딜스-알더 반응

딜스-알더 반응(Diels-Alder reaction)은 콘쥬게이트된 다이엔(conjugated diene)과 친다이엔체(dienophile)라 부르는 알켄(alkene)과의 고리화 반응에 의하여 사이클로헥센(cyclohexene)이 형성되는 반응이다. 딜스-알더 반응은 입체화학이 잘 조절된 육각형 고리를 형성하는 [4+2] 고리화 첨가반응으로 일정 온도 이상에서는 가역 반응이 일어난다. 일반적으로 단순히 가열하면 반응이 잘 진행하며 탄소로 된 육각형 고리를 형성하는 유용한 반응이다.

딜스-알더 반응(출처: 대한화학회)

목차

1928년 독일 킬(Kiel) 대학의 오토 딜스(Otto Diels)와 그의 제자 쿠르트 알더(Kurt Alder)에 의해 발견된 반응으로 다이엔(diene)과 특정 종류의 알켄이 반응하여 육각형 고리를 생성하는 것을 발견하였다. 이들은 이 발견의 공로를 인정받아 1950년에 노벨상을 받았다.

딜스-알더 반응은 중간체를 거치지 않고 고리형 전이 상태를 거치는 한 단계 반응으로 일어난다. 표준 딜스-알더 반응에서는 다이엔의 HOMO 분자 오비탈과 친다이엔체의 LUMO 분자오비탈 간의 겹침이 일어남과 동시에 전자의 재배치가 일어나 분자 간에 두 개의 새로운 시그마 결합이 형성되어 육각형 고리를 만들게 된다. 그러나 전자끌개(EWG: electron withdrawing group)를 갖고 있는 다이엔과 전자주개(EDG: electron donating group)를 갖고 있는 친다이엔체 사이에는 다이엔의 LUMO와 친다이엔체의 HOMO간의 겹침에 의해서 반응이 진행한다(inverse electron demand 딜스-알더 반응).

오비탈 겹침에 의한 딜스-알더 반응(출처:대한화학회)

표준 및 inverse electron demand 딜스-알더 반응(출처: 대한화학회)

콘쥬게이션 다이엔으로 이중결합 두 개가 s-시스 형태를 유지한 상태에서만 딜스-알더 반응을 할 수 있다. s-트랜스 형태에서는 다이엔의 양 끝이 너무 멀리 떨어져 있어 친다이엔체의 p오비탈과 효과적으로 겹칠 수 없다. 따라서 s-시스 형태로 전환이 가능하지 않은 다이엔은 딜스-알더 반응에 사용할 수 없다.

반응성 다이엔의 구조(출처:대한화학회)

일반적으로 전자끌개가 결합된 이중 결합 혹은 삼중 결합을 포함하는 화합물이 친다이엔체이다. 즉, 전자밀도가 낮은 파이 결합 화합물들은 전자 밀도가 높은 다이엔과 반응성이 크다. 그러나 전자 밀도가 낮은 다이엔과는 반대로 전자 밀도가 높은 친다이엔체가 딜스-알더 반응할 수도 있다. 다이엔 또는 친다이엔체의 탄소 대신 산소나 질소로 치환된 카보닐(C=O), 이민(C=N) 등도 친다이엔체로서 반응할 수 있는데, 이러한 반응을 헤테로 딜스-알더 반응이라 한다.

친다이엔체의 예(출처:대한화학회)

E-친다이엔체로부터는 안티(anti) 생성물만 얻어지고 Z-친다이엔체로부터는 신(syn) 생성물만이 얻어진다. 즉, 두 개의 결합이 동시에 일어나기 때문에 친다이엔체의 입체화학이 그대로 유지된 채로 고리가 생성되는 입체특이성을 나타낸다.¹⁾

딜스-알더 반응의 입체 특이성(출처:대한화학회)

친다이엔체가 반응에 참여하는 파이 결합의 p 오비탈 외에 또 다른 파이결합이 있을 때, 전이 상태에서 추가적인 p 오비탈간의 상호작용이 가능한 쪽으로 접근하여 반응하게 된다. 아래의 예에서 카보닐 탄소의 p 오비탈이 다이엔의 p 오비탈과 겹침이 일어나서 보다 안정한 전이 상태를 거쳐 엔도(endo)-생성물이 주 생성물로 얻어지게 된다.²⁾

딜스-알더 반응에서 endo 선택성(출처:대한화학회)

다이엔과 친다이엔체가 전자주게와 전자끌게를 치환기를 갖고 있을 때, 두 가지 생성물이 가능하다. 프론티어 오비탈 이론(FOT)으로 설명할 수 있는데, 다이엔의 HOMO 및 친다이엔체의 LUMO에서 각 오비탈의 계수(coefficient)의 크기를 계산하고, 계수의 크기가 큰 것끼리 결합하는 쪽으로 주 생성물이 얻어진다.³⁾

그러나 다이엔과 친다이엔체간의 극성-극성 상호작용을 이용하여 직관적으로 주 생성물을 예측할 수도 있다. 다이엔과 친다이엔체의 각 공명 구조는 양 끝이 전하를 띄게 되며, 두 분자가 서로 반대의 전하를 향하여 접근하는 쪽으로 주 생성물이 얻어진다.

프론티어 오비탈 이론에 의한 위치선택성 예측(출처:대한화학회)

극성-극성 상호작용에 의한 위치선택성 예측(출처:대한화학회)

다이엔 또는 친다이엔체가 카보닐을 포함하는 경우, 딜스-알더 반응에 의하여 산소를 포함한 육각형 고리를 형성할 수 있다.⁴⁾ 이러한 반응을 헤테로(hetero) 딜스-알더 반응이라 하며 일반적으로 반응성이 크지 않아 카보닐을 활성화를 위하여 루이스산 촉매를 사용해야 한다.

친다이엔체가 카보닐인 경우(normal electron demand), 카보닐의 LUMO와 다이엔의 HOMO간의 상호작용을 통하여 결합한다. 한편, 1,3-헤테로 다이엔과 알켄(alkene)간의 반응(inverse electron demand)에서는 헤테로다이엔의 LUMO와 알켄의 HOMO간에 반응이 일어난다. 다이엔 또는 친다이엔에 질소를 포함하는 경우에도 딜스-알더 반응이 진행된다.⁵⁾

헤테로 딜스-알더 반응의 예(출처:대한화학회)

딜스-알더 생성물은 특정 조건에서 역반응이 가능하여 출발물질은 다이엔과 친다이엔체로 전환된다.⁶⁾ 딜스-알더 반응과 그 역반응은 가역 반응이고 딜스-알더 반응이 유리하기 때문에, 역반응 생성물을 얻기 위해서는 생성물 중의 하나를 제거해주거나 반응성이 없는 물질로 전환하여야 한다.⁷⁾

딜스-알더 역반응()

딜스-알더 역반응의 예()

알루미늄, 보론, 타이타늄, 구리, 마그네슘 및 란탄족 등의 루이스산들은 딜스-알더 반응에서 촉매로 작용하여 저온에서도 반응이 진행한다. 루이스산이 카보닐의 산소에 배위함으로써 친다이엔체의 LUMO 에너지 준위를 낮춤으로서 보다 좋은 친다이엔체가 되도록 하기 때문이다. 카이랄 리간드와 함께 루이스산을 사용하여 거울상 선택적인 생성물을 얻을 수 있다.⁸⁾

거울상 선택적 딜스-알더 반응()

1.
2.
3. Carey, Francis A.; Sundberg, Richard J. (2007). Advanced Organic Chemistry: Part B: Reactions and Synthesis (5th ed.). New York: Springer. ISBN 978-0387683546
4.
5.
6.
7.
8.