stringtranslate.com

Внутримолекулярная реакция

В химии термин « внутримолекулярный » описывает процесс или характеристику, ограниченную структурой одной молекулы , свойство или явление, ограниченное пределами одной молекулы.

Относительные ставки

В внутримолекулярных органических реакциях два реакционных центра содержатся в одной молекуле. Такая конфигурация повышает эффективную концентрацию реагирующих партнеров, что приводит к высоким скоростям реакции . Наблюдается много внутримолекулярных реакций, в которых межмолекулярная версия не происходит.

Внутримолекулярные реакции, особенно те, которые приводят к образованию 5- и 6-членных колец, протекают быстрее по сравнению с аналогичным межмолекулярным процессом. Это в значительной степени является следствием сниженной энтропийной стоимости достижения переходного состояния образования кольца и отсутствия значительного напряжения, связанного с образованием колец таких размеров. Для образования колец разных размеров посредством циклизации субстратов с различной длиной связи порядок скоростей реакции (константы скорости k n для образования n -членного кольца) обычно составляет k 5 > k 6 > k 3 > k 7 > k 4 , как показано ниже для ряда ω-бромалкиламинов. Эта несколько сложная тенденция скорости отражает взаимодействие этих энтропийных и деформационных факторов:

Для «малых колец» ( 3- и 4-членных ) низкие скорости являются следствием углового напряжения, испытываемого 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 того, что они встретятся в реакционноспособной конформации. Те же рассуждения справедливы для «ненапряженных колец» ( 5-, 6- и 7-членных ). Образование «средних колец» ( 8-13-членных ) особенно неблагоприятно из-за комбинации все более неблагоприятных энтропийных затрат и дополнительного присутствия трансаннулярного напряжения , возникающего из-за стерических взаимодействий по всему кольцу. Наконец, для «больших колец» ( 14-членных и более ) 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.

Примеры

Многие реакции в органической химии могут происходить как внутримолекулярно, так и межмолекулярно. Некоторые реакции по определению являются внутримолекулярными или практикуются только внутримолекулярно, например,

RCHO + CH 2 =CHR' → RC(O)CH 2 CH 2 R'
Реакция циклизации Назарова
Реакция циклизации Назарова

Некоторые преобразования, которые активизируются или усиливаются внутримолекулярно. Например, ацилоиновая конденсация диэфиров почти однозначно производит 10-членные карбоциклы, которые трудно построить иным способом. [5] Другим примером является 2+2 циклоприсоединение норборнадиена с получением квадрициклана .

Инструменты и концепции

Было разработано много инструментов и концепций для использования преимуществ внутримолекулярных циклизаций. Например, установка больших заместителей использует эффект Торпа-Ингольда . Реакции с высоким разбавлением подавляют межмолекулярные процессы. Один набор инструментов включает связывание, как обсуждается ниже.

Связанные внутримолекулярные [2+2] реакции

Связанные внутримолекулярные [2+2] реакции влекут за собой образование циклобутана и циклобутанона посредством внутримолекулярных 2+2 фотоциклоприсоединений . Связывание обеспечивает образование многоциклической системы.

Связанные внутримолекулярные [2+2] реакции

Длина связки влияет на стереохимический результат реакции [2+2]. Более длинные связки имеют тенденцию генерировать «прямой» продукт, где конечный углерод алкена связан с -углеродом енона . [ 6] Когда связка состоит только из двух атомов углерода, образуется «изогнутый» продукт, где -углерод енона связан с конечным углеродом алкена. [7]

Влияние длины привязки на реакцию фотоциклизации [2+2]

Связанные реакции [2+2] использовались для синтеза органических соединений с интересными кольцевыми системами и топологиями . Например, фотоциклизация [2+2] использовалась для построения трициклической структуры ядра в гинкголиде B. [8]

Связанная реакция [2+2] в общем синтезе ( +) - Гинкголида B

Молекулярные привязи

В противном случае межмолекулярные реакции можно временно сделать внутримолекулярными, связав оба реагента с помощью связки со всеми преимуществами, связанными с этим. Популярные варианты связки содержат карбонатный эфир , бороновый эфир , силиловый эфир или силилацетальную связь ( силиконовые связки ) [9] [10] , которые довольно инертны во многих органических реакциях, но могут быть расщеплены определенными реагентами. Основным препятствием для работы этой стратегии является выбор правильной длины связки и обеспечение оптимальной ориентации реактивных групп по отношению друг к другу. Примером является реакция Паусона-Ханда алкена и алкина, связанных вместе с помощью силилового эфира. [11]

Кремниевый трос Паусона-Ханда

В этой конкретной реакции угол привязки, объединяющий реакционноспособные группы, эффективно уменьшается путем размещения изопропиловых групп на атоме кремния посредством эффекта Торпа-Ингольда . Реакция не происходит, когда эти объемные группы заменяются меньшими метильными группами. Другим примером является фотохимическое [2+2] циклоприсоединение с двумя алкеновыми группами, связанными через кремниевую ацетальную группу (рацемическую, другой энантиомер не изображен), которая впоследствии расщепляется TBAF , давая эндо-диол.

Циклоприсоединительный кремниевый трос

Без связи образуется экзоизомер . [12]

Ссылки

  1. ^ Streitwieser, Andrew; Heathcock, Clayton H.; Kosower, Edward M. (2017). Введение в органическую химию . Нью-Дели: Medtech (Scientific International, перепечатка 1998 пересмотренного 4-го издания, Macmillan). стр. 198. ISBN 9789385998898.
  2. ^ Джонатан Клейден (2001). Органическая химия. Оксфорд: Oxford University Press. С. 454]. ISBN 0198503474. OCLC  43338068.
  3. ^ Майкл С. Уиллис (2009). «Гидроацилирование алкенов и алкинов, катализируемое переходными металлами». Chem. Rev. 110 (2): 725–748. doi :10.1021/cr900096x. PMID  19873977.
  4. ^ Лампман, Гэри М.; Аумиллер, Джеймс К. (1971). "Бицикло[1.1.0]бутан". Органические синтезы . 51 : 55. doi :10.15227/orgsyn.051.0055.
  5. ^ Смит, Майкл Б.; Марч, Джерри (2007), Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure (6-е изд.), Нью-Йорк: Wiley-Interscience, стр. 1461, ISBN 978-0-471-72091-1
  6. ^ Коутс, Р. М.; Сентер, П. Д.; Бейкер, В. Р. (1982). «Расширение аннелативного кольца посредством внутримолекулярного [2 + 2] фотоциклоприсоединения α,β-ненасыщенных γ-лактонов и восстановительного расщепления: синтез гидроциклопентациклооктен-5-карбоксилатов». J. Org. Chem . 47 (19): 3597. doi :10.1021/jo00140a001.
  7. ^ Тамура, Ю.; Кита, Ю.; Исибаши, Х.; Икеда, М. (1971). «Внутримолекулярное фотоциклоприсоединение 3-аллилокси- и 3-аллиламиноциклогекс-2-енонов: образование окса- и аза-бицикло[2,1,1]гексанов». Дж. Хим. Соц. Д.​ 19 (19): 1167. doi : 10.1039/C29710001167.
  8. ^ Corey, EJ; Kang, MC; Desai, MC; Ghosh, AK; Houpis, IN (1988). "Полный синтез (.+-.)-Ginkgolide B". J. Am. Chem. Soc . 110 (2): 649–651. doi :10.1021/ja00210a083. PMC 6746322. PMID  31527923 . 
  9. ^ Кокс, Лиам Р.; Лей, Стивен В. (2007). «Использование временной связи в органическом синтезе». В Дидерихе, Франсуа; Станг, Питер Дж. (ред.). Шаблонный органический синтез . стр. 274–395. doi :10.1002/9783527613526. ISBN 9783527296668.
  10. ^ Брейсгердл, С.; Андерсон, Е.А. (2010). «Последние достижения в использовании временных кремниевых привязей в реакциях с участием металлов». Chem. Soc. Rev. 39 ( 11): 4114–4129. doi :10.1039/C0CS00007H. PMID  20838677.
  11. ^ Доббс, А.; Миллер, И.; Мартинович, С. (2007). «Использование кремниевых привязей для реакции Посона-Ханда». Журнал органической химии Beilstein . 2007 (3): 21. doi : 10.1186/1860-5397-3-21 . PMC 1949821. PMID  17617903 . 
  12. ^ Букер-Милберн, Кевин И.; Гултен, Сирин; Шарп, Эндрю (1997). «Диастереоселективные внутримолекулярные фотохимические реакции [2 + 2] циклоприсоединения тетрагидрофталимидов, полученных из связанного l-(+)- валинола ». Chem. Commun. 1997 (15): 1385–1386. doi :10.1039/a702386c.