Theoretisch chemici ontdekken tweevoudig activeringsmechanisme voor aromatische Diels-Alderreacties

Met behulp van state-of-the-art kwantummechanische berekeningen heeft een team theoretisch chemici van de VU, onder leiding van Trevor A. Hamlin, Koop Lammertsma en Matthias Bickelhaupt, de werkzame mechanismes achter de ultrasnelle aromatische Diels-Alderreactie in heteroatoom gesubstitueerde gebogen benzeenringen, in vergelijking tot vlakke benzeenringen, vastgesteld.

02-08-2019 | 13:52

Het werk van Ayush K. Narsaria, Trevor A. Hamlin, Koop Lammertsma en Matthias Bickelhaupt is gepubliceerd als een ‘HOT paper’ in Chem. Eur. J., het toonaangevende multidisciplinaire tijdschrift van de ChemPubSoc Europe. Het werk is ook te zien op de omslag van het tijdschrift.

Aromatische Diels-Alderreactie
De Diels-Alderreactie is een van de meest bestudeerde organische reacties. De chemische reactie is veel gebruikt in de synthetische organische chemie, farmaceutische chemie en voor het ontwerpen van nieuwe materialen omdat het stereoselectief en zeer efficiënt is. Echter, het archetypische aromatische molecuul benzeen reageert in Diels-Alderreacties uitzonderlijk traag met milde diënofielen.

Activeringsmechanismen
De onderzoekers hebben nu voor het eerst systematisch ultrasnelle aromatische diels-alderreacties ontworpen. Zij gebruikten daarbij een tweevoudige activeringsstrategie: 1) het initiëren van structurele vervorming in het vlakke benzeen en 2) het substitueren van een heteroatoom in de aromatische kern. Gebruikmakend van deze strategie, ontdekte het team dat de fosfor gesubstitueerde benzeen met een brug op de meta positie ultrasnelle Diels-Alder reactiviteit vertoont met activeringsbarrières van slechts 2 kcal mol-1, wat een indrukwekkende 35 kcal mol-1 lager is dan die van regulier benzeen! Deze inzichten zijn naar voren gekomen uit analyses met behulp van het team’s activeringsspanningsmodel voor chemische reactiviteit.

Op maat gemaakte reactiviteit
Hun kwantitatieve analyses toonde aan dat de verbeterde reactiviteit voortkomt uit 1) initiële vervorming van de aromatische kern van benzeen, wat resulteert in minder spanningsenergie en een verbeterde interactie met het diënofiel door deze vervorming en 2) een heteroatoom geïnduceerde verlaging van de dieen zijn HOMO-LUMO-gap. Het samenspel van beide activeringsmechanismen resulteerde in het systematische ontwerp van een reeks moleculen met aangepaste reactiviteit over een groot spectrum van 25 ordes van grootte, ten opzichte van benzeen.

Rationeel ontworpen
De belangrijkste impact van dit werk is dat het een ongeëvenaard inzicht verschaft in waarom het archetypische aromatische molecuul benzeen geen Diels-Alderreactie ondergaat en hoe fysieke concepten eenvoudig gebruikt kunnen worden om de reactiviteit van deze moleculen zo af te stemmen dat de reactiesnelheid van extreem langzaam naar ultrasnel gaat.

“De generieke ontwerpprincipes van ons werk stellen synthetische chemici in staat om systematisch aromatische moleculen te ontwerpen die gemakkelijk chemische reacties kunnen ondergaan voor de synthese van chemisch en industrieel aantrekkelijke producten”, aldus de onderzoekers.