Альфа-эффект
Альфа эффект относится к повышенной нуклеофильности атома - из-за присутствия соседнего (альфа) атома с неподеленной парой электронов . [2] Этот первый атом не обязательно демонстрирует повышенную основность по сравнению с аналогичным атомом без соседнего электронодонорного атома, что приводит к отклонению от классической зависимости реакционная способность-основность бренстедовского типа. Другими словами, альфа-эффект относится к нуклеофилам, имеющим более высокую нуклеофильность, чем предсказанное значение, полученное на основе основности Брёнстеда. Репрезентативными примерами могут быть высокие нуклеофильности гидропероксида (HO 2 − ) и гидразин (N 2 H 4 ). [3] Этот эффект теперь хорошо известен многочисленными примерами и стал важной концепцией в механистической химии и биохимии. [4] Однако происхождение эффекта до сих пор остается спорным, и без явного победителя.
Фон
[ редактировать ]Эксперимент
[ редактировать ]Эффект впервые наблюдали Дженкс и Карриуоло в 1960 году. [5] [6] в серии экспериментов по химической кинетике , включающих реакцию сложного эфира п-нитрофенилацетата с рядом нуклеофилов. Было обнаружено, что обычные нуклеофилы, такие как фторид- анион, анилин , пиридин , этилендиамин и фенолят- ион, имеют скорости реакций псевдопервого порядка, соответствующие их основности, измеренной по их pK a . Однако другие нуклеофилы отреагировали гораздо быстрее, чем ожидалось, исходя только из этого критерия. К ним относятся гидразин , гидроксиламин , гипохлорит -ион и гидропероксид- анион.
α-эффект
[ редактировать ]В 1962 году Эдвардс и Пирсон (последний из теории HSAB ) ввели термин «альфа-эффект» для этой аномалии. Он выдвинул предположение, что этот эффект был вызван эффектом стабилизации переходного состояния (ПС): при входе в ПС пара свободных электронов нуклеофила удаляется от ядра, вызывая частичный положительный заряд, который может стабилизироваться соседней неподеленной парой. как, например, происходит с любым карбокатионом . [7]
Теория
[ редактировать ]За прошедшие годы было выдвинуто множество дополнительных теорий, пытающихся объяснить этот эффект.
Дестабилизация основного состояния
[ редактировать ]Теория дестабилизации основного состояния предполагает, что электрон-электронное отталкивание между неподеленной альфа-парой и нуклеофильной электронной парой дестабилизирует друг друга за счет электронного отталкивания (взаимодействие заполненных и заполненных орбиталей), тем самым уменьшая активационный барьер за счет увеличения энергии основного состояния и увеличения ее реактивный. Это объясняет более высокую реакционную способность α-нуклеофилов, однако этот электронный механизм должен также повышать основность и, следовательно, не может полностью объяснить α-эффект. [4]
Стабилизация переходного состояния
[ редактировать ]Многие объяснения попадают в эту категорию. Во-первых, теория вторичных орбитальных взаимодействий подчеркивала, что электронодонорный гетероатом в α-положении может способствовать усилению орбитального взаимодействия с подложкой, что стабилизирует переходное состояние (ПС) и дает большую реакционную способность. [8] Во-вторых, механизм переноса электрона (ET) показывает, что гетероатом в α-положении может стабилизировать переходное состояние S N 2 , которое имеет характер однопереносного электрона (свободный радикал). [9] Другие движущие силы, включая более жесткое переходное состояние [10] и более высокой поляризуемости α-нуклеофилов, участие внутримолекулярного катализа также играет роль . Другое исследование in silico обнаружило корреляцию между альфа-эффектом и так называемой энергией деформации, которая представляет собой электронную энергию, необходимую для объединения двух реагентов в переходном состоянии. [11]
Термодинамическая стабильность продукта
[ редактировать ]Это объяснение предполагает, что стабильный продукт может способствовать альфа-эффекту, однако этот фактор не может быть единственным фактором. [4]
Эффекты, вызванные растворителем
[ редактировать ]Альфа-эффект также зависит от растворителя , но не предсказуемым образом: он может увеличиваться или уменьшаться в зависимости от состава смеси растворителей или даже достигать максимума. [12] По крайней мере, в некоторых случаях наблюдалось исчезновение альфа-эффекта, если реакция проводится в газовой фазе, что привело некоторых к выводу, что это в первую очередь эффект сольватации. [13] Однако это объяснение имеет ограничения, поскольку аналогичные альфа-эффекты могут быть обнаружены в различных системах растворителей, а также потому, что сольватация влияет как на основность, так и на нуклеофильность нуклеофила. [4]
Отталкивание Паули и перекрытие HOMO-LUMO
[ редактировать ]
В недавней статье, опубликованной в 2021 году, Хансен и Вермеерен предложили два требования к α-нуклеофилу для проявления α-эффекта. Двумя предложенными требованиями были (1) минимизация стерического отталкивания Паули за счет небольших долей ВЗМО на нуклеофильном центре и (2) небольшая орбитальная энергетическая щель ВЗМО-НСМО, которая обеспечивает перекрытие орбиталей с подложкой. Было предложено, чтобы оба этих двух требования были выполнены, чтобы иметь α-эффект, в противном случае нуклеофилы не проявляли бы α-эффект или был бы обратным (рис. 2). В этой недавней работе шесть нормальных нуклеофилов (HO - , СН 3 О - , Ч 2 Н - , СН 3 ХН - , СН 3 С - , ХС - ) следовал корреляции типа Брёнстеда. α-нуклеофилы с O, HN и S в α-положении были разделены на три группы по степени и характеру отклонения от корреляции типа Бренстеда в реакциях S N 2 с субстратом – этилхлоридом (C 2 H 5 Cl ) (рисунок 3).
Во-первых, α-нуклеофилы с отклонением вниз, другими словами, с более высокой реакционной способностью, проявляемой с учетом основности, или с более низкой основностью с учетом реакционной способности, были сгруппированы как нуклеофилы, проявляющие α-эффект. Во второй группе были нуклеофилы с небольшим отклонением или без отклонения от линии, нанесенной шестью нормальными нуклеофилами. Наконец, в третьей группе были нуклеофилы, демонстрирующие обратный α-эффект, что означает, что они находятся выше нанесенной линии или имеют меньшую реакционную способность, учитывая их высокую основность. С помощью теории функциональной плотности относительной плотности, модели активационного напряжения , анализа энергетического разложения и анализа молекулярных орбиталей Кона-Шэма эти три группы имели различия в лепестках ВЗМО и промежутках ВЗМО-НСМО.
Если уточнить первое требование, электроотрицательный гетероатом уменьшает электронную плотность атома, который атакует нуклеофил, уменьшая долю ВЗМО. Это минимизирует отталкивание Паули между субстратом и нуклеофилом. Тем не менее, эти маленькие доли ВЗМО не означают меньшего орбитального взаимодействия, чем у родительского нормального нуклеофила. Это связано с тем, что α-нуклеофилы, демонстрирующие α-эффект, имеют меньший промежуток ВЗМО (нуклеофил)-НСМО (субстрат), другими словами, высокий уровень энергии ВЗМО, который обеспечивает большее орбитальное взаимодействие.
Примеры α-нуклеофилов с α-эффектами показаны на рисунке 4. α-нуклеофилы имеют меньшие доли HOMO, чем родительский нормальный нуклеофил.
Примеры α-нуклеофилов с α-эффектом и обратным α-эффектом показаны на рисунке 5.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и Хансен, Томас; Вермерен, Паскаль; Бикельхаупт, Ф. Матиас; Хэмлин, Тревор А. (26 июля 2021 г.). «Происхождение α-эффекта в реакциях S N 2» . Angewandte Chemie, международное издание . 60 (38): 20840–20848. дои : 10.1002/anie.202106053 . ISSN 1433-7851 . ПМЦ 8518820 . ПМИД 34087047 .
- ^ Химическая реактивность. 14 июля 2006 г. Мичиганский государственный университет. 27 июля 2006 г. < [1] >.
- ^ Смит, Майкл Б.; Марч, Джерри (2007), Продвинутая органическая химия: реакции, механизмы и структура (6-е изд.), Нью-Йорк: Wiley-Interscience, стр. 495, ISBN 978-0-471-72091-1
- ^ Перейти обратно: а б с д Фина, Ник Дж.; Эдвардс, Джон О. (январь 1973 г.). «Альфа-эффект. Обзор» . Международный журнал химической кинетики . 5 (1): 1–26. дои : 10.1002/кин.550050102 . ISSN 0538-8066 .
- ^ Уильям П. Дженкс; Джоан Карриуоло (1960). «Реакционная способность нуклеофильных реагентов по отношению к сложным эфирам». Журнал Американского химического общества . 82 (7): 1778–86. дои : 10.1021/ja01492a058 .
- ^ Уильям П. Дженкс; Джоан Карриуоло (1960). «Общий основной катализ аминолиза фенилацетата». Журнал Американского химического общества . 82 (3): 675–81. дои : 10.1021/ja01488a044 .
- ^ Джон О. Эдвардс; Ральф Г. Пирсон (1962). «Факторы, определяющие нуклеофильную активность». Журнал Американского химического общества . 84 : 16–24. дои : 10.1021/ja00860a005 .
- ^ Либман, Джоэл Ф.; Поллак, Ральф М. (сентябрь 1973 г.). «Ароматические переходные состояния и альфа-эффект» . Журнал органической химии . 38 (19): 3444–3445. дои : 10.1021/jo00959a059 . ISSN 0022-3263 .
- ^ Хоз, Шмарьягу (октябрь 1982 г.). «Альфа-эффект: о происхождении стабилизации переходного состояния» . Журнал органической химии . 47 (18): 3545–3547. дои : 10.1021/jo00139a033 . ISSN 0022-3263 .
- ^ Фонтан, КР; Фелкерсон, Кэсси Дж.; Дрискелл, Джереми Д.; Лампа, Брайан Д. (01 марта 2003 г.). «Альфа-эффект при переносе метила от S-метилдибензотиофения фторобората к замещенным N-метилбензогидроксаматам» . Журнал органической химии . 68 (5): 1810–1814. дои : 10.1021/jo0206263 . ISSN 0022-3263 . ПМИД 12608795 .
- ^ Рен, Ю; Яматака, Х. (июль 2007 г.). «Альфа-эффект в газофазных реакциях SN2: существование и происхождение эффекта». Журнал органической химии . 72 (15): 5660–7. дои : 10.1021/jo070650m . ISSN 0022-3263 . ПМИД 17590049 .
- ^ Бунсел, Эрвин; Хм, Ик-Хван (2004). «Альфа-эффект и его модуляция растворителем». Тетраэдр . 60 (36): 7801. doi : 10.1016/j.tet.2004.05.006 .
- ^ А., Кэрролл, Феликс (2010). Взгляды на структуру и механизм органической химии (2-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Джон Уайли. ISBN 9780470276105 . OCLC 286483846 .
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )