În chimie, un ladderan este o moleculă organică care conține cel puțin două sau mai multe inele ciclobutanate concatenate. Acest nume provine din asemănarea acestei serii de inele ciclobutane consecutive cu o scală ( (în) „scară”). Multe abordări sintetice au fost dezvoltate pentru sinteza ladderanelor de diferite lungimi. Mecanismele implică adesea [2 + 2] fotocarcide, o reacție utilă în crearea de cicluri tensionate cu 4 căi. Ladderanes naturale au fost identificate ca fiind principalele componente ale membranei anammoxosome de bacterii anammox de bacterii Încrengătura Planctomycetes .
Diferite abordări sintetice au produs ladderane de diferite lungimi. Prin urmare, a fost dezvoltat un sistem de clasificare pentru a descrie ladderanele nou sintetizate, care este arătat în dreapta: Lungimea unui ladderane este descrisă de numărul dintre paranteze pătrate care precede cuvântul "ladderane". Acest număr este egal cu numărul de legături împărțite de doi ciclobutani (bare) (n) plus unu, adică numărul total de inele ciclobutanice. Ladderanii sunt deci hidrocarburi policilice fără altă nesaturare, prin urmare cicloalcani cu formula generală pentru [n] ladderan, C 2 * (n + 1) H 2 * (n + 3) sau C 2n + 2 H 2n + 6 și un nume sistematic de tipul n-ciclo [2 (n-1) .2.0.… 0] 2 * (n + 1) -ane cu 0. ... 0 = (n-1) ori zero și:
În cele din urmă, o ladderane se poate cicliza pe sine, formând astfel structura de bandă a unui prismane și a altor compuși înrudiți.
Ladderanii au două tipuri de relații stereochimice. Aranjamentul relativ al atomilor de hidrogen pe legarea dintre doi ciclobutani este primul izomerism al utilizatorului menționat cis / trans conform configurației, cis dacă ambii atomi de hidrogen sunt pe aceeași parte, aceștia sunt trans la partea comună a legăturii carbon-carbon . Trans-ladderane nu au fost încă sintetizate din cauza stresului inelar din acești compuși.
A doua relație stereochimică descrie orientarea a trei inele ciclobutane consecutive și, prin urmare, se referă doar la ladderane de n ≥ 2. Două inele exterioare pot fi pe aceeași parte (syn) sau pe ambele părți (anti), în raport cu ciclul central.
S-au folosit diverse metode sintetice pentru sinteza de laborator a ladderanelor. Cele trei abordări principale sunt (1) dimerizarea precursorilor polienici , (2) adăugări treptate, unul sau două cicluri la un moment dat și (3) oligomerizare .
Dimerizarea a două cyclobutadiènes poate genera atât sin și anti-ladderanes în funcție de condițiile de reacție. Primul pas în formarea produsului syn implică producerea 1,3-ciclobutadienei prin tratarea cis-3,4-diclorociclobutenei cu amalgam de sodiu . Reactivul trece printr-un intermediar metalizat înainte de a forma 1,3-ciclobutadienă care, anti-aromatică , se dimerizează rapid, formând sin-dienă. Hidrogenarea a legăturilor duble formează izomerului sin [3] ladderane saturate .
Pentru a genera anti-produs, același cis-3,4-diclorociclobuten este tratat cu amestec de litiu . Derivatul litiat suferă o reacție de cuplare DC pentru a produce o structură dimerică deschisă. Acest intermediar reacționează pentru a forma anti- diena , care poate fi hidrogenată pentru a forma produsul final anti- [3] ladderane.
O abordare sintetică diferită dezvoltată de Martin și colegii săi a permis sinteza [4] ladderanelor. Etapa inițială implică formarea unei [2] ladderane de la adăugarea a doi echivalenți de anhidridă maleică la acetilenă ( etină ). Celelalte două cicluri sunt formate din reacția de contracție a inelului Ramberg-Bäcklund (en) .
Ladderani până la 13 inele ciclobutanice au fost sintetizate de Mehta și colab. Acest proces implică generarea in situ de dicarbometoxicilobutadienă din complexul său Fe (CO) 3 la temperatură scăzută prin adăugarea azotatului de amoniu de ceriu IV (CAN) . această generație de ciclobutadienă formează rapid un amestec de [n] ladderani de lungime de până la n = 13 cu un randament global de 55%. Toate ladderanele sintetizate prin acest proces au o structură generală cis, syn, cis. Acesta poate fi rezultatul dimerizării inițiale a două ciclobutadiene care formează de preferință produsul syn, prezentat mai jos. Dimerizările suplimentare produc numai antiproduse datorită factorilor sterici.
În aceste reacții, ladderanele se formează din fotocicluri multiple [2 + 2] între legăturile duble ale celor doi polieni . O complicație care rezultă din această abordare este reacția precursorilor prin fotoexcitații alternative și mai favorabile. Aceste reacții secundare sunt evitate prin adăugarea unui distanțier chimic care păstrează cei doi poli paraleli unul cu celălalt, permițând să apară numai [2 + 2] cicloadiții.
Un distanțier comun utilizat în aceste reacții este sistemul paraciclofan [2.2] . Acest lucru este suficient de rigid și poate ține cozile polienice suficient de aproape pentru a avea loc încărcături ciclice.
De hidrocarburi policiclice saturate cu care seamănă mai mult sau mai puțin strâns la [5] ladderane C 12 H 16sunt cele mai eficiente specii moleculare de RP-1 , un combustibil stocabil american care formează, cu oxigen lichid , un propulsor lichid utilizat din anii 1950 de un număr foarte mare de lansatoare până astăzi:
În mod neașteptat, acizii grași ladderane cu lanț lateral au fost găsiți în organismele vii. Derivații de ladderan au fost identificați pentru prima dată într-un grup rar de bacterii anaerobe amoniacale ( anammox ) aparținând filului Planctomycetes . Aceste bacterii sechestrează reacțiile catabolice anammox în compartimentele intracelulare numite anammoxosomi . Anamoxozomii sunt îmbogățiți cu lipidele ladderane prezentate în dreapta. Analiza membranelor anamoxozomice din speciile bacteriene Borcadia anammoxidans și Kuenenia stuttgartiensis a relevat că derivații ladderane constituie mai mult de 50% din lipidele membranei. Această abundență ridicată de lipide ladderane în anamoxozom formează o membrană neobișnuit de densă cu permeabilitate redusă. Permeabilitatea redusă poate reduce difuzia pasivă a protonilor prin membrană, ceea ce ar disipa gradientul electrochimic necesar metabolismului în anamoxozom. Acest lucru ar fi deosebit de dăunător pentru bacteriile anammox, datorită lentei relative a metabolismului anammox. Permeabilitatea scăzută, de asemenea, sechestrează intermediarii foarte toxici și mutageni, hidrazina N 2 H 4.și hidroxilamină NH 2 OH, format din metabolismul anammox și care se poate difuza cu ușurință prin biomembranele.
Un acid gras ladderane natural [5], acidul pentacicloanamoxic , a fost sintetizat de Elias James Corey și echipa sa. Primul pas al acestei sinteze constă în bromurarea urmată de ciclizarea unei ciclooctatetraene pentru a forma o ciclohexadienă. Această ciclohexadienă este prinsă cu dibenzil azodicarboxilat. Diverse modificări ale grupurilor funcționale sunt efectuate pentru a obține un prim ciclu ciclobutan realizat printr-o fotociclare [2 + 2] cu o ciclopentenonă care produce un al doilea ciclobutan. Protejarea carbonil grupării, urmată de N 2 reacție de extracție , oferă două ciclobutanilor mai concatenate. În cele din urmă, al cincilea ciclobutan se formează printr-o reamenajare Wolff și lanțul alchil este pus în loc printr-o alchenare Wittig :
În 2016, Burns și colegii săi de la Universitatea Stanford au raportat o sinteză enantioselectivă a celor doi acizi grași [3] și [5] ladderani și încorporarea lor într-o fosfatidilcolină lipidică completă . Ambele trasee profită de un mic bloc de construcție [2] ladderène, bicyclo [2.2.0] hex-2-ene din CAS , preparat printr-o reacție Ramberg-Bäcklund (in) . Sinteza care conduce la acidul gras care conține un [5] ladderan implică dimerizarea acestui bloc pentru a forma o hidrocarbură orice anti - [5] ladderan. Clorurarea unei legături CH cu un catalizator de porfirină la mangan îndepărtarea și ulterior să introducă nesaturare pentru producerea unei [5] ladderène. Hidroborare și o reacție Zweifel instalați gruparea alchil liniar:
Sinteza alcoolului gras [3] ladderane începe cu o fotocicdescriere [2 + 2] între o benzoquinonă bromurată și biciclo [2.2.0] hexena. Îndepărtarea HBr și adăugarea unui compus organozinc instalează alcoolul alchilic. O reacție de dezoxigenare prin hidrazină urmată de hidrogenare cu catalizatorul Crabtree are ca rezultat reducerea inelului ciclohexan :