Аллиловый штамм - Allylic strain

Аллиловый штамм в олефине.

Аллиловый штамм (также известен как А1,3 напряжение, 1,3-аллильный штамм, или же Деформация) в органическая химия это тип энергия деформации в результате взаимодействия заместителя на одном конце олефин с аллильным заместителем на другом конце.[1] Если заместители (R и R ') имеют достаточно большой размер, они могут стерически мешать друг другу, так что один конформер пользуется большим преимуществом по сравнению с другими.[2] Аллический штамм был впервые обнаружен в литературе в 1965 году Джонсоном и Малхотрой. Авторы исследовали конформации циклогексана, включая эндоциклические и экзоциклические двойные связи, когда они заметили, что определенные конформации были нежелательными из-за геометрических ограничений, вызванных двойной связью.[3] Химики-органики извлекают выгоду из жесткости аллильного штамма для использования в асимметричных реакциях.[2]

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.[4] Вместо этого объективный способ взглянуть на аллильное напряжение молекулы - через ее конформационное равновесие. Сравнивая теплоту образования вовлеченных конформеров, общая ΔHэкв можно оценить. Этот термин дает информацию об относительной стабильности задействованных конформеров и о влиянии аллильного штамма на равновесие. Теплоты образования могут быть определены экспериментально с помощью калориметрических исследований; однако расчетные энтальпии используются чаще из-за большей простоты получения.[4]

Различные методы, используемые для оценки энтальпии конформационного равновесия, включают: метод Вестхаймера,[5] метод гомоморфа,[6] и, что проще, используя оценочные энтальпии несвязанных взаимодействий внутри молекулы.[3] Поскольку все эти методы являются приближенными, указанные значения деформации для одной и той же молекулы могут варьироваться и должны использоваться только для получения общего представления об энергии деформации.

Олефины

Расчетные энергии вращения для различных конформаций 3-метил-1-бутена.[7] Аллильный 1,3-штамм наиболее распространен в 1c, что делает эту конформацию наивысшей по энергии.

Простейшим типом молекул, которые демонстрируют аллильную деформацию, являются олефины. В зависимости от заместителей олефины поддерживают разную степень аллильного напряжения. В 3-метил-1-бутене взаимодействия между водородом и двумя метильными группами в аллильной системе вызывают изменение энтальпии, равное 2 ккал / моль.[7][требуется проверка ] 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.[7]

Циклические молекулы

Различные штаммы взаимодействия показаны красным. (Остальные водороды для простоты опущены)

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. Расчетная энергия деформации для метилиденциклогексана составляет 4,5 ккалмоль.−1 с использованием оценок для 1,3-диаксиальной деформации (0,9 ккалмоль−1), метил / водородный аллильный штамм (1,3 ккалмоль−1) и метил / метилаллильный штамм (7,6 ккалмоль−1) значения.[2]

Расчетная энергия деформации 1,8-диметилнафталина составила 7,6 ккалмоль.−1 и около 12-15 ккалмоль−1 для 4,5-диметилфенантрена.[2] 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.[2]

1,8-диметилнафталин и 4,5-диметилфенантрен

Влияющие факторы

Несколько факторов влияют на энергетический штраф, связанный с аллильным штаммом. Чтобы снять напряжение, вызванное взаимодействием между двумя метильными группами, циклогексаны часто проявляют форма лодка или твист-лодка. Конформация лодочки обычно является основной конформацией штамма.[2] Влияние аллильного штамма на СНГ алкены создает предпочтение более линейным структурам.[1]

Размер заместителя

Сила аллильной деформации увеличивается с увеличением размера взаимодействующих заместителей.

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.[7] Расчетная энергия деформации в этой системе составила 7,6 ккал / моль из-за взаимодействия между двумя метильными группами.[2]

Заместитель полярность

Полярность также влияет на аллильный штамм. С точки зрения стереоселективности полярные группы действуют как большие громоздкие группы. Хотя две группы могут иметь примерно одинаковые Ценности полярная группа будет действовать так, как если бы она была намного крупнее. Это связано с донорным характером полярной группы. Полярные группы увеличивают HOMO энергия σ-система в переходном состоянии. Это заставляет переходное состояние находиться в гораздо более благоприятном положении, когда полярная группа не взаимодействует с 1,3-аллильным штаммом.[8]

Водородная связь

А представляет собой конформацию, которая встречается в большинстве ситуаций из-за аллильного штамма. Однако, как показано на B, может образоваться водородная связь, которая является энергетически выгодной и нейтрализует неблагоприятное аллильное напряжение. Таким образом, B - наиболее стабильная конформация.

С некоторыми полярными заместителями, водородная связь может находиться в аллильной системе между заместителями. 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 гидроксил ), а заместитель в положении 3 является акцептором водородной связи (обычно эфир ). 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.[9]

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.[10]

Конъюгация

Конъюгация увеличивает аллильную деформацию, поскольку заставляет заместители образовывать такую ​​конфигурацию, которая заставляет их атомы располагаться ближе друг к другу, увеличивая силу отталкивания Силы Ван-дер-Ваальса.[11] 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 вызовет образование большого аллильного штамма и отменит стабилизирующие эффекты расширенной конъюгации. Это очень часто встречается в реакциях енолизации.[2] и его можно увидеть на рисунке ниже в разделе «Кислые условия».

Было показано, что в ситуациях, когда молекула может находиться в конъюгированной системе или избегать штамма аллила, основной формой молекулы будет та, которая исключает штамм. Это было обнаружено путем циклизации на рисунке ниже.[12] 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 из-за аллиической деформации перевешивает стабилизацию, вызванную сопряженной системой.[2]

Молекула A подвергается циклизации после обработки хлорной кислотой. Из-за аллильного штамма в молекуле B было обнаружено, что молекула не проявляет стабилизации конъюгирования и была стабилизирована в образовании, показанном на C. Таким образом, аллильный штамм перевешивает стабилизирующие эффекты конъюгированной системы.

Кислые условия

В случаях, когда енолизация происходит вокруг аллильной группы (обычно как часть циклической системы), A1,3 напряжение может привести к тому, что реакция будет практически невозможной. В этих ситуациях кислотная обработка обычно приводит к превращению алкена в протонированный, перемещая двойную связь в карбоновый группа, изменив его на гидроксильная группа. Результирующий штамм аллила между спиртом и другой группой, участвующей в аллильной системе, настолько велик, что реакция не может происходить при 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, которая не вызывает аллильного напряжения.[13]

Кетоформа (слева) не может подвергаться енолизации в нормальных кислых условиях из-за образования аллильного штамма (в центре). Таким образом, в нормальных термодинамических условиях молекула не может подвергаться бромированию (справа).

Применение аллильного штамма в органических реакциях и полном синтезе

Origin.png

Происхождение стереоселективности органических реакций от аллильного штамма

Когда кто-то рассматривает аллильный штамм, нужно 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 существует 2 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 заключается в том, что орбитали заместителей предпочитают выравнивать анти или вне орбиталей в зависимости от реакции.[14]

Гидроборация 2.png

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 оказывала 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.[15]

Альдольная реакция

В очень универсальной и широко используемой альдольной реакции Эванса[16] аллильный штамм сыграл главную роль в развитии реакции. Z енолят был создан, чтобы избежать аллильного штамма с оксазолидиноном. Образование специфического енолята вызывает развитие относительной стереохимии на протяжении всей реакции, что делает альдольную реакцию очень предсказательной и полезной методологией для синтеза хиральных молекул. Затем 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.

Aldol6.png
Aldol7.png

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[17] метильная группа диенофила вынудила молекулу принять эту специфическую конформацию 6-членного кольца в молекуле.

DielsAlder3.png

В модельных исследованиях по синтезу хлортриколида[18] внутримолекулярная реакция Дильса-Альдера дает смесь диастереомеров. Но при установке объемного заместителя ТМС реакция давала желаемый продукт с высокой диастереоселективностью и региоселективностью с хорошим выходом. Объемный заместитель TMS помогает усилить штамм аллильного 1,3 в конформации молекулы.

DielsAlder.png

Полный синтез натуральных продуктов

В статье семинара о полном синтезе (+) - монензина,[19] Киши и его сотрудники использовали аллильный штамм для индукции асимметричной индукции 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, с которой находится метильная группа.

Monensin.png

Рекомендации

  1. ^ а б Эрик В. Анслин и Деннис А. Догерти Современная физико-органическая химия Книги университетских наук, 2006.
  2. ^ а б c d е ж грамм час я Джонсон, Ф (1968). «Аллильный штамм в шестичленных кольцах». Chem. Ред. 68 (4): 375–413. Дои:10.1021 / cr60254a001.
  3. ^ а б Джонсон, Ф; Малхорта, С. К. (1965). «Стерическая интерференция в аллильных и псевдоаллильных системах. I. Две стереохимические теоремы». Варенье. Chem. Soc. 87 (23): 5492–5493. Дои:10.1021 / ja00951a047.
  4. ^ а б Allinger, N.L .; Хирш, Джерри А .; Миллер, Мэри Энн .; Тыминский, Ирен Дж. (1968). "Конформационный анализ. LXIV. Расчет структур и энергий ненасыщенных углеводородов методом Вестхаймера". Варенье. Chem. Soc. 90 (21): 5773–5780. Дои:10.1021 / ja01023a021.
  5. ^ Eliel, E.L .; Allinger, N.L .; Angyal, S.J .; Моррисон, Г.А. Конформационный анализ Interscience Publishers, Inc., Нью-Йорк, Нью-Йорк, 1965.
  6. ^ Brown, H .; Barbarahs, G.K .; Berneis, H.L .; Bonner, W. H .; Johannesen, M. G .; Грейсон, М. (1953). «Напряженные гомоморфы. 14. Общее резюме». Варенье. Chem. Soc. 75 (1): 1–6. Дои:10.1021 / ja01097a001.
  7. ^ а б c d Хоффман, Р. (1989). «Аллильный 1,3-штамм как контролирующий фактор стереоселективных превращений». Chem. Ред. 89 (8): 1841–1860. Дои:10.1021 / cr00098a009.
  8. ^ Бах, Т; Jodicke K; Kather, K; Frohlich, R (1997). «1,3-Аллильный штамм как элемент управления в реакции Патерно-Бучи хиральных силилэнольных эфиров: синтез диастереомерно чистых оксетанов, содержащих четыре смежных стереогенных центра». Варенье. Chem. Soc. 119 (10): 5315–5316. Дои:10.1021 / ja963827v.
  9. ^ Ramey, B .; Гарднер, П. (1967). «Механизм фотохимического присоединения спирта к альфа, бета-ненасыщенным кетонам». Варенье. Chem. Soc. 89 (15): 3949–3950. Дои:10.1021 / ja00991a078.
  10. ^ МакГарви, G; Уильямс, Дж (1985). «Стереоэлектронные средства контроля аллильной асимметрии. Применение к алкилированию енолятов сложных эфиров». Варенье. Chem. Soc. 107 (5): 1435–1437. Дои:10.1021 / ja00291a067.
  11. ^ Harris, R.K .; Шеппард, Н. (1967). «Комментарии по изучению инверсии цикла циклогексана методом ЯМР». J. Mol. Spectrosc. 23 (2): 231–235. Bibcode:1967JMoSp..23..231H. Дои:10.1016 / 0022-2852 (67) 90015-Х.
  12. ^ Overton, K. H .; Ренфрю, А. Дж. (1967). «Конфигурация C-13 в лабданоловой и эперуовой кислотах». J. Chem. Soc. C: 931–935. Дои:10.1039 / J39670000931.
  13. ^ а б Vaughn, W. R .; Caple, R; Csapilla, J; Шайнер, П. (1965). «β-Бромокислоты. II. Сольволиз циклических β-бромокислот». Варенье. Chem. Soc. 87 (10): 2204. Дои:10.1021 / ja01088a020.
  14. ^ Houk K. N .; Паддон-Роу, М .; Rondan, N .; Wu, Y .; Brown, F .; Spellmeyer, D .; Metz, J .; Ли, У; Loncharich, R .; и другие. (1986). «Теория и моделирование стереоселективных органических реакций». Наука. 231 (4742): 1108. Bibcode:1986Sci ... 231.1108H. Дои:10.1126 / science.3945819.
  15. ^ Флеминг, И. (1988). «Стереоконтроль в органическом синтезе с использованием соединений кремния». Pure Appl. Chem. 60: 71–78. Дои:10.1351 / pac198860010071.
  16. ^ Эванс, Д. А .; Takacs, J.M .; McGee, L.R .; Ennis, M.D .; Mathre, D. J .; Bartroli, J .; и другие. (1981). «Хиральный енолятный дизайн». Pure Appl. Chem. 53 (6): 1109. Дои:10.1351 / pac198153061109.
  17. ^ Ichihara, A .; и другие. (1986). «Стереоселективный тотальный синтез и стереохимия диплодиатоксина, микотоксина из?». Tetrahedron Lett. 27 (12): 1347–1350. Дои:10.1016 / S0040-4039 (00) 84255-0.
  18. ^ Roush, W. R .; Кагеяма, Масанори; Рива, Рената; Браун, Брэдли Б.; Warmus, Joseph S .; Мориарти, Кевин Дж .; и другие. (1991). «Энантиоселективный синтез нижней половины хлортриколида. 3. Изучение стратегии стерической направляющей группы для стереоконтроля во внутримолекулярных реакциях Дильса-Альдера». J. Org. Chem. 56 (3): 1192. Дои:10.1021 / jo00003a049.
  19. ^ Nicolaou, K. C .; и другие. Классика в полном синтезе. Вайли. п. 185.

внешняя ссылка