп аталады, оған азометин иллиді, карбонил иллиді, нитрил иллиді, азометин имині, карбонил имині және диазоалкан кіреді. Бұл дипольдар электрофильді алкендерге оңай қосылады. Диполофилдегі электронды тартып алатын топтар (EWG) ЕЖҰО-ны төмендету арқылы реакцияны жылдамдатуы мүмкін, ал электронды донорлық топтар (EDG) ЖЕҰО-ны көтеру арқылы реакцияны баяулатуы мүмкін. Мысалы, диазометанның диполофилдер қатарына қатысты реакциялық қабілеттілік шкаласы төмендегі схемада көрсетілген. Диазометан электроны жетіспейтін этил акрилатпен электронға толы бутил винил эфиріне қарағанда миллион есе жылдам реакцияға түседі. Бұл типтегі реакция Дильс-Альдер реакциясының қалыпты электрондық қажеттілігіне ұқсас, онда диеннің ЖЕҰО-сы диенофилдің ЕЖҰО-сымен бірігеді.
II типті
Диполярдың Жоғарғы оккупацияланған молекулалық орбиталы (HOMO) диполярофилдің Ең төменгі бос молекулалық орбиталымен (LUMO) жұптаса алады; немесе, диполярофилдің HOMO диполярдың LUMO-мен жұптаса алады. Бұл екі жақты өзара әрекеттесу екі бағыттағы энергиялық айырмашылықтың шамалас болуынан туындайды. Осы кластағы дипол Жоғарғы оккупацияланған және Ең төменгі бос орбиталармен басқарылатын дипол немесе амфифиликалық дипол деп аталады, оған нитрил имиді, нитрон, карбонил оксиді, нитрил оксиді және азид жатады. Диполярофилдегі кез келген субститут екі өзара әрекеттесетін орбитальдар арасындағы энергиялық алшақтықты төмендету арқылы реакцияны жылдамдатады; яғни, электрон тартымды топ (EWG) LUMO-ны төмендетсе, электрон донорлық топ (EDG) HOMO-ны көтереді. Мысалы, азидтер әр түрлі электронға қанағаттанған және электронға жетіспеген диполярофильдермен ұқсас реакциялық қабілетпен реакцияға түседі (төмендегі реакциялық қабілет шкаласын қараңыз).
III типті
Диполдың төменгі орналасқан LUMO-сы бар, ол диполофилдің ЖОО-сымен (диаграммада қызыл пунктирлі сызықтармен көрсетілген) жапсысады. Осы кластағы дипол LUMO-мен басқарылатын дипол немесе электрофильді дипол деп аталады, оған азот оксиді мен озон жатады. Диполофилдегі электрондарды тартып алатын топтар реакцияны баяулатады, ал электрондарды донорлық топтар реакцияны жылдамдатады. Мысалы, озон электрондары мол 2-метилпропенмен электрондары жетіспейтін тетрахлорэтенге қарағанда 100 000 есе жылдам реакцияласады (төмендегі реакциялық қабілеттілік шкаласын қараңыз). Бұл типтегі реакция диеннің ЖОО-сының диенофилдің ЖЖБ-мен бірігуі арқылы жүзеге асатын кері электрондық талап Диелс-Алдер реакциясына ұқсас.
Реактивтілік
Келісілген процестер, мысалы, 1,3 циклоаддициясы, жоғары реттелген өтпелі күйді (активацияның жоғары теріс энтропиясы) және орташа энталпия талаптарын қажет етеді. Бәсекелес реакциялар тәжірибесін қолдану арқылы әртүрлі циклоаддиция реакцияларының салыстырмалы қосылу жылдамдықтары реакциялық қасиеттер факторлары туралы жалпы тұжырымдар береді. Конъюгация, әсіресе ароматикалық топтармен, өтпелі күйді тұрақтандыру арқылы реакция жылдамдығын арттырады. Өтпелі кезеңде екі сигма байланысы әртүрлі жылдамдықпен түзіледі, бұл өтпелі күйде жартылай зарядтардың пайда болуына мүмкіндік береді, оларды конъюгацияланған субституттарға зарядты бөлу арқылы тұрақтандыруға болады. Жақсы поляризацияланатын диполарофилдер көбірек реакциялық болады, өйткені тараған электрондық бұлттары электрондар ағынын бастауға жақсырақ сәйкес келеді. Жоғары бұрыштық кернеуі бар диполарофилдер негізгі күйдің энергиясының жоғарылауына байланысты көбірек реакциялық болады. Өтпелі күйде кедергісіз реагенттердің нәтижесінде стериялық кедергінің артуы реакция жылдамдығын күрт төмендетеді. Гетеродиполарофилдер, бар болса, C,C диаполарофилдерге қарағанда баяу қосылады, себебі сигма байланысының энергиясының төмендеуі өтпелі күйде пи байланысын жоғалтуды өтеуге жеткіліксіз. Диполарофилдің изомериясы стериялық факторларға байланысты реакция жылдамдығына әсер етеді. Транс-изомерлер көбірек реакциялық (транс-стильбен дифенил(нитрил имидін) цис-стильбенге қарағанда 27 есе жылдам қосады), өйткені реакция кезінде 120° байланыс бұрышы 109°-қа дейін қысқарады, бұл цис-субституттарды бір-біріне жақындатып, стериялық соқтығысуды күшейтеді.
Стереоспецификалық қасиет
1,3 диполярлы циклоқосылымдар әдетте 1,3-диполь және диполофилге қатысты конфигурацияның сақталуына әкеледі. Мұндай жоғары стереоспецификалық дәреже, келісімді реакция механизмін, қадамдық реакция механизмінен гөрі күшті қолдайды. Бұрын айтылғандай, көптеген мысалдар реакциялардың қадамдық болғанын көрсетеді, демек, ішінара немесе толық стереоспецификалық емес.
Диполарофилді
Диполарофильді алкендегі цис-топтамалар түзілген бес мүшелі циклді қосылыста цис-қалпында, ал транс-топтамалар транс-қалпында болады (төмендегі схеманы қараңыз).
Диполға қатысты
Жалпы, диполдің стереохимиясы аса маңызды емес, себебі стереогендік орталықтарды құрай алатын дипольдердің саны аз, ал резонанстық құрылымдар байланыстардың айналуына мүмкіндік береді, бұл стереохимияны шатастырады. Дегенмен, азометин илидтерін зерттеу циклоаддицияның диполь компонентіне қатысты да стереоспецификалық екенін көрсетті. Диастереотаза азометин илидтері азиридиндердің электроциклдік сақина ашылуы арқылы түзіледі, содан кейін байланыс айналуға үлкермес бұрын күшті диполофильдермен жылдам байланысады (төмендегі схеманы қараңыз). Егер нашар диполофильдер қолданылса, диполдағы байланыстар айналу мүмкіндігіне ие болып, циклоаддицияның стереоспецификалықтығы төмендейді. Осы нәтижелердің барлығы 1,3-диполярлы циклоаддицияның стереоспецификалық екенін растайды, бұл 1,3-дипольдің де, диполярлының табиғатын сақтайды.
Апат-қалпына келтіру
Реакция кезінде екі немесе одан көп стереоцентр пайда болғанда диастереомерлік өтпелі күйлер мен өнімдер алуға болады. Дильс-Альдер циклоаддициясында екіншілік орбитальдық өзара әрекеттесулерге байланысты эндодиастереоселективтілік байқалады. Алайда, 1,3-диполярлы циклоқосылымдарда диастереоселективтілікке екі күш әсер етеді: тартымды π өзара әрекеттесу (Дильс-Альдер циклоқосылымындағы екіншілік орбитальдық өзара әрекеттесулерге ұқсас) және теріскей стерикалық өзара әрекеттесу. Өкінішке орай, бұл екі күш көбінесе бір-бірін жояды, нәтижесінде 1,3-диполярлы циклоқосылымдарда диастереоселекция нашарлайды. Субстрат бақылауымен жүзеге асырылатын диастереоселективті 1,3-диполярлы циклоқосылымдардың мысалдары төменде көрсетілген. Біріншісі – және метил акрилат арасындағы реакция. Өтпелі күйде фенил және метил эфирлік топтары бірімен-бірі үйлесіп, цис-алмастыруды эксклюзивті соңғы пирролин өнімі ретінде береді. Бұл тиімді π өзара әрекеттесу фенил және метил эфирлік топтары арасындағы стерикалық теріскейлікті жеңілдетеді. Екіншісі – нитрон мен дигидрофуран арасындағы реакция. Стерикалық теріскейлікті азайту үшін экзоселективтілікке қол жеткізіледі. Соңғысы – молекулаішілік азометин иллид пен алкен арасындағы реакция. Диастереоселективтілік аз кернеулі цис-қорытылған сақина жүйесінің қалыптасуымен бақыланады.
Бағытталған 1,3-диполярлы циклоқосылым
Циклоаддицияның траекториясын диастереоселективті реакцияға қол жеткізу үшін басқаруға болады. Мысалы, металдар диполофильге және келіп түсетін дипольге келаттасып, циклоаддицияны бір жаққа таңдамалы түрде бағыттай алады. Төмендегі мысалда магний ионының қатысуымен энантиомерлік таза аллиль спиртіне нитрил оксидінің қосылуы көрсетілген. Алкеннің ең тұрақты конформациясы гидроксил тобын алкен жазықтығының үстіне орналастырады. Содан кейін магний гидроксил тобына және нитрил оксидінің оттек атомына келаттасады. Осылайша, циклоқосылу жоғары жағынан таңдамалы түрде жүзеге асады. Мұндай диастереобағыт епотилон синтезінде қолданылған.
Өңірлік іріктеу
Асимметриялық диполь диполофил жұптары үшін екі аймақтық изомерлік өнім пайда болуы мүмкін. 1,3-диполярлық циклоқосылыстардың аймақтық таңдаулылығына электрондық/стериоэлектрондық және кеңістіктік факторлар әсер етеді.
Электрондық/стериоэлектрондық әсер
Электрондық өзара әрекеттесудің басым түрі – ең үлкен HOMO мен ең үлкен LUMO арасындағы комбинация. Сондықтан, аймақтық таңдаулылық ең үлкен орбиталық HOMO және LUMO коэффициенттеріне ие атомдармен анықталады. Мысалы, диазометанның үш дипольфилге – метил акрилатқа, стиролға немесе метил цинаматына циклоаддициясын қарастырайық. Диазометанның көміртегі ең үлкен HOMO-ға ие, ал метил акрилат пен стиролдің соңғы олефиндік көміртектері ең үлкен LUMO-ға ие. Осылайша, циклоаддиция С3 позициясындағы орнын ауыстыруды аймақтық түрде қамтамасыз етеді. Метил цинаматы үшін екі топ (Ph және COOMe) алкеннен электронды тартуда бәсекелеседі. Карбоксил тобы электронды жақсырақ тартып алады, нәтижесінде β көміртегі ең электрофилді болады. Осыған байланысты, циклоаддиция С3 позициясында карбоксил тобын және С4 позициясында фенил тобын аймақтық таңдаулылықпен береді.
Стериялық әсер
Стерикалық эффекттер жоғарыда аталған электрондық эффекттермен өзара әрекеттесе немесе олармен бәсекелесе алады. Кейде стерикалық әсерлер электрондық қалауды толыққанды басып, тек қарама-қарсы аймақтық изомерді ғана тудырады. Мысалы, диазометан әдетте метил акрилатына қосылып, 3-карбоксил пиразолин береді. Бірақ, жүйеге күштірек стерикалық талаптар қойылғанда, изомерлі 4-карбоксил пиразолиндерді байқауға болады. Бұл екі аймақтық изомердің арақатынасы стерикалық талаптарға байланысты. Шексіздікке жақындағанда, сутектен t-бутилге дейін мөлшерінің ұлғаюы аймақтық таңдауды 100% 3-карбоксилден 100% 4-карбоксилге қарай өзгертеді.
Синтетикалық қолдану
1,3-диполярлы циклоқосылу реакциялары триазолдар, фурандар, изоксазолдар, пирролидиндер және басқа да маңызды 5 мүшелі гетероциклдерді синтездеудің маңызды тәсілдері болып табылады. Сонымен қатар, кейбір циклоқосылыстарды ыдырату арқылы тізбекті қаңқаны ашуға болады, бұл алифалық қосылыстарды синтездеудің тағы бір жолын ұсынады. Бұл реакциялар стереоспецификалық, диастереоселективті және региоселективті болғандықтан өте пайдалы. Төменде бірнеше мысал келтірілген.
Нитрил оксидтері
Нитрил оксидтерімен 1,3-диполярлы циклоаддиция – кеңінен қолданылатын жасырылған альдоль реакциясы. Нитрил оксиді мен алкен арасындағы циклоаддиция циклдік изоксазолин туындысын береді, ал алкинмен реакция изоксазол туындысын береді. Изоксазолиндер мен изоксазольдерді сутектік толықтыру арқылы ыдыратуға болады, нәтижесінде альдольдік β-гидроксикарбонилді немесе Клайзендік β-дикарбонилді өнімдер пайда болады. Нитрил оксидінің алкинмен циклоаддициясы, содан кейін сутектік толықтыру Мияколид синтезінде қолданылды, бұл төмендегі суретте көрсетілген.
Карбонилгилоидтар
1,3-диполярлы циклоаддиция реакциялары күрделі циклді құрылымдар мен дәрілік, биологиялық және механизмдік зерттеулер үшін молекулаларды синтездеуде өте тиімді құралдар болып қалыптасты. Олардың ішінде карбонил илидтеріне қатысты [3+2] циклоаддиция реакциялары оттегі бар бес мүшелі циклді молекулаларды жасау үшін кеңінен қолданылып келеді.
Карбонил иллидтерді 1,3-диполярлы циклоаддиция реакциялары үшін дайындау
Илидтер – оң зарядталған гетероатомдар, теріс зарядталған көміртек атомдарына байланысқан, олардың ішінде сульфоний, тиокарбонил, оксоний, азот және карбонил илидтері бар. Карбонил илидтерін жасаудың бірнеше әдісі бар, олар оттегі бар бес мүшелі циклді құрылымдарды жасау үшін, [3+2] циклоаддиция реакцияларында қажетті аралық заттар болып табылады.
Диазометан туындыларынан карбонил илидтерді фотокатализ арқылы синтездеу
Карбонил йилди синтезінің ең алғашқы мысалдарының бірі фотокатализ болып табылады. (Трифторметил)циклопентадиен* (DTTC) диазотетракисінің тетраметилмочевина қатысуымен фотолизі молекулааралық нуклеофильдік шабуыл және DTTC фрагментінің одан кейінгі ароматизациясы арқылы карбонил йилдиді тудыруы мүмкін. Дидеутериодиазометанды формальдегидпен фотолиздеу дидеутериоформальдегид карбонил йилдиін жасады.
Протонды көшіру арқылы гидроксипирондардан карбонил иллидтерді синтездеу
Карбонил илидтер металл катализаторы қолданылмаған жағдайда гидрокси-3 пирондардың қышқыл катализі арқылы синтезделуі мүмкін. Алғашқы таутомеризация жүреді, содан кейін пирон сақинасын ароматизациялау және карбонил илидті түзу үшін кететін топты жою орын алады. Диполарофилмен циклоаддиция реакциясы соңында оксацикл құрайды. Бұл тәсіл шектеулі қолданылуы және пирон қаңқасына деген қажеттілігіне байланысты кеңінен қолданылмайды. 5 гидрокси-4 пирондарды да карбонил илидтерді ішкі молекулалық сутек көшіру арқылы синтездеу үшін пайдалануға болады. Сутек көшірілгеннен кейін карбонил илид диполарофилдермен реакцияласып, оттегі бар сақиналарды түзеді.
Дихалокарбендерден α-галокарбонилгилидтерді синтездеу
Дигалокарбендер дигалокарбендердің электрондарды тартып алу қасиетін пайдаланып, карбонил илидтерді жасау үшін де қолданылады. Фенил(трихлорметил) сынап және фенил(трибромметил) сынап сәйкесінше дихлоркарбендер мен дибромокарбендердің көздері болып табылады. Карбонил илид дигалокарбендердің кетондармен немесе альдегидтермен реакцияласуы нәтижесінде пайда болуы мүмкін. Дегенмен, α-галокарбонил илидтерді синтездеу кезінде көміртек монооксидінің жоғалуына және дезоксигенация өнімінің түзілуіне де мүмкіндік бар.
Диазометан туындыларынан карбонил илидтерді металл катализі арқылы синтездеу
Карбонил илидтерді жасаудың әмбебап тәсілі α-диазокарбонил қосылыстарының металл катализі болып табылады, әдетте дикопер немесе диродий катализаторларының қатысуымен. Азот газы шығарылып, металлокарбенге айналғаннан кейін карбонил тобымен молекулааралық реакция карбонил илидін тудырады. Алкен немесе алкин диполарофилімен келесі циклоаддиция реакциясы оттегі бар бес мүшелі циклдерді құрайды. Оксициклдерді синтездеуге қатысты орташа шығымдылық беретін танымал катализаторларға Rh2(OAc)4 және Cu(acac)2 жатады.
Диазокарбонил қосылыстарының металл катализі арқылы араласқан 1,3-диполярлы циклоаддиция реакциясының механизмі
1,3 диполярлы циклоаддиция реакцияларының универсалдығы және металл катализі арқылы диазокарбонил молекулаларының көмегімен оттегі бар бес мүшелі циклдарды синтездеуде кеңінен қолданылуы, оның механизміне қызығушылықты арттырды. Бірнеше топ аймақтық және стереоселективті синтетикалық молекулалардың қолданылу аясын кеңейту мақсатында механизмді зерттеді. Дегенмен, осы реакциялардың жоғары жылдамдығының салдарынан, аралық заттар мен механизм әлі де анықталмай отыр. Тұрақты рутений карбоноидты кешендер мен родий металлокарбендерін зерттеу арқылы дамыған, қалыптасқан механизм, диазоқосылысынан металл карбоноидты кешеннің алғашқы қалыптасуын қамтиды. Азот газының шығарылуы металлокарбенді тудырады. Карбонил тотығының ішкі нуклеофилдік шабуылы металл катализаторын жаңартып, карбонил илидін құрайды. Карбонил илиді алкен немесе алкинмен, мысалы, диметил ацетилендикарбоксилатымен (DMAD) реакцияласып, оксациклді жасайды. Алайда, металлокарбен аралық қосылысы карбонил илидін қалыптастыра ма, әлі белгісіз. Кейбір жағдайларда металлокарбендер диполофильдермен тікелей әрекеттесе алады. Мұндай жағдайларда дирходий(II)тетракарбоксилат карбен сияқты металлокарбен гиперконъюгациялық металл эноляттық өзара әрекеттесу арқылы тұрақтандырылады. Келесі 1,3 диполярлы циклоаддиция реакциясы өтпелі металл кешенді карбонил илиді арқылы жүзеге асырылады. Сондықтан, тұрақты металлокарбен металл лигандтарының стереохимиясы мен мөлшеріне байланысты 1,3 диполярлы циклоаддиция реакциясының стереоселективтілігі мен аймақтық селективтілігіне әсер ете алады. Карбонил илиді диполь және алкинил немесе алкенил диполофильдер арасындағы 1,3 диполярлы циклоаддиция реакциясының механизмі аймақтық және стереоселективтілік тұрғысынан жан-жақты зерттелді. Симметриялық диполофильдер циклоаддиция үшін бір ғана бағытқа ие болғандықтан, тек бір региоизомер, бірақ бірнеше стереоизомерлер алынуы мүмкін.
Диазокарбонил қосылыстарының металл катализі арқылы жүргізілетін 1,3-диполярлы циклоаддиция реакциясының аймақтық іріктеуі
Карбонил йилдиполярлар мен алкинил немесе алкенил диполярлылардың арасындағы 1,3 диполярлы циклоаддиция реакцияларының аймақтық таңдаулылығы, анықталған аймақтық құрылымы бар молекулаларды жасау үшін маңызды. FMO теориясы және диполь мен диполярлы арасындағы HOMO-LUMO энергиясының айырмасын талдау, эксперименттік нәтижелердің аймақтық таңдаулылығын түсіндіруге және болжауға мүмкіндік береді. HOMO және LUMO дипольге немесе диполярлыға тиесілі болуы мүмкін, сондықтан HOMOдиполь-LUMOдиполярлы немесе HOMOдиполярлы-LUMOдиполь өзара әрекеттесулер пайда болуы мүмкін. Ең үлкен коэффициенттері бар орбитальдардың жапсысуы нәтижелерді түсіндіруге және болжауға көмектеседі. Падва және оның әріптестері карбонил йилдиполярлар арқылы катализденетін 1,3 диполярлы циклоаддиция реакциясының классикалық аймақтық таңдаулылығын зерттеді. Бензолдағы Rh2(OAc)4 катализаторын қолдана отырып, диазодион метил пропиолат және метил пропаргил эфирімен 1,3 диполярлы циклоаддиция реакциясына түсті. Метил пропиолатпен реакция екі аймақтық изомерді береді, олардың бастысы HOMOдиполь-LUMOдиполярлы өзара әрекеттесуден пайда болады, ол карбонил йилдиполінің карбонил тобына жақын көміртекте және метил пропиолатының терминалды алкиндік көміртекте ең үлкен коэффициенттерге ие. Метил пропаргил эфирімен реакция бір аймақтық изомерді береді, ол HOMOдиполярлы-LUMOдиполь өзара әрекеттесуден пайда болады, ол карбонил йилдиполінің карбонил тобынан алыс көміртекте және метил пропаргил эфирінің терминалды алкиндік көміртекте ең үлкен коэффициенттерге ие. Диазокарбонил қосылыстарының металл катализі арқылы жүзеге асырылатын 1,3 диполярлы циклоаддиция реакцияларының аймақтық таңдаулылығына тұрақты металлокарбендердің түзілуі арқылы металлтың да әсер етуі мүмкін. Металлкарбенді металл энолят тәрізді өзара әрекеттесу арқылы тұрақтандыру карбонил йилдиполярлардың түзілуін болдырмайды, нәтижесінде металлкарбен диполі мен алкинил немесе алкенил диполярлысы арасында тікелей реакция жүреді (πC Rh→πC=O гиперконъюгация арқылы тұрақтандырылған диродий(II)тетракарбоксилат металлокарбенінің суретін қараңыз). Бұл жағдайда металл лигандтары 1,3 диполярлы циклоаддиция реакциясының аймақтық және стереотаңдаулылығына әсер етеді.
Диазокарбонил қосылыстарының металл катализі арқылы араласқан 1,3-диполярлы циклоаддиция реакциясының стереоселективтілігі және асимметриялық индукциясы
Карбонилйилдиполилер және алкенилдиполорофильдер арасындағы 1,3 диполярлы циклоаддиция реакцияларының стереоселективтілігі де жан-жақты зерттелді. Алкинилдиполарофильдер үшін стереоселективтілік мәселе емес, себебі салыстырмалы түрде жазық sp2 көміртектері түзіледі, ал аймақтық селективтілікті ескеру қажет (Карбонилйлид диполдары мен алкенил немесе алкинилдиполарофильдер арасындағы 1,3 диполярлы циклоаддиция реакциясының өнімдерін қараңыз). Дегенмен, алкенилдиполорофильдер үшін аймақтық және стереоселективтілікті екеуін де ескеру керек, өйткені өнімде sp3 көміртектері пайда болады. 1,3 карбонилйилдиполилер мен алкенилдиполарофильдер арасындағы диполярлы циклоаддиция реакциялары диастереомерлік өнімдерді тудырады. Rh2(OAc)4 металл катализаторы ғана бар реакциялар экзо өнімді ұсынады, ал қосымша Льюис қышқылы Yb(OTf)3 бар реакциялар эндо өнімді ұсынады. Льюис қышқылы циклоаддициясы реакцияларында байқалатын эндоселективтілік, Yb(OTf)3 (LUMO) арқылы координацияланған диполорофиль мен дипольдің (HOMO) карбонил π жүйелерінің оңтайлы орбиталық үйлесімділігіне байланысты. Көптеген зерттеулерден кейін, карбонилйилди циклоаддицияларының стереоселективтілігіне әсер етудің екі негізгі тәсілі әзірленді, олар металл катализаторлары мен Льюис қышқылдарының хиралдығын пайдаланады. Бұл циклоаддиция кезінде карбонилйилдимен байланыста қалатын хиральді металл катализаторының нәтижесінде беттік селективтілік пайда болады. Алайда, нақты механизмдер әлі толыққанды түсініксіз. Екінші тәсілде, ахиральды металл катализаторы арқылы карбонилйилдидің түзілуінен кейін беттік стереоселективтілікті тудыратын хиральды Льюис қышқылы катализаторы қолданылады. Хиральды Льюис қышқылы катализаторы диполорофильге координацияланады деп есептеледі, бұл диполорофильдің LUMO-сын төмендетіп, сонымен қатар энантиоселективтілікке әкеледі.
Азометин илидтері
1,3 Азометин илиді мен алкен арасындағы диполярлы циклоаддиция пирролидин сияқты азациклді құрылымды түзеді. Бұл стратегия спиротрипростатин А синтезіне қолданылды.
Озон
Озонолиз – өте маңызды органикалық реакция. Алкендер мен алкиндер озонмен реакцияластыру арқылы альдегидтер, кетондар немесе карбон қышқылына дейін ыдыратылуы мүмкін.
Биологиялық қолдану
Органикалық азидтер мен терминалдық алкиндер арасындағы 1,3-диполярлы циклоаддиция (яғни, Хьюсген циклоаддициясы) биоконъюгацияда кеңінен қолданылады.
Мыс катализі
Хуйген реакциясы көбінесе қалыпты жағдайларда оңай жүрмейді. Meldal және авторлар тобы, сондай-ақ Sharpless және авторлар тобы тәуелсіз түрде Хьюсген реакциясының мыс(I) катализделген нұсқасын, CuAAC (мыс катализделген азид-алкин циклоқосылуы үшін) жасады, ол қалыпты жағдайларда, соның ішінде физиологиялық жағдайларда (бейтарап pH, бөлме температурасы және сулы ерітінді) өте оңай жүреді. Бұл реакция биоортогоналды: азидтер мен алкиндер әдетте биологиялық жүйелерде кездеспейді, сондықтан бұл функционалдық топтар тіпті жасушалық ортада да химически таңдамалы түрде реакцияға түсуі мүмкін. Олар сонымен қатар табиғатта кездесетін басқа функционалдық топтармен де реакцияға түспейді, сондықтан биологиялық жүйелерге зиян келтірмейді. Реакцияның өте кең мүмкіндіктеріне байланысты, ол "Клик" химиясы деп аталады. Мыс(I) улы болғанымен, цитотоксикалық әсерін азайту және CuAAC реакциясының жылдамдығын арттыру үшін көптеген қорғаушы лигандтар жасалды, бұл оны in vivo зерттеулерде қолдануға мүмкіндік береді. Мысалы, Бертоцци және авторлар тобы клетка мембранасының гликанына азид функционалдық топтары қосылған сахаридтердің метаболикалық енгізілуі және одан кейін флуорофорлы алкин конъюгатымен таңбалау туралы хабарлады. Нәтижесінде жасуша мембранасы флуоресценттік түрде белгіленеді, сондықтан оны флуоресценттік микроскоппен бейнелеуге болады.
Қиындықпен қосқан циклоқосылым
Мыс(I) токсикалық әсерін болдырмау үшін, Bertozzi және әріптестері органикалық азид пен шұғылалы циклооктин арасындағы штаммдық азид-алкин циклоаддициясын (SPAAC) жасады. Циклооктиннің бұрыштық деформациясы активациялық кернеуді төмендетіп, өзара әрекеттесуді күшейту арқылы реакцияны жылдамдатуға көмектеседі, соның арқасында оны катализатор қажет болмайтын физиологиялық жағдайларда қолдануға болады. Мысалы, Ting және әріптестері лигаза ферментін пайдаланып, жасуша бетіндегі белгілі бір белоктарға азидо тобын енгізді. Азид тобымен белгіленген белок, флуоресцентті белгіленген белок алу үшін циклооктин флуорофор конъюгатымен таңбаланады.