Lewis acid catalysis of Diels-Alder reactions

[bluemonster]

Lewis acid catalysis of Diels-Alder reactions:

Phản ứng Diels-Alder tuân theo một cách chặt chẻ Frontier orbital theory, có nghĩa nhấn mạnh vào độ chênh lệch của các orbital tương tác kèm theo một chút quan tâm về coefficient của nguyên tử để có sự tác kích thuận lợi nhất, đưa đến regioselectivity, periselectivity, or site-selectivity. Việc tuân theo Frontier orbital theory, cũng tức phản ứng Diels-Alder ít bị ảnh hưởng bởi yếu tố phân cực, chẳng hạn như thay đổi độ phân cực dung môi. Xúc tác Lewis acid có tác động mạnh đến hệ phản ứng, cả về tốc độ, lẫn độ chọn lọc lập thể (stereoselectivity) và tăng regioselectivity hơn là hệ không có xúc tác.

Một ví dụ cụ thể về sự tăng vận tốc được nghiên cứu là tác dụng xúc tác của ion Cu(2+) đối với phản ứng Diels-Alder của 5-substituted cyclopentadiene.




Một ví dụ khác nghiên cứu về khả năng regioselectivity khi có mặt xúc tác Lewis acid, đó là phản ứng của piperylene và methyl acrylate, đưa ra sản phẩm chính là ortho-.




Hoặc một ví dụ khác về sự tổng hợp natural product, từ isoprene và 3-methylbut-3-ene-2-one, đưa ra hỗn hợp sản phẩm đồng phân vị trí. Nếu không có sự hiện diện của chất xúc tác thì rất khó khăn trong việc tách sản phẩm “meta” ra khỏi hỗn hợp.




Người ta chỉ có thể tổng hợp sản phẩm para với độ tinh khiết cao khi có mặt stannic chloride. Ví dụ cuối cùng mô tả tác dụng tăng tính chọn lọc lập thể (stereoselectivity), cụ thể là tăng regioselectivity. Phản ứng của cyclopentadiene với methyl acrylate:




Tất cả các đặc trưng của xúc tác Lewis acid đều dựa trên ảnh hưởng của nó tới LUMO của dienophile. Chẳng hạn như acrolein – một dienophile đơn giản và thông dụng nhất, dưới tác dụng của Lewis acid AlCl3 hình thành muối:




Sự tạo muối này làm tăng họat tính và độ chọn lọc phản ứng của dienophile. Để đơn giản hóa mô hình xúc tác, ta thay Lewis acid tòan bộ bằng sự proton hóa. Trước hết ta trở lại bài tóan tổ hợp orbital lý thuyết đơn giản như sau:

Acrolein hay còn gọi là Z-substituted alkene, khảo sát hình dạng và năng lượng orbital họat tính (chính là frontier orbital) theo quan điểm của Prof. Ian Fleming, đó là sự tổ hợp của allyl cation với butadiene, trong đó phần đóng góp của butadiene lớn hơn.







Các kết luận chung ngắn gọn rút ra từ sự tổ hợp này, về năng lượng, HOMO và LUMO của acrolein có năng lượng thấp hơn HOMO và LUMO của butadiene (ảnh hưởng của allyl cation), và độ chênh lệch năng lượng giữa HOMO và LUMO nhỏ hơn ethylene (ảnh hưởng của butadiene). Còn về hình dạng, HOMO của acrolein có sự phân cực giống với butadiene, và LUMO là sự “trung hòa” coefficient của hai dạng đóng góp.

Dưới tác dụng của xúc tác Lewis acid, cũng đồng nghĩa với việc proton hóa acrolein, sẽ làm tăng bản chất đóng góp của allyl cation. Kết quả là: i) cả HOMO và LUMO đều có năng luợng thấp hơn, ii) HOMO sẽ có sự phân cực ngược lại so với acrolein ở C=C double bond (có nghĩa là sự đóng góp của allyl cation đã vượt qua butadiene), iii) LUMO sẽ có độ phân cực lớn hơn ở acrolein, điều này đồng nghĩa với việc mức chênh lệch coefficient giữa hai nguyên tử C=C double bond lớn hơn.




Chính sự hạ thấp năng lượng của LUMO làm cho sự chênh lệch năng lượng của LUMO (dienophile) – HOMO (diene) nhỏ hơn, và vận tốc phản ứng xảy ra nhanh hơn. Sự tăng độ phân cực ở LUMO của C=C double bond làm tăng regioselectivity.




Và có những phản ứng, sự thay đổi coefficient ở nhóm carbonyl cũng làm tăng tương tác thứ cấp hơn trường hợp không dùng xúc tác, giải thích cho sự chọn lọc endo.




Đó là một vài hiểu biết cơ bản về ảnh hưởng của xúc tác Lewis acid lên phản ứng Diels-Alder nói riêng và họ phản ứng cycloaddition nói chung. Không biết còn ảnh hưởng nào khác, có gì anh em đóng góp thêm nhé.

Tài liệu tham khảo:
Frontier orbitals and organic chemical reactions - Ian Fleming.
Lectures & Handout - D.Evans, Harvard University

Chúc anh em một năm mới thành công và hạnh phúc !