Diels-Alderjeva reakcija - MAGISTRSKO DELO

1. Uvod

1.1 Diels-Alderjeva reakcija

1 Uvod

1.1 Diels–Alderjeva reakcija

Diels–Alderjeva reakcija je cikloadicijska reakcija, pri kateri konjugiran 4n 𝜋

elektronski sistem (če je n = 1, je to dien) in 2n 𝜋 elektronski sistem (dienofil) tvorita dve novi σ C–C vezi in eno novo 𝜋 vez v eni sami kinetični stopnji. Produkt reakcije je tako šest členski obroč, ki lahko vsebuje do štiri stereogene centre (shema 1.1) [1].

Shema 1.1: Najpreprostejša Diels–Alderjeva reakcija.

Reakcija večinoma poteče skladno s pericikličnim mehanizmom, kar pomeni, da je potek koncertiran (obe novi C–C vezi se tvorita istočasno), ne pa nujno sinhron.

Cikloadicije po pericikličnem mehanizmu potekajo preko enega samega prehodnega stanja, brez nastanka intermediatov. Možen pa je tudi potek reakcije, ki ni pericikličen, ko v dvostopenjski pretvorbi najprej nastanejo biradikalski, zwitterionski ali tudi

dipolarni intermediati, ki nato ciklizirajo v končni produkt [2] [3]. V takih primerih se σ C–C vezi tvorita v dveh ločenih stopnjah, take ionske ali radikalske Diels–Alderjeve reakcije seveda niso periciklične [1].

Diels–Alderjeva reakcija lahko poteka intermolekularno ali intramolekularno. Če je v strukturi diena in/ali dienofila v 𝜋 elektronskih sistemih prisoten eden ali več

heteroatomov, reakcijo imenujemo hetero Diels–Alderjeva reakcija [1].

Diels–Alderjeva reakcija je znana tudi po svoji izjemni stereoselektivnosti in regioselektivnosti. Da reakcija poteče, mora imeti konjugiran dien cisoidno

konformacijo (produkt pa nastane skladno s t.i. cis pravilom). Transoidna konformacija diena je sterično gledano za napad dienofila zelo neugodna, poleg tega pa bi vodila k nastanku zelo nestabilnega (ali celo nemogočega) šestčlenskega produkta s trans dvojno vezjo, zato taka reakcija praviloma ne poteče [1][4–9].

Diels–Alderjeve reakcije so suprafacialne reakcije, saj pericikličen potek reakcije

ohranja relativno stereokemijo diena in dienofila v novonastalem cikloaduktu. Ob takem poteku reakcije se pa dien in dienofil lahko približata na dva različna načina. Če se večja dela molekul diena in dienofila ob napadu prekrivata, temu pravimo endo napad.

Če pa je večji del ene molekule pod manjšim delom druge, pa temu pravimo ekso napad (shema 1.2) [1][4–9].

Shema 1.2: Endo napad (levo) in ekso napad (desno).

Ekso napad je manj sterično oviran od endo napada, vendar je endo napad energijsko bolj ugoden zaradi sekundarnih orbitalnih interakcij, ki stabilizirajo prehodno stanje in zato tovrstna cikloadicija lažje poteče. Endo produkt je tako praviloma termodinamski produkt, ekso produkt pa kinetični produkt. Preferenco do endo napada in prednostni nastanek endo produkta imenujemo Alderjevo pravilo [1].

Hitrost cikloadicijske reakcije je odvisna od porazdelitve elektronske gostote na dienu in dienofilu. Če dien vsebuje elektronske donorske skupine (in je torej elektronsko bogat) ter če dienofil vsebuje elektronsko akceptorske skupine (in je torej elektronsko reven), je to Diels–Alderjeva reakcija z normalnimi elektronskimi zahtevami (NED). V obratnem primeru pa reakcija poteka z inverznimi elektronskimi zahtevami (IED).

Nevtralne Diels–Alderjeve reakcije potekajo z elektronsko neperturbiranimi dieni in dienofili, ki ne vsebujejo niti (močnih) elektonsko donorskih niti akceptorskih skupin.

Takšne reakcije pa so praviloma veliko počasnejše od NED in IED reakcij [1–6].

Diels–Alderjeve reakcije so reverzibilne. Običajna smer reakcije je določena s pretvorbo dveh 𝜋 vezi v σ vezi, ki v večini primerov vodi do bolj stabilnega

cikloadukta. V primeru, da sta dien in dienofil stabilnejši molekuli (lahko izstopajoče molekule, aromatski obroči, takojšna poraba v nadaljnji reakciji), pa pride do retro Diels–Alderjeve reakcije [1]. Poleg tega je entropijsko gledano retro reakcija praviloma bolj ugodna [4–9].

1.2 Sinteza biciklo[2.2.2]oktenov

Pri Diels–Alderjevi cikloadiciji maleinanhidrida (2) kot dienofila na 2H-piran-2-onski skelet 1 iz drugega cikloheksadienskega intermediata 4 nastanejo biciklo[2.2.2]oktenski sistemi 5 kot eni izmed možnih končnih produktov. Reakcija poteka skladno z

normalnimi elektronskimi zahtevami in poteka v treh stopnjah (shema 1.3).

Shema 1.3: Sinteza biciklo[2.2.2]oketenov.

V prvi stopnji poteče cikloadicija maleinanhidrida (2) na obroč 2H-piran-2-ona 1, kar vodi do nastanka 7-oksabiciklo[2.2.2]oktenskega intermediata 3, iz katerega se z retro Diels–Alderjevo eliminacijo odcepi molekula CO2. Tako nastane cikloheksadienski intermediat 4. Cikloadicija druge molekule maleinanhidrida 2 na obroč intermediata 4 daje končni produkt v obliki biciklo[2.2.2]oktenskega sistema 5 [10–19].

Slika 1.1: Možni stereoizomeri biciklo[2.2.2]oktenskega sistema.

Biciklo[2.2.2]oktenski produkt 5 lahko teoretično nastane v obliki štirih stereoizomerov (slika 1.1); možna sta dva simetrična (ekso,ekso 6 in endo,endo 7) ter dva asimetrična

produkta (ekso,endo 8 in endo,ekso 9), ki predstavljata enantiomerni par. Ob običajnih reakcijskih pogojih in ob uporabi preprostih dienofilov nastanejo pretežno ali izključno ekso,ekso produkti 6. Enantiomerni pari asimetričnih endo,ekso produktov nastanejo, če so na dienu ali dienofilu prisotne zelo velike sterične ovire [12][13].

Reakcija poteka pri normalnih tlakih šele ob daljšem segrevanju pri dovolj visokih temperaturah, kar zahteva uporabo topil z visokimi vrelišči. Za najbolj primerna sta se izkazali topili dekalin in tetralin. Poleg klasične izvedbe pa je možna tudi izvedba z obsevanjem z mikrovalovi, pri kateri reakcijo izvajamo v mikrovalovnem reaktorju v zaprti posodi. Ta metoda omogoča uporabo bolj običajnih topil z nižjimi vrelišči

(toluen, voda), lahko pa se v nekaterih primerih uporabi topila povsem izognemo, kar poenostavi izolacijo produkta in izboljša izkoristek reakcije [12].

Omeniti velja še eno možno stransko reakcijo, ki vodi do nastanka drugačnega produkta; drugi intermediat 4 se lahko namreč pod ustreznimi reakcijskimi pogoji aromatizira (dehidrogenira) do benzoizofuranskega derivata. Ta pot je v primeru cikloadicije maleinanhidrida zelo redka, pri uporabi nekaterih drugih dienofilov pa je bistveno bolj pogosta in je lahko celo glavna. Reakcijsko sekvenco je mogoče usmeriti do preferenčnega nastanka aromatskih produktov tudi z uporabo primernih dodatkov, npr. aktivnega oglja in drugih dehidrogenacijskih sredstev.

V določenih primerih (sobna temperatura, visok tlak, diklorometan kot topilo) reakcija poteče le do nastanka 7-oksabiciklo[2.2.2]oktenskega sistema 3. Nizka temperatura reakcije in visok tlak (do 18 kbar) pospešita cikloadicijo dienofila in otežita izstop CO2. Visok tlak pripomore tudi k stereoselektivnosti reakcije ali celo omogoči njeno popolno stereoselektivnost.

Shema 1.4: Diels-Alderjeva cikloadicija vinil etra na 2H-piran-2-on, ki vodi do nastanka dveh ekso (11, 12) in dveh endo (13,14) produktov.Vsak produkt predstavlja par enantiomerov.

V reakciji Diels–Alderjeve cikloadicije substituiranega vinil etra 10 kot dienofila na substituiran 2H-piran-2-on 1 (shema 1.4) bi lahko nastali štirje različni regio- oz.

stereoizomerni 7-oksabiciklo[2.2.2]oktenski sistemi in sicer dva ekso (11, 12) in dva endo (13, 14) sistema. Vsak produkt pa nastopi tudi kot par enantiomerov, zato imamo skupno 8 različnih produktov. Vendar se v praksi izkaže, da cikloadicija poteka s popolno regioselektivnostjo, saj nastane zgolj produkt 13. Diastereoselektivnost (endo vs. ekso produkt) pa je v nekaterih primerih popolna, v nekaterih pa nastanejo zmesi (približno 1 : 1) obeh diastereoizomerov. Produkte je moč tudi izolirati v trdni obliki ter v nekaterih primerih celo pripraviti monokristale, primerne za rentgensko difrakcijsko analizo [14][16].

1.3 Molekulsko modeliranje

Molekulsko modeliranje je področje kemije, ki obravnava molekule in reakcije s pomočjo skupkov računskih metod, ki jih imenujemo modeli. Model je tako močno poenostavljen računski sistem, s katerim lahko do določene mere napovemo obnašanje naravnih procesov.

Najpreprostejše molekulsko modeliranje lahko izvajamo kar ročno, s svinčnikom in kalkulatorjem, vendar se moderno molekulsko modeliranje skoraj popolnoma izvaja s pomočjo računalnikov. Osnova molekulskega modeliranja je tako izvajanje kvantno mehanskih izračunov, ki temeljijo na reševanju Schrödingerjeve valovne enačbe. Ĥ je Hamiltonov operator, ki predstavlja zapis vsote kinetične in potencialne energije sistema. Ψ(𝑟⃗,t) je valovna funkcija, ki je definirana tako, da je |Ψ|² sorazmeren verjetnosti nahajanja delca v danem kvantnem stanju v danem delu prostora; i je imaginarno število, ħ pa Planckova konstanta (enačba 1.1).

𝐻̂_Ψ(𝑟⃗, 𝑡) = 𝑖ħ𝜕Ψ(𝑟⃗, 𝑡)

𝜕𝑡

Enačba 1.1: Nerelativistična Schrödingerjeva enačba.

Ker je Schrödingerjeva enačba točno rešljiva le za preproste sisteme, v katerih nastopajo le posamezni delci (preprosti enoelektronski sistemi, vodikov atom), jo moramo za obravnavo kompleksnejših sistemov nekoliko preoblikovati. Prva poenostavitev je t.i.

Born–Oppenheimerjev približek. Ker je večina mase atoma skoncentrirana v jedru atoma (masa protona je 1836-krat večja od mase elektrona) in ker se elektroni gibljejo izjemno hitro, lahko gibanje jeder povsem zanemarimo. Povedano drugače, jedra in elektroni niso sklopljeni. Valovno funkcijo celotnega atoma lahko zapišemo kot produkt posameznih valovnih funkcij, energijo atoma pa kot vsoto posameznih energij

(enačba 1.2)

𝛹(𝑗𝑒𝑑𝑟𝑎, 𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑜𝑛𝑖) = 𝛹(𝑗𝑒𝑑𝑟𝑎) ∗ 𝛹(𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑜𝑛𝑖) 𝐸(𝑗𝑒𝑑𝑟𝑎, 𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑜𝑛𝑖) = 𝐸(𝑗𝑒𝑑𝑟𝑎) + 𝐸(𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑜𝑛𝑖)

Enačba 1.2: Born–Oppenheimerjev približek.

Naslednja lastnost valovne funkcije je Paulijev izključitveni princip, ki nam pove, da mora verjetnostna gostota valovne funkcije |Ψ|² ostati enaka, če v sistemu dva delca zamenjamo. Valovno funkcijo dveh neodvisnih delcev zapišemo kot produkt njunih valovnih funkcij (enačba 1.3).

𝛹(𝑟⃗1, 𝑟⃗2) = 𝛹₁(𝑟⃗1) ∗ 𝛹₂(𝑟⃗2)

Enačba 1.3: Valovna funkcija dveh neodvisnih delcev.

Valovna funkcija Ψ pa ima ob tem dva možna rezultata. V primeru delcev s

celoštevilčnim spinom (bozoni) se ob zamenjavi dveh delcev predznak ne spremeni, valovna funkcija je simetrična. V primeru delcev s polovičnim spinom (fermioni) pa se ji spremeni predznak. V tem primeru je valovna funkcija antisimetrična (Enačba 1.4).

𝛹(𝑟⃗1, 𝑟⃗2) = 1

√2 (𝛹₁(𝑟⃗1) ∗ 𝛹₂(𝑟⃗2) − 𝛹₁(𝑟⃗2) ∗ 𝛹₂(𝑟⃗1)) Enačba 1.4: Antisimetrična valovna funkcija za sistem dveh delcev.

Valovna funkcija za sistem s številom delcev N (če N > 1) ni rešljiva, zato moramo uporabiti približno metodo Slaterjeve determinante, v kateri je N elektronov in je vsak elektron (i) opisan z elektronsko spinsko orbitalo χ(i). Orbitala je odvisna od prostorskih (𝑟⃗(i)) in spinskih koordinat elektrona i. Če obravnavamo namesto atoma molekulo, nastopijo v Slaterjevi determinanti molekulske orbitale (Enačba 1.5).

𝛹(𝑟⃗1, … , 𝑟⃗𝑁) = 1

Enačba 1.5: Schrödingerjeva enačba sistema N delcev, zapisana s Slaterjevo determinanto.

Schrödingerjevo enačbo tako lahko rešimo z različnimi približnimi metodami reševanja integralov. Ena od teh je variacijska metoda, ki nam pove, da je energija, izračunana iz približka valovne funkcije, vedno večja od prave energije. Iz tega lahko sklepamo, da lahko z iskanjem minimuma energije (𝜕𝐸 = 0) poiščemo izraz za valovno funkcijo, ob čimer morajo biti orbitale ortogonalne in normirane. Dobimo Hartree–Fockov set enačb, ki jih nadalje rešujemo z metodo samouglašenega polja, ki nam izračunane spinske orbitale poda v obliki tabel, njihova vrednost pa je odvisna od prostorskih koordinat (Enačba 1.6).

𝐹̂_𝑖χ_𝑖(1) = 𝜀_𝑖𝜒_𝑖(1)

Enačba 1.6: Kanonični Hartree–Fockov set enačb, kjer so 𝜒𝑖(1) enoelektronske valovne funkcije.

Takšen način reševanja enačb pa je zamuden in nepraktičen. Bolj pogosta metoda je obravnavanje prostorskih spinskih orbital kot linearnih kombinacij baznih funkcij 𝜙_𝑣. Na ta način dobimo Roothaan–Hallove enačbe (Enačba 1.7), ki opisujejo dvojno zasedene polne orbitale (drugo ime je restriktivna Hartree–Fockova metoda).

∑ 𝑐_𝑣,𝑖∫ 𝑑𝑟₁ 𝜙_𝑛(1)

Enačba 1.7: Roothan–Hallove enačbe zapisane v integralni (zgoraj) in v matrični (spodaj) obliki.

Hartree–Fockova (HF) metoda nam da najboljšo valovno funkcijo in ustrezno energijo, ki je vedno nekoliko višja od dejanske. Razlog za to je dejstvo, da HF metoda deloma zanemari korelacije med elektroni (elektrostatski odboj je zanemarjen).

Z uporabo molekulskega modeliranja v kombinaciji s konformacijsko analizo lahko poiščemo različne konformacije molekule ter njihove energije v odvisnosti od

razporeditve atomov v molekuli, s sledečo energijsko minimizacijo pa tako poiščemo najbolj stabilno konformacijo molekule.

Z opisanimi metodami lahko tudi poiščemo prehodno stanje reakcije. Energija sistema se v smeri energijske koordinate premakne iz prvega minimuma (reaktanti) v drug minimum (produkti) preko prevojne točke, ki ustreza prehodnemu stanju. Prvi odvod je v prevojni točki enak 0, drugi odvod pa je negativen. Prehodnemu stanju pripada tudi t.i. imaginarna frekvenca, ki predstavlja nihanje prehodnega stanja v smeri reakcijske koordinate [20][21].

8 1.3.1 Semiempirična metoda PM6

Semiempirične metode temeljijo na poenostavitvi Hartree–Fockove metode. Povsem računske metode (t.i. ab initio metode) so zelo zamudne, glavnina časa pa je izgubljena na izračunu kompleksnih večelektronskih integralov, ki nastopajo v Roothan–Hallovih enačbah znotraj Fockove matrike. Semiempirične metode pa pri svojih izračunih namesto računanja integralov uporabljajo znane empirične lastnosti in parametre obravnavanih atomov in molekul, kar močno skrajša čas računanja in tudi izboljša točnost rezultatov. Korelacije med elektroni, ki jih ni moč povsem izračunati s poenostavljenimi računskimi metodami, so tako zajete v empiričnih podatkih in pripomorejo k boljši točnosti rezultatov [20–22].

Metoda PM6 temelji na NDDO (Neglect of Diatomic Differential Overlap) metodi, ki zanemari prekrivanje diferencialov na različnih atomih in obdrži le integrale, kjer so vsi elektroni na istih atomih. Metoda PM6 vsebuje tudi izboljšan model interakcij med atomskimi jedri, kar je omogočilo njeno parametrizacijo za več kot 70 elementov.

Parametrizacije posredno že vsebujejo korelacije med elektroni, ki jih je težko natančno izračunati, zato takšne metode pogosto dajo boljše rezultate od povsem računskih metod [20–24].

2 Namen dela

Namen magistrskega dela je priprava različno substituiranih biciklo[2.2.2]oktenov in raziskovanje vpliva različnih funkcionalnih skupin na njihove fizikalne lastnosti. Izhajal sem iz že pripravljenih 3-benzoilamino-2H-piran-2-onov, ki so bili sintetizirani po že znani »one pot« sintezi, ki sem jo obravnaval v svojem diplomskem delu. Reakcija dvojne Diels–Alderjeve cikloadicije poteka skladno s shemo 2.1.

Shema 2.1: Diels–Alderjeva cikloadicija maleinanhidrida na različno substituirane 3-benzoilamino-2H-piran-2-one.

Nameraval sem uporabiti 3-benzoilamino-2H-piran-2-one z različnimi kombinacijami elektron akceptorskih in elektron donorskih skupin na vseh treh mestih v obroču.

Po končani sintezi sem se nameraval osredotočiti na čim boljšo izolacijo produktov iz reakcijskih zmesi. Za vsak produkt sem nameraval poiskati idealno mešanico topil, pri katerih bi čim bolj čist produkt izkristaliziral iz reakcijske zmesi s čim boljšim

izkoristkom. Produktom sem nameraval potrditi strukturo in oceniti njihovo čistost s spektroskopskimi metodami ter določiti izkoristek reakcije.

Maleinanhidrid se lahko v prvi stopnji cikloadicijske reakcije na obroč veže z endo strani (skladno z Alderjevim pravilom bi tako nastal termodinamsko kontroliran produkt) ali ekso strani, čemur v drugi stopnji sledi odcep molekule CO2. Obe možni stereostrukturi prikazuje slika 2.1.

Slika 2.1: Ekso produkt (levo) in endo produkt (desno) prve stopnje reakcije.

S pomočjo molekulskega modeliranja sem želel ugotoviti, katero prehodno stanje je energijsko ugodnejše. Osredotočiti sem se nameraval na izračun energijske bariere za endo in ekso potek reakcije v prvi stopnji cikloadicije maleinanhidrida. Za primerjavo rezultatov sem nameraval izvesti izračun tudi za primere Diels–Alderjeve cikloadicije etil vinil etra in cikloheksil vinil etra kot dveh dienofilov. Steroselektivnost teh dveh reakcij je namreč znana iz literature ter eksperimentalno potrjena z rentgensko difrakcijsko analizo monokristalov nastalih cikloaduktov. Pri obeh reakcijah sta bila uspešno kot edina adukta izolirana 7-oksabiciklo[2.2.2]oktenska sistema v endo konfiguraciji.

3 Rezultati in razprava

3.1 Priprava 3-benzoilamino-2H-piran-2-onov

Izhodni substituirani 3-benzoilamino-2H-piran-2-oni so bili pripravljeni po »one pot«

sintezi, opisani v literaturi in uporabljeni tudi v mojem diplomskem delu [2][11][25].

Sinteza izhaja iz molekul, ki imajo aktivirano CH2 skupino (z vsaj eno karbonilno skupino, npr. 1,3-diketoni, β-keto estri, 2-acetilfuran ter analogi itd.). Ob segrevanju z ustreznimi C1 sintoni (npr. DMFDMA) iz njih nastanejo N,N-dimetilaminometilenski (enaminski) intermediati, ki v naslednji stopnji (tudi ob segrevanju) reagirajo z N-acilglicinom (najpogosteje gre za hipurno kislino, torej N-benzoilglicin), ki pod

reakcijskimi pogoji (topilo je acetanhidrid) z eliminacijo molekule vode in situ ciklizira v ustrezni oksazolonski derivat. Čeprav so izkoristki relativno nizki, pa je odlika tega sinteznega pristopa enostavnost izvedbe in izolacije produktov (ki omogoča pripravo produktov tudi na več 10 g skali); v večini primerov se 2H-piran-2-oni namreč oborijo kot trdni produkti, ki jih zlahka izoliramo s filtracijo pod znižanim tlakom. Po potrebi jih še dodatno očistimo s prekristalizacijo (običajno iz enostavnih alkoholov, lahko pa uporabimo še majhen dodatek DMF) [2][11][25–27].

Nesubstituirani 2H-piran-2-oni imajo delni aromatski značaj, zaradi katerega počasi reagirajo v reakcijah cikloadicije. Elektron donorske skupine (EDG) in elektron

akceptorske skupine (EWG), vezane na obroč, pospešijo reakcijo, zato sem izbral osem različno substituiranih 2H-piran-2-onov in jih glede na njihove elektronske podobnosti razdelil v dve skupini (slika 3.1 – Številčenje 1a–1h poteka po vrstnem redu izvajanja posameznih sintez.) [28].

Slika 3.1: 3-benzoilamino-2H-piran-2-oni, uporabljeni v nadaljnji reakciji z maleinanhidridom.

V prvi skupini (1a, 1f, 1g, 1h) so elektronsko bogatejši 2H-piran-2-oni, ki imajo kot R3 substituent v obroču vezano 2-furilno oz. 2-tienilno skupino, kar jim daje bolj aromatski

značaj. V drugi skupini (1b, 1c, 1d, 1e) pa so elektronsko revnejši 2H-piran-2-oni s karbonilnimi spojinami. V obeh skupinah se kot substituent pojavi tudi šibko elektron donorska metilna skupina. Izhajal sem tako iz precej raznovrstnega nabora tako elektronsko bogatih kot elektronsko revnih 2H-piran-2-onov.

3.2 Biciklo[2.2.2]okteni, pripravljeni z maleinanhidridom

Pripravil sem osem različno substituiranih biciklo[2.2.2]oktenskih sistemov z uporabo maleinanhidrida kot dienofila in 2H-piran-2-onskih sistemov kot dienov po postopku dvojne Diels–Alderjeve cikloadicije, opisane v literaturi [1]. Splošna reakcija poteka po shemi 3.1.

Shema 3.1: Sinteza substituiranega biciklo[2.2.2]oktenskega sistema z benzoilaminsko skupino na mostnem ogljiku iz substituiranega 3-benzoilamino-2H-piran-2-ona in maleinanhidrida.

Za izhodne spojine sem izbral različno substituirane 3-benzoilamino-2H-piran-2-one, ki so se med seboj razlikovali po substituentih R1 (na 4. mestu na obroču), R2 (na 5.

mestu) in R3 (na 6. mestu). Pri prvih dveh reakcijah sem uporabil 4 mmol izhodnega 2H-piran-2-ona, pri vseh nadaljnjih pa po 8 mmol. Pri vseh primerih sem uporabil dvakratni prebitek maleinanhidrida (16 mmol in 32 mmol). Reaktante sem raztopil v 12–24 mL tetralina in segreval pod refluksom od 2 do 4 ure.

Biciklo[2.2.2]oktenski produkt se je v trdni obliki začel nabirati na stenah bučke že med segrevanjem in dajal videz strjene rjave smole. Po končanem segrevanju reakcijske zmesi sem od trdnega ostanka v zmesi previdno oddekantiral preostanek topila in ga zavrgel. Surovemu produktu sem nato dodal par kapljic metanola ter ga mehansko postrgal s stene posode in homogeniziral. Nečistoče so dajale produktu rjavkast videz in grudasto teksturo. Iz zmesi sem odstranil vrelne kamenčke ter produkt odnučal in spiral z metanolom, acetonom in v nekaterih primerih tudi z dietil etrom, da je posvetlel.

Potek reakcij sem preveril z metodo TLC. Za mobilno fazo uporabil zmes etil acetat : petrol eter 90:10. Pri vseh analizah sem za primerjavo poleg čistih produktov (oz.

reakcijskih zmesi) na TLC ploščice nanesel tudi ustrezne izhodne 2H-piran-2-one; v

vseh primerih sem po razvijanju dobil eno samo liso za reaktante (kar kaže, da so bili čisti); tudi za produkte je bila v vseh primerih vidna ena sama lisa (z Rf vrednostjo, drugačno kot za izhodne spojine), kar kaže na to, da so reakcije potekle v celoti (s popolnimi konverzijami).

Pri nekaterih TLC je bila vidna blaga pika na mestu nanosa produktov (na startu), ki bi jo lahko pripisal nekoliko manj učinkovitemu čiščenju v teh primerih.

Strukturo produktov sem dodatno potrdil z IR spektroskopijo in MS (ESI). Na podlagi literature, kjer je bila struktura enakih in podobnih aduktov potrjena z NMR

spektroskopijo, gre v vseh primerih za simetrične ekso, ekso adukte [10].

Tabela 3.1: Mase produktov, izkoristki, molske mase, tališča in reakcijski časi za produkte m1–m8 glede na substituente R1, R2, R3.

Rezultati sintez so prikazani v tabeli 3.1. Z najboljšimi izkoristki so nastali produkti, pri katerih so izhodni 2H-piran-2-oni vsebovali heterociklične aromatske obroče kot

substituente R3 in metilno skupino kot substituent R1 na obroču. Tako tienilni kot furilni obroč sta povečala izkoristek reakcije, kar potrjuje potek reakcije skladno z normalnimi elektronskimi zahtevami. Prisotnost tienilnega obroča je vplivala tudi na videz produkta, saj mu je dala intenzivno rumeno barvo, značilno za mnoge žveplove heterociklične spojine. Aromatska skupina produktov je nastala z dobrimi izkoristki nad 60% (v tabeli 3.1 produkti m1, m6, m7, m8). Izjema je le produkt m7, ki je v

primerjavi z ostalimi aromatskimi produkti, nastal z le približno polovičnim izkoristkom v primerjavi z ostalimi (33,4%).

# R1; R2; R3 m [g] µ [%] M

Reakcija je najtežje potekla v primerih m2 in m3, ko sta na obroču bili prisotni zgolj estrski funkcionalni skupini (vezani prek karbonilnega C atoma in zato z elektron akceptorsko vlogo) kar potrjuje nizek izkoristek, dobljen v teh dveh primerih. Težave so se pojavile tudi pri izolaciji produkta, saj ob izvedbi običajne izolacije (dodatek

metanola ali acetona), ki je bila uspešna v preostalih primerih, oborina ni nastala; enako neuspešno so se izkazale tudi mnoge druge uporabljene kombinacije topil različnih polarnosti. Uporabil sem med drugim metanol, aceton, dietil eter in etil acetat.

Produkt se je bodisi popolnoma raztopil (aceton, metanol, etil acetat), bodisi ostal neraztopljen (dietil eter, petrol eter : etil acetat 10:1).

Prisotnost metilne skupine v izhodnih 2H-piran-2-onskih derivatih je v vseh primerih izboljšala izkoristek reakcije. Metilni substituent je šibko elektron donorska skupina, ki vendarle nekoliko poveča elektronsko gostoto diena in s tem tudi njegovo reaktivnost za elektronsko revne dienofile, kakršen je tudi maleinanhidrid. Zanimiv je predvsem produkt m4, ki ima v primerjavi s produktom m2 kot R3 substituent na obroču namesto etoksikarbonilne funkcionalne skupine vezano metilno skupino. Ta sprememba ne le, da izboljša izkoristek reakcije, ampak tudi povsem spremeni topnost produkta, saj je produkt m4 namreč popolnoma netopen v acetonu, kar je izredno olajšalo izolacijo in čiščenje tega produkta. Izpadli so povsem čisti kristali produkta m4, kar sem tudi potrdil z analizo TLC.

Rezultati kažejo, da Diels–Alderjeve reakcije v vseh raziskanih primerih potekajo z normalnimi elektronskimi zahtevami, saj cikloadicija veliko lažje poteka v primerih, ko so na 2H-piran-2-onskem obroču prisotne elektron donorske skupine, najtežje pa v primerih, ko so prisotne zgolj karbonilne (torej elektron akceptorske) skupine. 2H-piran-2-oni z vezanimi aromatskimi skupinami dajejo v splošnem produkte z boljšimi

In document MAGISTRSKO DELO (Strani 21-0)