Moleculus
有機化学リファレンス

Diels-Alder Dimerization of Cyclopentadiene

ディールス・アルダー反応(シクロペンタジエンの二量化)

Diels–Alder反応(二量化):シクロペンタジエン2分子 → ジシクロペンタジエン(endo)

全体式

出発物から生成物へ

+
基本形 General Form

反応の基本形

共役ジエン + ジエノフィル → シクロヘキセン([4+2])

加熱(協奏的 [4+2]、endo 選択)Diels–Alder 反応([4+2] 環化付加)

共役ジエンとジエノフィルが一度に環をつくる協奏的 [4+2] 環化付加である。

機構 Mechanism

反応機構(段ごと)

巻矢印はA=攻撃 / B=脱離・π形成 / C=プロトン移動。本文の (A)(B)(C) は図中の同色の矢印を指します。

Step1

協奏的[4+2]付加環化(6電子が環状に同時移動)

試薬・条件—(加熱/室温・無触媒)

12345678910
生成物(完成)
12345678910

1分子目をジエン(C2=C3–C4=C5)、2分子目の二重結合C7=C8をジエノフィルとする。3本の矢印が環状に同時に動く:(1) ジエン末端のπ電子C2=C3がジエノフィルのC7を攻めて新しいσ結合C2–C7を作る(B)。(2) ジエノフィルのπ電子C7=C8がジエンのもう一方の末端C5を攻めて新しいσ結合C5–C8を作る(B)。(3) ジエンのもう一方のπ電子C4=C5が中央へ移動して新しい二重結合C3=C4を作る(B)。中間体反応の途中で一時的にできる、ある程度の寿命を持つ化学種。遷移状態とは別物である。を経ず1段で6員環ができ、ジエノフィル側のC9=C10は反応せず残る。

Q.なぜ中間体を経ず1段(協奏的複数の結合の切断と生成が、中間体を経ずに一度に同時に起こるさま。)で進むのか

A.ジエンのHOMOとジエノフィルのLUMOが対称性よく重なり、6π電子が環状に巡る芳香族的な遷移状態結合が切れかけ・できかけの、エネルギーが最も高い一瞬の状態。取り出すことはできない。を通れるから(熱的[4+2]は許容)。電荷を持つ中間体を作るより、軌道の重なりで一気に2本のσを作るほうが低障壁。

考察

なぜこう進むのか

原理
Diels–Alder は[4+2]付加環化=協奏的複数の結合の切断と生成が、中間体を経ずに一度に同時に起こるさま。ペリ環状反応電子が環状に動き、1つの遷移状態で協奏的に進む反応。共役二重結合と単結合が交互に並び、π電子がひと続きに広がった状態。ジエン(4π電子)の両端と、ジエノフィル(2π電子)が、6電子が環状に同時に動いて1段で新しい6員環を作る。シクロペンタジエンはジエンとしてもジエノフィルとしても働けるので、室温で放置すると自身と二量化してジシクロペンタジエンになる(片方がジエン、もう片方の二重結合がジエノフィル)。
選択性
Q.なぜ endo 体が主生成物になるのか
A.遷移状態結合が切れかけ・できかけの、エネルギーが最も高い一瞬の状態。取り出すことはできない。で、ジエノフィル側の残ったπ(もう一方の二重結合)とジエンのπ系が同じ側に重なる endo 配置のほうが、二次軌道相互作用(結合は作らないが軌道が同位相で重なる安定化)で遷移状態が下がるから(endo則・Alder則)。立体的には exo が有利だが、速度論支配でこの二次軌道相互作用が勝ち endo が主となる。
駆動力
軌道

フロンティア軌道で見る

ジエンのHOMO(ψ₂)とジエノフィルのLUMO(π*)が、同じ面どうし(スプラ面型)で同位相に重なる=対称許容。図は基本形(ブタジエン+エチレン)。

ジエンのHOMO(ψ₂)とジエノフィルのLUMO(π*)が、同じ面どうし(スプラ面型)で同位相に重なる=対称許容。図は基本形(ブタジエン+エチレン)。

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検算 Verified

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この機構は機械検算を通過しています。

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検算とは何か — 保証していないことも

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矢印⇄結合変化の整合整合 — fail=0 / check=0(全1段)
電荷保存保存 — 全段で電荷保存
中間体の鎖の連続連続 — 中間体の鎖が連続
生成物への到達(内部整合)到達 — 看板の生成物が機構中で実際に生成
生成物の分子式C10H12
PubChem 照合緑・完全一致(CID 6492)
tricyclo[5.2.1.02,6]deca-3,8-diene
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