Аллиловый штамм - Allylic strain
Аллильный штамм (также известный как штамм A 1,3 , 1,3-аллильный штамм или A-штамм ) в органической химии - это тип энергии штамма, возникающий в результате взаимодействия между заместителем на одном конце олефина (синоним слова алкен) с аллильным заместителем на другом конце. Если заместители (R и R ') имеют достаточно большой размер, они могут стерически мешать друг другу, так что один конформер значительно предпочтительнее другого. Аллический штамм был впервые обнаружен в литературе в 1965 году Джонсоном и Малхотрой. Авторы изучали конформации циклогексана, включая эндоциклические и экзоциклические двойные связи, когда они заметили, что определенные конформации были неблагоприятными из-за ограничений геометрии, вызванных двойной связью. Химики-органики извлекают выгоду из жесткости аллильного штамма для использования в асимметричных реакциях.
Количественная оценка энергии аллильной деформации
«Энергия деформации» молекулы - это величина, которую трудно точно определить, поэтому значение этого термина может легко варьироваться в зависимости от интерпретации. Вместо этого объективный способ взглянуть на аллильную деформацию молекулы - через ее конформационное равновесие. Сравнивая теплоту образования вовлеченных конформеров, можно оценить общую ΔH экв . Этот термин дает информацию об относительной стабильности задействованных конформеров и о влиянии аллильного штамма на равновесие. Теплота образования может быть определена экспериментально с помощью калориметрических исследований; однако чаще используются рассчитанные энтальпии из-за большей простоты получения.
Различные методы, используемые для оценки энтальпии конформационного равновесия, включают: метод Вестхаймера, метод гомоморфа и, проще говоря, использование оцененных энтальпий несвязанных взаимодействий внутри молекулы. Поскольку все эти методы являются приблизительными, указанные значения деформации для одной и той же молекулы могут варьироваться и должны использоваться только для получения общего представления об энергии деформации.
Олефины
Простейшим типом молекул, которые демонстрируют аллильную деформацию, являются олефины. В зависимости от заместителей олефины поддерживают разную степень аллильного штамма. В 3-метил-1-бутене взаимодействия между водородом и двумя метильными группами в аллильной системе вызывают изменение энтальпии, равное 2 ккал / моль. Как и ожидалось, с увеличением размера заместителя энтальпии равновесия между ротамерами также возрастают. Например, при исследовании 4-метил-2-пентена, который содержит 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.
Циклические молекулы
Энергии несвязанного 1,3-диаксиального взаимодействия обычно используются для аппроксимации энергии деформации в циклических молекулах, поскольку доступны значения для этих взаимодействий. Взяв разницу в несвязанных взаимодействиях для каждого конформера, можно оценить равновесную энтальпию. Энергия деформации для метилиденциклогексана была рассчитана и составила 4,5 ккалмоль -1 с использованием оценок для 1,3-диаксиального штамма (0,9 ккалмоль -1 ), метил / водородаллильного штамма (1,3 ккалмоль -1 ) и метил / метилаллильного штамма (7,6 ккалмоль -1 ). ккалмоль −1 ) значения.
Расчетная энергия деформации 1,8-диметилнафталина составляла 7,6 ккалмоль -1 и около 12-15 ккалмоль -1 для 4,5-диметилфенантрена. Аллильная деформация имеет тенденцию быть больше для циклических молекул по сравнению с олефинами, поскольку энергия деформации увеличивается с увеличением жесткости системы. Подробный обзор аллильного штамма в шестичленных кольцах представлен в обзоре Johnson, F.
Влияющие факторы
Несколько факторов влияют на энергетический штраф, связанный с аллильным штаммом. Чтобы снять напряжение, вызванное взаимодействием между двумя метильными группами, циклогексаны часто имеют конформацию «лодочка» или «твист-лодочка» . Конформация «лодочка» обычно является основной конформацией для штамма. Влияние аллильного штамма на цис- алкены создает предпочтение более линейным структурам.
Размер заместителя
Размер заместителей, взаимодействующих в положениях 1 и 3 аллильной группы, часто является самым большим фактором, влияющим на величину напряжения. Как правило, более крупные заместители создают большую величину деформации. Близость громоздких групп вызывает увеличение отталкивающих сил Ван-дер-Ваальса. Это быстро увеличивает величину напряжения. Взаимодействия между водородом и метильной группой в аллильной системе вызывают изменение энтальпии, равное 3,6 ккал / моль. Расчетная энергия деформации в этой системе составила 7,6 ккал / моль из-за взаимодействий между двумя метильными группами.
Заместитель полярность
Полярность также влияет на штамм аллила. С точки зрения стереоселективности полярные группы действуют как большие громоздкие группы. Даже если две группы могут иметь примерно одинаковые значения A, полярная группа будет действовать так, как если бы она была намного крупнее. Это связано с донорным характером полярной группы. Полярные группы увеличивают энергию ВЗМО σ-системы в переходном состоянии. Это приводит к тому, что переходное состояние оказывается в гораздо более благоприятном положении, когда полярная группа не взаимодействует в 1,3-аллильном штамме.
Водородная связь
С некоторыми полярными заместителями в аллильной системе между заместителями может возникать водородная связь . Вместо напряжения, которое обычно возникает в непосредственной близости группы, водородная связь стабилизирует конформацию и делает ее более выгодной с энергетической точки зрения. Этот сценарий имеет место, когда аллильный заместитель в положении 1 является донором водородной связи (обычно гидроксилом ), а заместитель в положении 3 является акцептором водородной связи (обычно простым эфиром ). Даже в тех случаях, когда аллильная система могла приспособиться, чтобы поместить гораздо меньший водород в положение акцептора водородной связи, гораздо более выгодно позволить водородной связи образоваться.
Растворители
Растворители также влияют на аллильный штамм. При использовании в сочетании со знанием влияния полярности на аллильный штамм, растворители могут быть очень полезны для определения конформации продукта, который содержит аллильную структуру в переходном состоянии. Когда объемный и полярный растворитель способен взаимодействовать с одним из заместителей в аллильной группе, комплекс растворителя может энергетически вытеснять объемный комплекс из аллильного штамма в пользу группы меньшего размера.
Конъюгация
Конъюгация увеличивает аллильное напряжение, потому что оно заставляет заместители образовывать такую конфигурацию, которая заставляет их атомы располагаться ближе друг к другу, увеличивая силу отталкивающих сил Ван-дер-Ваальса . Эта ситуация наиболее заметно возникает, когда карбоновая кислота или кетон задействованы в качестве заместителя аллильной группы. Резонансный эффект на карбоксильную группу сдвигает двойную связь CO на гидроксигруппу. Карбоксильная группа, таким образом, будет функционировать как гидроксильная группа, которая будет вызывать образование большого аллильного штамма и отменять стабилизирующие эффекты расширенной конъюгации. Это очень часто встречается в реакциях енолизации, и его можно увидеть на рисунке ниже в разделе «Кислые условия».
В ситуациях, когда молекула может находиться в конъюгированной системе или избегать аллильного штамма, было показано, что основной формой молекулы будет та, которая позволяет избежать деформации. Это было обнаружено путем циклизации на рисунке ниже. При обработке хлорной кислотой молекула A циклизуется в конъюгированную систему, проявляющуюся в молекуле B. Однако молекула перегруппируется (из-за аллильного штамма) в молекулу C, в результате чего молекула C будет основным видом. Таким образом, величина дестабилизации, вызванная аллиической деформацией, перевешивает стабилизацию, вызванную сопряженной системой.
Кислые условия
В случаях, когда енолизация происходит вокруг аллильной группы (обычно как часть циклической системы), штамм 1,3 может сделать реакцию почти невозможной. В этих ситуациях кислотная обработка обычно вызывает протонирование алкена , перемещение двойной связи к карбоксильной группе и превращение ее в гидроксигруппу . Результирующий штамм аллила между спиртом и другой группой, участвующей в аллильной системе, настолько велик, что реакция не может происходить при нормальных термодинамических условиях. Та же самая енолизация происходит намного быстрее в основных условиях, поскольку карбоксильная группа сохраняется в переходном состоянии и позволяет молекуле принять конформацию, которая не вызывает аллильного напряжения.
Применение аллильного штамма в органических реакциях и полном синтезе
Происхождение стереоселективности органических реакций от аллильного штамма
При рассмотрении аллильного штамма необходимо учитывать возможные конформеры и возможные стереоэлектронные требования 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 существует два эффекта аллильного штамма на реакцию: стерический эффект и электронные эффекты. В случае стерического эффекта самая большая группа людей предпочитает находиться дальше всего от алкена. Электронный эффект - это когда орбитали заместителей предпочитают выстраивать анти или вне орбиталей в зависимости от реакции.
Реакция гидроборирования
Реакция гидроборирования является полезной реакцией для функционализации алкенов до спиртов. В реакции триметилсилильная (ТМС) группа выполняет 2 роли, регулируя стереоселективность реакции. Во-первых, громоздкий размер ТМС помог молекуле предпочтительно принять конформацию, в которой ТМС не близка к метильной группе алкена. Во-вторых, группа TMS оказывает стереоэлектронный эффект на молекулу, принимая анти-конформацию к направляющим орбиталям алкена. Для региоселективности реакции группа TMS может стабилизировать развивающийся частичный положительный заряд на вторичном углероде намного лучше, чем метильная группа.
Альдольная реакция
В очень универсальной и широко используемой альдольной реакции Эванса аллильный штамм играл главную роль в развитии реакции. Z енолят был создан, чтобы избежать аллильного штамма с оксазолидиноном. Образование определенного енолята вызывает развитие относительной стереохимии на протяжении всей реакции, что делает альдольную реакцию очень предсказательной и полезной методологией для синтеза хиральных молекул. Абсолютная стереохимия определяется хиральностью оксазолидинона.
Есть еще один аспект альдольной реакции, на который влияет аллильный штамм. Во второй альдольной реакции продукт, который представляет собой 1,3-дикарбонил, образуется с высокой диастереоселективностью. Это связано с тем, что кислотность протона значительно снижается, поскольку для того, чтобы произошло депротонирование, он должен пройти через развивающийся аллильный штамм в неблагоприятной конформации. В предпочтительной конформации протон не выровнен должным образом для того, чтобы произошло депротонирование.
Реакция Дильса-Альдера
Во внутримолекулярной реакции Дильса-Альдера асимметричная индукция может быть индуцирована за счет аллильного 1,3-штамма диена или диенофила. В следующем примере метильная группа диенофила вынудила молекулу принять эту специфическую конформацию 6-членного кольца в молекуле.
В модельных исследованиях по синтезу хлортриколида внутримолекулярная реакция Дильса-Альдера дала смесь диастереомеров. Но при установке объемного заместителя ТМС реакция давала желаемый продукт с высокой диастереоселективностью и региоселективностью с хорошим выходом. Объемный заместитель ТМС способствует усилению штамма 1,3 аллила в конформации молекулы.
Полный синтез натуральных продуктов
В статье семинара по общему синтезу (+) - монензина Киши и его сотрудники использовали аллильный штамм для индукции асимметричной индукции в реакции гидроборирования и окисления. Реакция региоселективная и стереоселективная. Региоселективность реакции обусловлена значительным положительным характером третичного углерода. Стереоселективность реакции обусловлена атакой борана с наименее затрудненной стороны, на которой находится метильная группа.
Рекомендации
Внешние ссылки
- Конспект лекций по продвинутой органической химии (Эванс, Д.А.; Майерс, А.Г., Гарвардский университет, 2006-2007 гг.)