Оксокарбений - Oxocarbenium

Общая структура иона оксокарбения

An оксокарбений ион (или же оксакарбениевый ион) - химический вид, характеризующийся центральным2-гибридизированный углерод, кислородный заместитель и общий положительный заряд, который делокализован между центральными атомами углерода и кислорода.[1] Ион оксокарбения представлен двумя ограничивающими резонансными структурами, одна в виде иона карбения с положительным зарядом на углероде, а другая в виде частиц оксония с формальным зарядом на кислороде. Как резонансный гибрид, истинная структура находится между ними двумя. По сравнению с нейтральными карбонильными соединениями, такими как кетоны или сложные эфиры, форма карбениевого иона вносит больший вклад в структуру. Они являются обычными реактивными промежуточными продуктами при гидролизе гликозидные связи, и являются часто используемой стратегией для химическое гликозилирование. Эти ионы с тех пор были предложены в качестве реактивных промежуточных продуктов в широком диапазоне химических превращений и были использованы в полном синтезе нескольких природных продуктов. Кроме того, они обычно появляются в механизмах катализируемого ферментами биосинтеза и гидролиза углеводов в природе. Антоцианы естественны флавилий красители, которые представляют собой стабилизированные соединения оксокарбения. Антоцианы отвечают за окраску самых разных распространенных цветов, таких как анютины глазки и съедобные растения, такие как баклажан и черника.

Распределение электронов и реакционная способность

Лучшая структура Льюиса для иона оксокарбения содержит кислородно-углеродный двойная связь, с атомом кислорода, присоединенным к дополнительной группе и, следовательно, приобретающим формальный положительный заряд. На языке канонических структур (или «резонанса») поляризация π-связи описывается формой вторичного карбокатионного резонанса с формальным положительным зарядом на углероде (см. Выше). С точки зрения пограничная теория молекулярных орбиталей, то Самая низкая незанятая молекулярная орбиталь (НСМО) иона оксокарбения представляет собой π * -орбиталь, большая доля которой находится на атоме углерода; чем больше электроотрицательный кислород вносит меньший вклад в НСМО. Следовательно, в случае нуклеофильная атака, углерод - это электрофильный участок. По сравнению с кетон поляризация иона оксокарбения усиливается: они больше напоминают «настоящий» карбокатион и более реактивны по отношению к нуклеофилам. В органических реакциях кетоны обычно активируются путем координации Кислота Льюиса или же Кислота Бренстеда к кислороду с образованием иона оксокарбения в качестве промежуточного соединения.

Численно типичный частичный заряд (полученный из вычислений Хартри-Фока) карбонильного углерода кетона R2C = O (как ацетон) δ + = 0,51. При добавлении кислого водорода к атому кислорода для получения [R2C = OH]+, частичный заряд увеличивается до δ + = 0,61. Для сравнения, азотные аналоги кетонов и ионов оксокарбения, имины (R2C = NR) и иминия ([R2C = NRH]+) соответственно имеют частичный заряд δ + = 0,33 и δ + = 0,54 соответственно. Таким образом, порядок частичного положительного заряда карбонильного углерода имин <кетон <иминий <оксокарбений.

C = Xelectrophilicity.png

Это также порядок электрофильности для частиц, содержащих связи C = X (X = O, NR). Этот порядок имеет синтетическое значение и объясняет, например, почему восстановительные аминирования часто лучше всего проводить при pH от 5 до 6, используя цианоборгидрид натрия (Na+[ЧАС3B (CN)]−) или триацетоксиборгидрид натрия (Na+[HB (OAc)3]−) в качестве реагента. Цианоборгидрид натрия и триацетоксиборгидрид натрия, содержащие электроноакцепторную группу, являются более плохими восстановителями, чем боргидрид натрия, и их прямая реакция с кетонами обычно является медленным и неэффективным процессом. Однако ион иминиума (но не сам имин) образовывал на месте во время реакции восстановительного аминирования является более сильным электрофилом, чем исходный кетон, и будет реагировать с источником гидрида с синтетически полезной скоростью. Важно отметить, что реакция проводится в умеренно кислых условиях, которые протонируют иминный промежуточный продукт в значительной степени, образуя иминиевый ион, но при этом недостаточно сильнокислый, чтобы протонировать кетон, который мог бы образовать еще более электрофильный оксокарбениевый ион. Таким образом, условия реакции и реагент гарантируют, что амин образуется селективно из восстановления иминия, вместо прямого восстановления карбонильной группы (или ее протонированной формы) с образованием спирта.

Формирование

Образование ионов оксокарбения может происходить несколькими различными путями. Чаще всего кислород кетона связывается с Кислота Льюиса, который активирует кетон, делая его более эффективным электрофилом. Кислота Льюиса может представлять собой широкий спектр молекул, от простого атома водорода до комплексов металлов. Остальная часть этой статьи будет сосредоточена на ионах алкилоксокарбения, однако, где атом, добавленный к кислороду, является углеродом. Один из способов образования такого иона - это устранение из уходящая группа. В химии углеводов эта уходящая группа часто является эфир или же сложный эфир. Альтернативой элиминированию является прямое депротонирование молекулы с образованием иона, однако это может быть трудным и требует для достижения сильных оснований.

Образование иона оксокарбения

Приложения к синтезу

5-членные кольца

Предлагаемое 5-членное переходное состояние оксокарбения

В стереохимия участвующие в реакциях пятичленные кольца можно предсказать с помощью модели переходного состояния оболочки. Нуклеофилы предпочитают добавление «изнутри» оболочки или сверху рисунка справа. «Внутреннее» сложение дает результат шахматное строение, а не затмение что является результатом "внешнего" дополнения.[2]

Woerpel 1999.png

6-членные кольца

Модель переходного состояния шестичленного оксокарбениевого кольца

Модель переходного состояния для шестичленного оксокарбениевого кольца была предложена ранее в 1992 году Woods et al.[3] Общая стратегия определения стереохимии нуклеофильного присоединения к шестичленному кольцу следует той же процедуре, что и в случае пятичленного кольца. Предположение, которое делается для этого анализа, состоит в том, что кольцо находится в той же конформации, что и циклогексен, с тремя атомами углерода и кислородом в плоскости с двумя другими атомами углерода, сморщенными из плоскости, один вверху и один внизу (см. рисунок справа). На основе заместителей, присутствующих в кольце, определяется конформация с наименьшей энергией, принимая во внимание стерические и стероэлектронные эффекты (см. Раздел ниже для обсуждения стереоэлектронных эффектов в оксокарбениевых кольцах). Как только эта конформация установлена, можно рассматривать нуклеофильное присоединение. Добавление будет проходить через переходное состояние низкоэнергетического кресла, а не через относительно высокоэнергетическую крутящуюся лодку. Пример такого типа реакции можно увидеть ниже. Пример также подчеркивает, как стереоэлектронный эффект, оказываемый электроотрицательным заместителем, переворачивает конформацию с наименьшей энергией и приводит к противоположной селективности.[4]

6-Membered Oxocarbenium.png

Стереоэлектронные эффекты

В алкен кольцо, которое не содержит атом кислорода, любой большой заместитель предпочитает находиться в экваториальном положении, чтобы минимизировать стерические эффекты. В кольцах, содержащих ионы оксокарбения, наблюдалось, что электроотрицательный заместители предпочитают осевой или псевдоосевые позиции. Когда электроотрицательный атом находится в осевом положении, его электронная плотность может быть передана через пространство положительно заряженному атому кислорода в кольце.[5] Это электронное взаимодействие стабилизирует осевую конформацию. Гидроксил группы, эфиры и галогены являются примерами заместителей, которые демонстрируют это явление. Стереоэлектронные эффекты необходимо учитывать при определении конформации с наименьшей энергией в анализе для нуклеофильное присоединение к иону оксокарбения.[4][6]

Axialoxo.png

Циклоприсоединения

В органическом синтезе ионы винилоксокарбения (структура справа) могут использоваться в широком диапазоне циклоприсоединение реакции. Они обычно используются как диенофилы в Реакция Дильса – Альдера. Электроноакцепторный кетон часто добавляют к диенофилу для увеличения скорости реакции,[7] и эти кетоны часто превращаются в ионы винилоксокарбения во время реакции [8] Неясно, обязательно ли образуется ион оксокарбения, но Roush и соавторы продемонстрировали промежуточное соединение оксокарбения при циклизации, показанной ниже. В этой реакции наблюдали два продукта, которые могли образоваться только в том случае, если оксокарбениевое кольцо присутствовало в качестве промежуточного соединения.[9] Сообщалось также о [4 + 3], [2 + 2], [3 + 2] и [5 + 2] циклоприсоединениях с промежуточными соединениями оксокарбения.[8]

Oxointermediate.png

Альдольная реакция

Хиральные оксокарбениевые ионы используются для проведения высоко диастереоселективных и энантиоселективных реакций альдольного присоединения ацетата.[10] Ион оксокарбения используется в качестве электрофил в реакции. Когда метильная группа увеличивается в размере, диастереоселективность увеличивается.

Oxoaldol.png

Примеры из полного синтеза

Ионы оксокарбения несколько раз использовались в полном синтезе. Основная субъединица (+) - клавозолида была синтезирована с восстановлением шестичленного оксокарбениевого кольца. Все большие заместители были обнаружены в экваториальном положении, и преобразование прошло через переходное состояние кресла, как и предсказывалось.[11]

Clavosolide.png

Второй пример можно увидеть на ключевой стадии синтеза (-) - неопельтолида, в котором используется восстановление шестичленного оксокарбениевого кольца для диастереоселективного присоединения гидрида.[12]

Neopeltolide.png

Приложения к биологии

В биологических системах ионы оксокарбения в основном наблюдаются во время реакций углеводы. Поскольку сахара присутствуют в составе нуклеиновые кислоты, с рибоза сахар присутствует в РНК и дезоксирибоза присутствует в составе ДНК их химический состав играет важную роль в широком спектре клеточных функций нуклеиновых кислот. В дополнение к их функциям в нуклеотидах, сахара также используются для структурных компонентов организмов, как молекулы хранения энергии, сигнальные молекулы клеток, модификации белков и играют ключевую роль в иммунная система, оплодотворение, предотвращая патогенез, свертывание крови, и разработка.[13] Обилие химии сахара в биологических процессах приводит к тому, что многие механизмы реакции протекают через ионы оксокарбения. В этом разделе описаны несколько важных биологических реакций, в которых используются ионы оксокарбения.

Биосинтез нуклеотидов

Нуклеотиды могут подвергаться катализируемой ферментами внутримолекулярной циклизации с образованием нескольких важных биологических молекул. Эти циклизации обычно протекают через оксокарбениевое промежуточное соединение. Пример этой реакции можно увидеть в циклизации циклическая АДФ рибоза, который является важной молекулой для внутриклеточного кальциевая сигнализация.[14]

Гликозидазы

А гликозидаза это фермент, который катализирует распад гликозидная связь для производства двух сахаров меньшего размера. Этот процесс имеет важные последствия для использования накопленной энергии, например гликоген у животных, а также при распаде целлюлоза организмами, питающимися растениями. Как правило, остатки аспарагиновой или глутаминовой кислоты в активном центре фермента катализируют гидролиз гликозидной связи. Механизм действия этих ферментов включает промежуточное соединение иона оксокарбения, общий пример которого показан ниже.[15]

Sugarhydrolysis.png

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ ИЮПАК, Сборник химической терминологии, 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) "ион карбения ". Дои:10.1351 / goldbook.C00812
  2. ^ Larsen, C.H .; Ridgway, B.H .; Shaw, J. T .; Вёрпель, К. А. (1999), "Стереоэлектронная модель для объяснения высокостереоселективных реакций нуклеофилов с пятичленными кольцами оксокарбениевыми ионами", Журнал Американского химического общества, 121 (51): 12208–12209, Дои:10.1021 / ja993349z
  3. ^ Woods, R.J .; Andrews, C.W .; Боуэн, Дж. П. (1992), "Молекулярно-механические исследования свойств ионов оксокарбения. 2. Применение к гидролизу гликозидов", Журнал Американского химического общества, 114 (3): 859–864, Дои:10.1021 / ja00029a008
  4. ^ а б Romero, J.A.C .; Tabacco, S.A .; Вёрпель, К. А. (1999), "Стереохимическое обращение реакций нуклеофильного замещения в зависимости от заместителя: реакции гетероатом-замещенных шестичленных ионов оксокарбения в кольце через псевдоаксиальные конформеры", Журнал Американского химического общества, 122: 168–169, Дои:10.1021 / ja993366o
  5. ^ Miljkovic, M. i .; Yeagley, D .; Deslongchamps, P .; Дори, Ю. Л. (1997), "Экспериментальные и теоретические доказательства электростатической стабилизации зарождающегося иона оксокарбения в пространстве через аксиально-ориентированный электроотрицательный заместитель во время ацетолиза гликопиранозида", Журнал органической химии, 62 (22): 7597–7604, Дои:10.1021 / jo970677d
  6. ^ Хансен, Томас; Лебедель, Людивин; Remmerswaal, Wouter A .; ван дер Ворм, Стефан; Wander, Деннис П. А .; Сомерс, Марк; Overkleeft, Herman S .; Филиппов, Дмитрий В .; Дезире, Жером; Мингот, Аньес; Блерио, Ив (2019-04-18). «Определение SN1-стороны реакций гликозилирования: стереоселективность гликопиранозильных катионов». ACS Central Science. 5 (5): 781–788. Дои:10.1021 / acscentsci.9b00042. ISSN  2374-7943.
  7. ^ Воллхардт; Берег (2009). Органическая химия. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: W.H. Freeman and Co.
  8. ^ а б Harmata, M .; Рашатасахон, П. (2003), «Реакции циклоприсоединения ионов винилоксокарбения», Тетраэдр, 59 (14): 2371–2395, Дои:10.1016 / с0040-4020 (03) 00253-9
  9. ^ Roush, M .; Gillis, P .; Эссенфельд, А. (1984), "Внутримолекулярные реакции Дильса-Альдера, катализируемые плавиковой кислотой", Журнал органической химии, 49 (24): 4674–4682, Дои:10.1021 / jo00198a018
  10. ^ Kanwar, S .; Trehan, S. (2005), "Ацетатно-альдольные реакции хиральных оксокарбениевых ионов", Буквы Тетраэдра, 46 (8): 1329–1332, Дои:10.1016 / j.tetlet.2004.12.116
  11. ^ Carrick, J.D .; Дженнингс, М. П. (2009), "Эффективный формальный синтез (-) - клавозолида a с" несоответствующим "стереоселективным восстановлением оксокарбения", Органические буквы, 11 (3): 769–772, Дои:10.1021 / ol8028302
  12. ^ Martinez-Solorio, D .; Дженнингс, М. П. (2010), «Формальный синтез (-) - неопельтолида с высокостереоселективной последовательностью образования / восстановления оксокарбения», Журнал органической химии, 75 (12): 4095–4104, Дои:10.1021 / jo100443h
  13. ^ Матон, Антея; Жан Хопкинс; Чарльз Уильям Маклафлин; Сьюзан Джонсон; Марианна Куон Уорнер; Дэвид ЛаХарт; Джилл Д. Райт (1993). Биология человека и здоровье. Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси, США: Прентис Холл. стр.52–59. ISBN  0-13-981176-1.
  14. ^ Muller-Steffner, H.M .; Августин, А .; Шубер, Ф. (1996), "Механизм циклизации пиридиновых нуклеотидов НАД + гликогидролаза бычьей селезенки", Журнал биологической химии, 271 (39): 23967–23972, Дои:10.1074 / jbc.271.39.23967, PMID  8798630
  15. ^ Zechel, D.L .; Холерс, С.Г. (2000). «Механизмы гликозидазы: анатомия точно настроенного катализатора». Отчеты о химических исследованиях. 33 (1): 11–18. Дои:10.1021 / ar970172. ISSN  0001-4842. PMID  10639071.