В химии внутримолекулярный описывает процесс или характеристику, ограниченную структурой одной молекулы , свойство или явление , ограниченное пределами одной молекулы.
Во внутримолекулярных органических реакциях в одной молекуле содержатся два реакционных центра. Эта конфигурация повышает эффективную концентрацию реагирующих партнеров, что приводит к высокой скорости реакции . Многие внутримолекулярные реакции наблюдаются там, где межмолекулярный вариант не протекает.
Внутримолекулярные реакции, особенно приводящие к образованию 5- и 6-членных колец, протекают быстро по сравнению с аналогичным межмолекулярным процессом. Во многом это является следствием снижения энтропийной стоимости достижения переходного состояния образования колец и отсутствия значительных напряжений, связанных с образованием колец таких размеров. Для образования колец разного размера путем циклизации субстратов различной длины связи порядок скоростей реакций (константы скорости k n для образования n -членного кольца) обычно следующий: k 5 > k 6 > k 3 > k 7 > k 4 , как показано ниже для ряда ω-бромалкиламинов. Этот несколько сложный тренд отражает взаимодействие этих энтропийных факторов и факторов деформации:
Для «маленьких колец» ( 3- и 4-членных ) низкие скорости являются следствием угловой деформации , возникающей в переходном состоянии. Хотя трехчленные кольца более напряжены, образование азиридина происходит быстрее, чем образование азетидина из-за близости уходящей группы и нуклеофила в первом, что увеличивает вероятность их встречи в реакционноспособной конформации. Те же рассуждения справедливы и для «недеформированных колец» ( 5-, 6- и 7-членных ). Образование «колец среднего размера» ( от 8 до 13 членов ) особенно неблагоприятно из-за сочетания все более неблагоприятных энтропийных затрат и дополнительного присутствия трансаннулярной деформации , возникающей в результате стерических взаимодействий поперек кольца. Наконец, для «больших колец» ( 14-членных или выше ) константы скорости выравниваются, поскольку расстояние между уходящей группой и нуклеофилом теперь настолько велико, что реакция теперь фактически является межмолекулярной. [1] [2]
Хотя детали могут несколько меняться, общие тенденции сохраняются для различных внутримолекулярных реакций, включая процессы, опосредованные радикалами и (в некоторых случаях) катализируемые переходными металлами.
Многие реакции в органической химии могут протекать как внутримолекулярно, так и межмолекулярно. Некоторые реакции по определению являются внутримолекулярными или осуществляются только внутримолекулярно, например,
Некоторые преобразования, которые активируются или усиливаются внутримолекулярно. Например, ацилоиновая конденсация диэфиров почти всегда приводит к образованию 10-членных карбоциклов, которые иначе трудно построить. [5] Другим примером является 2+2 циклоприсоединение норборнадиена с образованием квадрициклана .
Для использования преимуществ внутримолекулярной циклизации было разработано множество инструментов и концепций. Например, установка крупных заместителей использует эффект Торпа-Ингольда . Реакции высоких разбавлений подавляют межмолекулярные процессы. Один набор инструментов включает в себя привязку, как описано ниже.
Связанные внутримолекулярные [2+2] реакции влекут за собой образование циклобутана и циклобутанона посредством внутримолекулярных 2+2 фотоциклоприсоединения . Тетеринг обеспечивает формирование многоцикловой системы.
Длина привязки влияет на стереохимический результат реакции [2+2]. Более длинные привязки имеют тенденцию образовывать «прямой» продукт , в котором концевой углерод алкена связан с -углеродом енона . [6] Когда связка состоит только из двух атомов углерода, образуется «изогнутый» продукт, где -углерод енона соединяется с концевым углеродом алкена. [7]
Связанные реакции [2+2] использовались для синтеза органических соединений с интересными кольцевыми системами и топологиями . Например, фотоциклизация [2+2] была использована для построения трициклической основной структуры гинкголида B. [8]
В противном случае межмолекулярные реакции можно временно сделать внутримолекулярными, соединив оба реагента привязью со всеми вытекающими из этого преимуществами. Популярные варианты привязей содержат сложный эфир карбоната , эфир бороновой кислоты , силиловый эфир или силилацетальную связь ( кремниевые привязки ) [9] [10] , которые довольно инертны во многих органических реакциях, но могут быть расщеплены определенными реагентами. Основным препятствием на пути реализации этой стратегии является выбор правильной длины троса и обеспечение оптимальной ориентации реактивных групп относительно друг друга. Примером может служить реакция Паусона-Кханда, в которой алкен и алкин связаны вместе силиловым эфиром. [11]
В этой конкретной реакции угол привязки, соединяющий реакционноспособные группы вместе, эффективно уменьшается за счет размещения изопропильных групп на атоме кремния посредством эффекта Торпа-Ингольда . Когда эти объемистые группы заменяются более мелкими метильными группами, реакции не происходит. Другим примером является фотохимическое [2+2] циклоприсоединение с двумя алкеновыми группами, связанными через ацеталь кремния (рацемическая, другой энантиомер не показан), которая впоследствии расщепляется TBAF с образованием эндодиола.
Без привязки образуется экзо-изомер . [12]
