stringtranslate.com

Аномерный эффект

α- и β-аномеры D - глюкопиранозы .

В органической химии аномерный эффект или эффект Эдварда-Лемье (по имени Дж. Т. Эдварда и Раймона Лемье ) — это стереоэлектронный эффект , который описывает тенденцию гетероатомных заместителей , соседних с гетероатомом внутри циклогексанового кольца, отдавать предпочтение аксиальной ориентации вместо менее затрудненной. экваториальная ориентация, которую можно было бы ожидать из стерических соображений. [1] Этот эффект впервые наблюдался в кольцах пиранозы Дж. Т. Эдвардом в 1955 году при изучении химии углеводов .

Термин «аномерный эффект» был введен в 1958 году. [2] Название происходит от термина, используемого для обозначения углерода в кольце пиранозы с наименьшим номером, аномерного углерода . Изомеры , различающиеся только конфигурацией аномерного углерода, называются аномерами . Аномеры D -глюкопиранозы представляют собой диастереомеры , причем бета- аномер имеет гидроксильную группу ( -OH ) направленную вверх экваториально, а альфа- аномер имеет эту группу ( -OH ) направленную вниз по оси.

Аномерный эффект также можно обобщить на любую циклогексиловую или линейную систему с общей формулой C-Y-C-X , где Y представляет собой гетероатом с одной или несколькими неподеленными парами , а X представляет собой электроотрицательный атом или группу. [3] Величина аномерного эффекта оценивается примерно в 1–2 ккал/моль в случае сахаров, но различна для каждой молекулы.

В приведенном выше случае метоксигруппа -O-CH 3 ) циклогексанового кольца (вверху ) предпочитает экваториальное положение. Однако в тетрагидропирановом кольце (внизу) метоксигруппа предпочитает аксиальное положение. Это связано с тем, что в циклогексановом кольце Y = углерод, который не является гетероатомом, поэтому аномерный эффект не наблюдается, и стерические свойства доминируют над наблюдаемым положением заместителя. В тетрагидропирановом кольце Y = кислород, который является гетероатомом, поэтому аномерный эффект способствует и стабилизирует наблюдаемое положение заместителя. В обоих случаях X = метоксигруппа.

Аномерный эффект чаще всего наблюдается, когда Y = кислород, но его также можно наблюдать и с другими неподеленными парами, содержащими гетероатомы в кольце, такими как азот, сера и фосфор. [4] Точный метод, с помощью которого аномерный эффект вызывает стабилизацию, является предметом споров, и для его объяснения было предложено несколько гипотез.

Физическое объяснение и противоречие

Физическая причина аномерного эффекта до конца не ясна. Было предложено несколько, частично противоречивых объяснений, но тема до сих пор не решена. [5]

Гиперконъюгация

Циклические молекулы

Широко распространенное объяснение состоит в том, что существует стабилизирующее взаимодействие ( гиперконъюгация ) между неподеленной электронной парой на эндоциклическом гетероатоме (внутри сахарного кольца) и σ*-орбиталью аксиальной (экзоциклической) связи C–X. [6] Это заставляет молекулу выравнивать отдающую неподеленную пару электронов антиперипланарно (180 °) к экзоциклической σ-связи CX, снижая общую энергию системы и вызывая большую стабильность. [7]

Некоторые авторы также подвергают сомнению обоснованность этой модели гиперсопряжения, основанной на результатах квантовой теории атомов в молекулах . [8] Хотя большинство исследований аномерных эффектов носили теоретический характер, гипотеза n–σ* (гиперконъюгации) также подвергалась широкой критике на том основании, что перераспределение электронной плотности в ацеталях, предложенное этой гипотезой, не соответствует известным экспериментальная химия ацеталей и, в частности, химия моносахаридов. [9] [10]

Ациклические молекулы

Гиперконъюгация также обнаруживается в ациклических молекулах, содержащих гетероатомы, что является еще одной формой аномерного эффекта. Если в молекуле есть атом с неподеленной парой электронов и соседний атом способен принять электроны на σ*-орбиталь, происходит гиперконъюгация, стабилизирующая молекулу. Это образует резонансную форму «без связи». Чтобы произошло такое перекрытие орбиталей, для большинства гетероатомов предпочтительна транс- , транс- конформация, однако для того, чтобы произошла стабилизация в диметоксиметане , конформация гош , гош примерно на 3–5 ккал/моль ниже по энергии (более стабильна), чем транс-конформация . , транс- конформация - это примерно в два раза больше, чем эффект в сахарах, поскольку затрагиваются две вращающиеся связи (следовательно, это транс вокруг обеих связей или гош вокруг обеих). [11]

Минимизация диполя

Другое общепринятое объяснение аномерного эффекта заключается в том, что в экваториальной конфигурации диполи, включающие оба гетероатома, частично выровнены и, следовательно, отталкиваются друг друга. [12] Напротив, в осевой конфигурации эти диполи примерно противоположны, что представляет собой более стабильное и более низкоэнергетическое состояние.

Как гиперконъюгация, так и минимизация диполя способствуют предпочтительной (Z)-конформации сложных эфиров по сравнению с (E)-конформацией. В конформации (Z) неподеленная пара электронов альфа-кислорода может отдавать деньги на соседнюю орбиталь σ* CO. При этом диполь минимизируется в (Z)-конформации и максимизируется в (E)-конформации. [7]

Отталкивание nn и водородная связь CH

Если показаны неподеленные пары электронов атомов кислорода в аномерном центре 2-метоксипирана, то краткое рассмотрение конформаций аномеров показывает, что β-аномер всегда имеет хотя бы одну пару затмевающих (компланарных 1,3- взаимодействуя) неподеленные пары, это отталкивание представляет собой высокоэнергетическую ситуацию. С другой стороны, α-аномер имеет конформации, в которых нет nn-отталкиваний, и это справедливо для экзоаномерной конформации. Было высказано предположение о энергетически невыгодном отталкивании nn, присутствующем в β-аномере, в сочетании с энергетически выгодной водородной связью между аксиальным H-5 и неподеленной парой электронов на аксиальном α-аномерном заместителе (водородная связь CH/n). ссылки 7 и 8], чтобы объяснить большую часть энергетической разницы между аномерами, аномерный эффект. Программа молекулярной механики StruMM3D, которая специально не параметризована для аномерного эффекта, оценивает, что диполярный вклад в аномерный эффект (в первую очередь отталкивание nn и водородная связь CH, обсуждавшаяся выше) составляет около 1,5 ккал / моль.

Влияния

Хотя аномерный эффект является общим объяснением такого типа стабилизации молекулы, на тип и степень стабилизации могут влиять исследуемые заместители, а также изучаемый растворитель.

Эффект заместителя

В закрытой системе наблюдается различие в аномерном эффекте для разных заместителей в циклогексановом или тетрагидропирановом кольце (Y = кислород). Когда X=OH, можно увидеть общий аномерный эффект, как объяснялось ранее. Когда X=CN, наблюдаются те же результаты, где экваториальное положение является предпочтительным в циклогексановом кольце, но аксиальное положение является предпочтительным в тетрагидропирановом кольце. Это согласуется со стабилизацией аномерного эффекта. Когда X=F, аномерный эффект фактически наблюдается для обоих колец. Однако при X=NH 2 стабилизации аномерного эффекта не наблюдается и обе системы предпочитают экваториальное положение. Это объясняется как стерическими свойствами , так и эффектом, называемым обратным аномерным эффектом (см. ниже). [3]

Эффект растворителя

Одна из распространенных критических замечаний в адрес теории гиперконъюгации заключается в том, что она не может объяснить, почему аномерный эффект не наблюдается, когда молекулы замещенного тетрагидропирана помещаются в полярные растворители , и экваториальное положение снова является предпочтительным. Однако было показано, что гиперконъюгация зависит от растворителя в системе. Каждую из описанных выше замещенных систем тестировали в газовой фазе (т.е. без растворителя) и в водном растворе (т.е. в полярном растворителе). При X=F аномерный эффект наблюдался в обеих средах, причем всегда предпочтение отдавалось аксиальному положению. Это связано с гиперконъюгацией. Когда X=OH или CN, аномерный эффект наблюдался в газовой фазе, когда аксиальное положение было предпочтительным. Однако в водных растворах оба заместителя предпочитают экваториальное положение. Это объясняется тем, что электростатические отталкивания сильнее у аксиально расположенного заместителя и полярного растворителя, что делает экваториальное положение предпочтительным. Когда X=NH 2 , аномерный эффект также не наблюдался, и экваториальное положение всегда было предпочтительным. [13]

Преодоление аномерного эффекта

Хотя аномерный эффект может вызвать стабилизацию молекул, он имеет значительную степень стабилизации, и в некоторых случаях это значение может быть преодолено другими, более дестабилизирующими эффектами.

В примере спирокеталей ориентация в левом верхнем углу дважды демонстрирует стабилизацию за счет гиперконъюгативного аномерного эффекта, что значительно стабилизирует ориентацию молекулы. Ориентация в правом верхнем углу показывает эту гиперконъюгативную аномерную стабилизацию только один раз, что делает ее менее предпочтительной структурой. Однако когда к спирокетальной основной цепи добавляют заместитель, более предпочтительная структура может быть изменена. Когда к спирокетальному остову добавляется большой заместитель, как видно на нижнем левом углу, напряжение от наличия этого большого заместителя R в аксиальном положении сильно дестабилизирует молекулу. В молекуле справа внизу R теперь находится в экваториальном положении, что больше не вызывает дестабилизации молекулы. Следовательно, без заместителей реакция верхнего равновесия предпочтительнее с левой стороны, а более низкое равновесие - с правой стороны, просто из-за добавления большого дестабилизирующего заместителя. [14]

Экзоаномерный эффект

Расширение аномерного эффекта, экзоаномерный эффект, представляет собой предпочтение заместителей, выходящих из кольца, для принятия конформации гош, в то время как стерические свойства предполагают, что антиперипланарная конформация будет предпочтительной.

Примером этого является 2-метокситетрагидропиран. Как предсказывает аномерный эффект, метокси-заместитель проявляет повышенное предпочтение аксиальной конформации. Однако на самом деле существует более одной возможной аксиальной конформации из-за вращения вокруг связи CO между метокси-заместителем и кольцом. Если применить принципы обратного аномерного эффекта, можно предсказать, что конформер гош является предпочтительным, предполагая, что верхняя левая конформация является лучшей на рисунке выше. Это предсказание подтверждается экспериментальными данными. Более того, это предпочтение позиции гош все еще наблюдается в экваториальной конформации. [15]

Обратный аномерный эффект

Этот термин относится к очевидному предпочтению положительно заряженных азотистых заместителей экваториальной конформации по сравнению с тем, что можно предсказать при нормальных стерических взаимодействиях в кольцах, содержащих электроотрицательный атом, такой как кислород. Заместители, содержащие атомы углерода с частичными положительными зарядами, не оказывают такого же эффекта. [16] Теоретические объяснения обратного аномерного эффекта включают электростатическое объяснение и делокализацию sp 3 электронов аномерной неподеленной пары углерода и кислорода. [17] Есть некоторые споры о том, является ли это реальным явлением. Азотсодержащие заместители, о которых сообщалось, довольно громоздки, что затрудняет разделение обычных эффектов стерического объема и обратного аномерного эффекта, если он действительно существует. [18] Например, в молекуле, показанной ниже, пиридиниевый заместитель явно отдает предпочтение экваториальному положению, как предсказывают стерические факторы, но на самом деле демонстрирует более сильное предпочтение этой конформации, чем предполагалось, что позволяет предположить, что этому способствует обратный аномерный эффект.

Металлоаномерный эффект

Поздние переходные металлы из групп 10, 11 и 12, помещенные у аномерного углерода, демонстрируют сильные аксиальные предпочтения. [19] Это явление, известное как металлоаномерный эффект, возникает из-за стабилизации гиперконъюгативных взаимодействий между кислородом или другими гетероатомами с неподеленными парами и разрыхляющими орбиталями CM, которые действуют как хорошие акцепторы. Обобщенный металлоаномерный эффект относится к термодинамической стабилизации синклинальных конформеров соединений общей формулы M-CH 2 -OR. На осевые/экваториальные предпочтения могут влиять лиганды, прикрепленные к металлу, и электронная конфигурация. В общих чертах при переходе от более легкого элемента группы к более тяжелому величина металлоаномерного эффекта увеличивается. Более того, более высокие степени окисления благоприятствуют аксиальным/синклинальным конформерам.

Синтетические приложения

Аномерный эффект учтен синтетически. Благодаря открытию в сахарах химия сахара и углеводов стала одним из наиболее распространенных синтетических применений аномерного эффекта. Например, гликозидирование Кенигса-Кнорра придает группе α-OR или β-OR высокую диастереоселективность, на что влияет аномерный эффект. Софоролипид-лактон , (+)-лепицидин А и (-)-литоспермозид - вот некоторые из продуктов, синтезированных посредством гликозидирования Кенигса-Кнорра, преодолевающего аномерный эффект. [20]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Интернет-исправленная версия: (1996) «Аномерный эффект». дои :10.1351/goldbook.A00372
  2. ^ Хуаристи, Э.; Куэвас, Г. (1992). «Недавние исследования аномерного эффекта». Тетраэдр . 48 (24): 5019–5087. дои : 10.1016/S0040-4020(01)90118-8.
  3. ^ аб Бауэрфельдт, Главко Ф.; Кардозо, Тьяго М.; Перейра, Марсио С.; да Силва, Кларисса О. (1 января 2013 г.). «Аномерный эффект: доминирование обменных эффектов в системах с закрытой оболочкой». Органическая и биомолекулярная химия . 11 (2): 299–308. дои : 10.1039/c2ob26818c. ПМИД  23172415.
  4. ^ Кирби, Энтони Дж. (1983). Аномерный эффект и связанные с ним стереоэлектронные эффекты на кислороде; с 24 столами . Берлин [ua]: Шпрингер. ISBN 978-0-387-11684-6.
  5. ^ "Блог Chemistry World Blog"Аномерный аргумент" . Архивировано из оригинала 16 мая 2019 г. Проверено 13 сентября 2013 г.
  6. ^ Сундберг, Фрэнсис А. Кэри; Ричард Дж. (2007). Продвинутая органическая химия: Часть A: Структура и механизмы (5-е изд.). Берлин: Springer США. п. 229. ИСБН 978-0-387-68346-1.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  7. ^ аб Куэвас, Эусебио Хуаристи, Габриэль (1995). Аномерный эффект . Бока-Ратон: CRC Press. ISBN 978-0-8493-8941-2.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  8. ^ Вила, А.; Москера, РА (2007). «Атомы в молекулах, интерпретация аномерного эффекта в блоке O—C—O». Дж. Компьютер. хим. 28 (9): 1516–1530. дои : 10.1002/jcc.20585. PMID  17330885. S2CID  19238371.
  9. ^ Коробка, VGS (1990). «Роль неподеленных парных взаимодействий в химии моносахаридов. Аномерный эффект». Гетероциклы . 31 (6): 1157–1181. дои : 10.3987/REV-90-414.
  10. ^ Коробка, VGS (1991). «Роль взаимодействий неподеленных пар в химии моносахаридов. Стереоэлектронные эффекты в ненасыщенных моносахаридах». Гетероциклы . 32 (4): 795–807. дои : 10.3987/REV-91-425.
  11. ^ Сундберг, Фрэнсис А. Кэри; Ричард Дж. (2007). Продвинутая органическая химия: Часть A: Структура и механизмы (5-е изд.). Берлин: Springer США. ISBN 978-0-387-68346-1.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  12. ^ Сундберг, Фрэнсис А. Кэри; Ричард Дж. (2007). Продвинутая органическая химия: Часть A: Структура и механизмы (5-е изд.). Берлин: Springer США. стр. 229–230. ISBN 978-0-387-68346-1.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  13. ↑ Фрейтас, Матеус П. (1 января 2013 г.). «Аномерный эффект на основе анализа орбиталей естественных связей». Органическая и биомолекулярная химия . 11 (17): 2885–90. дои : 10.1039/c3ob40187a. ПМИД  23515623.
  14. ^ Перрон, Франсуаза; Альбизати, Ким Ф. (1 ноября 1989 г.). «Химия спирокеталей». Химические обзоры . 89 (7): 1617–1661. дои : 10.1021/cr00097a015.
  15. ^ Сарек, Уолтер А. (1979). Аномерный эффект: происхождение и последствия . Вашингтон: Американское химическое общество. ISBN 978-0-8412-0470-6.
  16. ^ Кирби, AJ (1983). Аномерный эффект и связанные с ним стереоэлектронные эффекты на кислороде . Нью-Йорк: Springer-Verlag. ISBN 978-0-387-11684-6.
  17. ^ Перрен, Чарльз Л. (октябрь 1995 г.). «Обратный аномерный эффект: факт или вымысел?». Тетраэдр . 51 (44): 11901–11935. дои : 10.1016/0040-4020(95)00560-у. ISSN  0040-4020.
  18. ^ Тэтчер, Грегори Р.Дж. (1993). Аномерный эффект и связанные с ним стереоэлектронные эффекты . Вашингтон: Американское химическое общество. ISBN 978-0-8412-2729-3.
  19. ^ Чжу, Фэн; Валчак, Мацей А. (4 августа 2020 г.). «Стереохимия комплексов переходных металлов, контролируемых металлоаномерным эффектом». Журнал Американского химического общества . 142 (35): 15127–15136. doi : 10.1021/jacs.0c06882. ПМЦ 9622273 . PMID  32786781. S2CID  221121672. 
  20. ^ Курти, Ласло; Чако, Барбара (2007). Стратегическое применение названных реакций в органическом синтезе: предпосылки и подробные механизмы; 250 названных реакций (Пбк. ред., [Начдр.]. ред.). Амстердам [ua]: Elsevier Academic Press. ISBN 978-0-12-429785-2.

Внешние ссылки