Аллильный штамм
Аллиловый штамм (также известный как A 1,3 штамм , 1,3-аллильный штамм , или А-штамм ) в органической химии — тип энергии штамма , возникающий в результате взаимодействия заместителя на одном конце олефина ( синоним алкена) с аллильным заместителем на другом конец. [1] Если заместители (R и R') достаточно велики по размеру, они могут стерически мешать друг другу, так что один конформер имеет преимущество над другим. [2] Аллильный штамм был впервые описан в литературе в 1965 году Джонсоном и Малхотрой. Авторы исследовали конформации циклогексана, включая эндоциклические и экзоциклические двойные связи, когда заметили, что некоторые конформации нежелательны из-за геометрических ограничений, вызванных двойной связью. [3] Химики-органики извлекают выгоду из жесткости, возникающей в результате аллильного штамма, для использования в асимметричных реакциях. [2]
Количественная оценка энергии аллильного штамма
[ редактировать ]«Энергия деформации» молекулы — это величина, которую трудно точно определить, поэтому значение этого термина может легко варьироваться в зависимости от интерпретации. [4] Вместо этого объективным способом рассмотрения аллильного штамма молекулы является ее конформационное равновесие. Сравнивая теплоты образования участвующих конформеров, общую величину ΔH eq можно оценить . Этот термин дает информацию об относительной стабильности участвующих конформеров и о том, что аллильный штамм имеет одно равновесие. Теплоту образования можно определить экспериментально с помощью калориметрических исследований; однако расчетные энтальпии используются чаще из-за большей простоты их получения. [4]
Различные методы, используемые для оценки энтальпии конформационного равновесия, включают: метод Вестхаймера, [5] гомоморфный метод, [6] и проще — используя оценки энтальпий несвязывающих взаимодействий внутри молекулы. [3] Поскольку все эти методы являются приблизительными, сообщаемые значения деформации для одной и той же молекулы могут различаться, и их следует использовать только для получения общего представления об энергии деформации.
Олефины
[ редактировать ]
Простейшим типом молекул, проявляющих аллильную деформацию, являются олефины. В зависимости от заместителей олефины сохраняют различную степень аллильной деформации. В 3-метил-1-бутене взаимодействия между водородом и двумя метильными группами аллильной системы вызывают изменение энтальпии, равное 2 ккал/моль. [7] [ нужна проверка ] Как и ожидалось, с увеличением размера заместителя увеличивается и равновесная энтальпия между ротамерами. Например, при исследовании 4-метил-2-пентена, содержащего дополнительную аллильную метильную группу по сравнению с 3-метил-1-бутеном, энтальпия вращения конформера с наивысшей энергией увеличивается с 2 ккал/моль до 4 ккал/моль. [7]
Циклические молекулы
[ редактировать ]
Энергии несвязанного 1,3-диаксиального взаимодействия обычно используются для аппроксимации энергии деформации в циклических молекулах, поскольку значения для этих взаимодействий доступны. Взяв разницу в несвязанных взаимодействиях для каждого конформера, можно оценить равновесную энтальпию. Энергия деформации метилиденциклогексана рассчитана как 4,5 ккалмоль. −1 используя оценки для 1,3-диаксиальной деформации (0,9 ккалмоль −1 ), метил/водородаллильный штамм (1,3 ккалмоль −1 ) и метил/метилаллильный штамм (7,6 ккалмоль −1 ) ценности. [2]
Рассчитанная энергия деформации в 1,8-диметилнафталине составила 7,6 ккалмоль. −1 и около 12-15 ккалмоль −1 для 4,5-диметилфенантрена. [2] Аллильная деформация имеет тенденцию быть большей для циклических молекул по сравнению с олефинами, поскольку энергия деформации увеличивается с увеличением жесткости системы. Подробное описание аллильного штамма в шестичленных кольцах было представлено в обзоре Johnson, F. [2]
Факторы влияния
[ редактировать ]Несколько факторов влияют на энергетические потери, связанные с аллильным штаммом. Чтобы уменьшить напряжение, вызванное взаимодействием между двумя метильными группами, циклогексаны часто имеют конформацию лодочки или скрученной лодочки . Конформация лодочки, как правило, является основной конформацией штамма. [2] Влияние аллильного напряжения на цис- алкены создает предпочтение более линейным структурам. [1]
Размер заместителя
[ редактировать ]
Размер заместителей, взаимодействующих в положениях 1 и 3 аллильной группы, часто является наибольшим фактором, влияющим на величину деформации. Как правило, более крупные заместители создают большую величину деформации. Близость объемных групп вызывает усиление отталкивающих сил Ван-дер-Ваальса. Это быстро увеличивает величину деформации. Взаимодействия между водородом и метильной группой в аллильной системе вызывают изменение энтальпии, равное 3,6 ккал/моль. [7] Расчетная энергия деформации в этой системе составила 7,6 ккал/моль за счет взаимодействия между двумя метильными группами. [2]
Замещающая полярность
[ редактировать ]Полярность также влияет на аллильный штамм. С точки зрения стереоселективности полярные группы действуют как большие, громоздкие группы. Даже если две группы могут иметь примерно одинаковые значения А, полярная группа будет вести себя так, как будто она намного крупнее. Это связано с донорным характером полярной группы. Полярные группы увеличивают ВЗМО энергию σ-системы в переходном состоянии. Это приводит к тому, что переходное состояние оказывается в гораздо более выгодном положении, когда полярная группа не взаимодействует в 1,3-аллильном штамме. [8]
Водородная связь
[ редактировать ]
При наличии определенных полярных заместителей водородная связь в аллильной системе между заместителями может возникать . Вместо напряжения, которое обычно возникает в непосредственной близости групп, водородная связь стабилизирует конформацию и делает ее энергетически гораздо более выгодной. Этот сценарий возникает, когда аллильный заместитель в положении 1 является донором водородной связи (обычно гидроксилом ) , а заместитель в положении 3 является акцептором водородной связи (обычно эфиром ) . Даже в тех случаях, когда аллильная система может адаптироваться, помещая гораздо меньший водород в положение акцептора водородной связи, гораздо выгоднее позволить водородной связи образоваться. [9]
Растворители
[ редактировать ]Растворители также оказывают влияние на аллильный штамм. При использовании в сочетании со знаниями о влиянии полярности на аллильный штамм растворители могут быть очень полезны для управления конформацией продукта, который содержит аллильную структуру в ее переходном состоянии. Когда объемный и полярный растворитель способен взаимодействовать с одним из заместителей в аллильной группе, комплекс растворителя может энергетически вытеснить объемистый комплекс из аллильного штамма в пользу меньшей группы. [10]
Спряжение
[ редактировать ]Сопряжение увеличивает аллильную деформацию, поскольку оно заставляет заместители принимать конфигурацию, которая заставляет их атомы располагаться ближе друг к другу, увеличивая силу отталкивающих сил Ван-дер-Ваальса . [11] Наиболее заметно такая ситуация возникает, когда в качестве заместителя аллильной группы участвует карбоновая кислота или кетон. Резонансное воздействие на карбоксильную группу сдвигает двойную связь СО на гидроксильную группу. Таким образом, карбоксильная группа будет функционировать как гидроксильная группа, которая вызовет образование большого аллильного штамма и отменит стабилизационные эффекты расширенной конъюгации. Это очень часто встречается в реакциях енолизации. [2] Его можно просмотреть на рисунке ниже в разделе «Кислотные условия».
В ситуациях, когда молекула может либо находиться в конъюгированной системе, либо избегать аллильного напряжения, было показано, что основной формой молекулы будет та, которая избегает напряжения. Это было обнаружено с помощью циклизации, показанной на рисунке ниже. [12] При обработке хлорной кислотой молекула А циклизуется в сопряженную систему, показанную в молекуле B. Однако молекула перегруппируется (из-за аллильного напряжения) в молекулу C, в результате чего молекула C становится основным видом. Таким образом, величина дестабилизации, вызванной аллильным штаммом, превышает стабилизацию, вызванную конъюгированной системой. [2]
Кислые условия
[ редактировать ]В тех случаях, когда енолизация происходит вокруг аллильной группы (обычно как часть циклической системы), A 1,3 штамм может сделать реакцию практически невозможной. алкена В таких ситуациях обработка кислотой обычно приводит к протонированию , перемещая двойную связь к карбоксильной группе и превращая ее в гидроксильную группу . Возникающее в результате аллильное напряжение между спиртом и другой группой, участвующей в аллильной системе, настолько велико, что реакция не может происходить в нормальных термодинамических условиях. [13] Та же самая енолизация происходит гораздо быстрее в основных условиях, так как карбоксильная группа сохраняется в переходном состоянии и позволяет молекуле принять конформацию, не вызывающую аллильного напряжения. [13]
Применение аллильного штамма в органических реакциях и тотальном синтезе
[ редактировать ]
Происхождение стереоселективности органических реакций аллильного штамма
[ редактировать ]Когда рассматривают аллильный штамм, необходимо учитывать возможные конформеры и возможные стереоэлектронные потребности реакции. Например, в конформации (Z)-4-метилпент-2-ена молекула не заморожена в предпочтительном конформере, а вращается под двугранным углом около 30° при стоимости <1 ккал/моль. В стереоселективных реакциях аллильный штамм оказывает два влияния на реакцию: стерический эффект и электронный эффект. Эффект стерики заключается в том, что самая большая группа предпочитает находиться дальше всего от алкена. Электронный эффект заключается в том, что орбитали заместителей предпочитают располагаться анти- или вне орбиталей в зависимости от реакции. [14]
Реакция гидроборирования
[ редактировать ]Реакция гидроборирования является полезной реакцией для функционализации алкенов в спирты. В реакции триметилсилильная (ТМС) группа выполняет две роли в управлении стереоселективностью реакции. Во-первых, большой размер ТМС помог молекуле предпочтительно принять конформацию, в которой ТМС не близок к метильной группе алкена. Во-вторых, группа ТМС оказала на молекулу стереоэлектронный эффект, приняв антиконформацию направляющих орбиталей алкена. Что касается региоселективности реакции, группа ТМС может стабилизировать развивающийся частичный положительный заряд на вторичном углероде намного лучше, чем метильная группа. [15]
Альдольная реакция
[ редактировать ]В очень универсальной и широко используемой реакции Альдолья Эванса [16] Большую роль в развитии реакции сыграл аллильный штамм. Енолат Z был создан, чтобы избежать аллильного штамма с оксазолидиноном. Образование специфического енолята способствует развитию относительной стереохимии на протяжении всей реакции, что делает альдольную реакцию очень предсказуемым и полезным методом синтеза хиральных молекул. Абсолютная стереохимия затем определяется хиральностью оксазолидинона.
Существует еще один аспект альдольной реакции, на который влияет аллильный штамм. Во второй альдольной реакции образуется 1,3-дикарбонил с высокой диастереоселективностью. Это связано с тем, что кислотность протона значительно снижается, поскольку для того, чтобы произошло депротонирование, ему придется пройти через развивающийся аллильный штамм в неблагоприятной конформации. В предпочтительной конформации протон не выровнен должным образом для того, чтобы произошло депротонирование.
Реакция Дильса-Альдера
[ редактировать ]Во внутримолекулярной реакции Дильса-Альдера асимметричная индукция может быть вызвана аллильным 1,3-штаммом диена или диенофила. В следующем примере [17] метильная группа диенофила заставила молекулу принять эту специфическую конформацию 6-членного кольца молекулы.
В модельных исследованиях по синтезу хлортриколида [18] внутримолекулярная реакция Дильса-Альдера дала смесь диастереомеров. Но за счет введения объемистого заместителя ТМС реакция дала желаемый продукт с высокой диастереоселективностью и региоселективностью с хорошим выходом. Объемный заместитель ТМС помогает усилить аллильную 1,3-штаммацию конформации молекулы.
Полный синтез натуральных продуктов
[ редактировать ]В семинарской статье о полном синтезе (+)-моненсина [19] Киши и его коллеги использовали аллильный штамм для индукции асимметричной индукции реакции окисления гидроборирования. Реакция региоселективная и стереоселективная. Региоселективность реакции обусловлена значительным положительным характером, развивающимся по третичному углероду. Стереоселективность реакции обусловлена атакой борана с наименее затрудненной стороны, где находится метильная группа.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Эрик В. Анслин и Деннис А. Догерти, Университетские научные книги по современной физической органической химии , 2006.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я Джонсон, Ф (1968). «Аллиловый штамм в шестичленных кольцах». хим. Откр. 68 (4): 375–413. дои : 10.1021/cr60254a001 .
- ^ Jump up to: а б Джонсон, Ф; Мальхорта, СК (1965). «Стерическая интерференция в аллильных и псевдоаллильных системах. I. Две стереохимические теоремы». Дж. Ам. хим. Соц . 87 (23): 5492–5493. дои : 10.1021/ja00951a047 .
- ^ Jump up to: а б Аллинджер, Нидерланды; Хирш, Джерри А.; Миллер, Мэри Энн; Тымински, Ирен Дж. (1968). «Конформационный анализ. LXIV. Расчет структуры и энергии ненасыщенных углеводородов методом Вестхаймера». Дж. Ам. хим. Соц. 90 (21): 5773–5780. дои : 10.1021/ja01023a021 .
- ^ Элиэль, Эль; Аллинджер, Нидерланды; Ангьял, С.Дж.; Моррисон, Джорджия. Конформационный анализ, издательство Interscience Publishers, Inc., Нью-Йорк, 1965.
- ^ Браун, Х.; Барбара, ГК; Бернейс, Х.Л.; Боннер, Вашингтон; Йоханнесен, МГ; Грейсон, М. (1953). «Напряженные гомоморфы. 14. Общие сведения». Дж. Ам. хим. Соц. 75 (1): 1–6. дои : 10.1021/ja01097a001 .
- ^ Jump up to: а б с д Хоффман, Р. (1989). «Аллиловый 1,3-штамм как контролирующий фактор стереоселективных трансформаций». хим. Откр. 89 (8): 1841–1860. дои : 10.1021/cr00098a009 .
- ^ Бах, Т.; Йодике К.; Катер, К.; Фрелих, Р. (1997). «1,3-Аллиловый штамм как контрольный элемент в реакции Патерно-Бучи хиральных эфиров силиленолов: синтез диастереомерно чистых оксетанов, содержащих четыре смежных стереогенных центра». Дж. Ам. хим. Соц. 119 (10): 5315–5316. дои : 10.1021/ja963827v .
- ^ Рэми, Б.; Гарднер, П. (1967). «Механизм фотохимического присоединения спирта к альфа-, бета-ненасыщенным кетонам». Дж. Ам. хим. Соц. 89 (15): 3949–3950. дои : 10.1021/ja00991a078 .
- ^ МакГарви, Дж.; Уильямс, Дж. (1985). «Стереоэлектронные особенности контроля аллильной асимметрии. Применение к енолятному алкилированию сложных эфиров». Дж. Ам. хим. Соц. 107 (5): 1435–1437. дои : 10.1021/ja00291a067 .
- ^ Харрис, РК; Шеппард, Н. (1967). «Комментарии к обращению кольца циклогексана, исследованному методом ЯМР». Дж. Мол. Спектроск. 23 (2): 231–235. Бибкод : 1967JMoSp..23..231H . дои : 10.1016/0022-2852(67)90015-X .
- ^ Овертон, КХ; Ренфрю, Эй Джей (1967). «Конфигурация C-13 в лабданоловой и эперуиновой кислотах». Дж. Хим. Соц. С : 931–935. дои : 10.1039/J39670000931 .
- ^ Jump up to: а б Вон, WR; Кейпл, Р; Чапилла, Дж; Шайнер, П. (1965). «β-бромкислоты. II. Сольволиз циклических β-бромкислот». Дж. Хим. Соц. 87 (10): 2204. doi : 10.1021/ja01088a020 .
- ^ Хоук К.Н.; Паддон-Роу, М.; Рондан, Н.; Ву, Ю.; Браун, Ф.; Спеллмейер, Д.; Мец, Дж.; Ли, Ю; Лончарич, Р.; и др. (1986). «Теория и моделирование стереоселективных органических реакций». Наука . 231 (4742): 1108–1117. Бибкод : 1986Sci...231.1108H . дои : 10.1126/science.3945819 . ПМИД 3945819 .
- ^ Флеминг, И. (1988). «Стереоуправление в органическом синтезе с использованием соединений кремния» . Чистое приложение. хим. 60 : 71–78. дои : 10.1351/pac198860010071 .
- ^ Эванс, округ Колумбия; Такач, Дж. М.; МакГи, Л.Р.; Эннис, доктор медицины; Матре, диджей; Бартроли, Дж.; и др. (1981). «Хиральный енолятный дизайн» . Чистое приложение. хим. 53 (6): 1109. doi : 10.1351/pac198153061109 . S2CID 93637283 .
- ^ Итихара, А.; и др. (1986). «Стереоселективный тотальный синтез и стереохимия диплодиатоксина, микотоксина из?». Тетраэдр Летт. 27 (12): 1347–1350. дои : 10.1016/S0040-4039(00)84255-0 .
- ^ Руш, WR; Кагеяма, Масанори; Рива, Рената; Браун, Брэдли Б.; Вармус, Джозеф С.; Мориарти, Кевин Дж.; и др. (1991). «Энантиоселективный синтез нижней половины хлортриколида. 3. Исследования стратегии стерической направляющей группы для стереоконтроля во внутримолекулярных реакциях Дильса-Альдера». Дж. Орг. хим. 56 (3): 1192. doi : 10.1021/jo00003a049 .
- ^ Николау, КЦ; и др. Классика в тотальном синтезе . Уайли. п. 185.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Конспект лекций по продвинутой органической химии (Эванс, Д.А.; Майерс, А.Г., Гарвардский университет, 2006–2007 гг.)