Cieplakův efekt - Cieplak effect - Wikipedia

v organická chemie, Cieplakův efekt je prediktivní model k racionalizaci proč nukleofily přednostně přidat na jednu tvář a karbonyl nad jiným. Navrhl Andrzej Stanislaw Cieplak v roce 1980 a předpovídá anomální výsledky, že jiné modely té doby, například Nacpat a Felkin – Anh modely, nelze ospravedlnit. V modelu Cieplak elektrony ze sousedního svazku přemístit do formující se vazby uhlík-nukleofil (C – Nuc), což snižuje energii přechodový stav a zrychlení rychlosti reakce.[1] Kterákoli vazba může nejlépe darovat své elektrony do vazby C – Nuc, určuje, ke které ploše karbonylu se nukleofil přidá. Nukleofilem může být řada činidel, nejčastěji organokovová nebo redukční činidla. Cieplakův efekt je jemný a často mu konkuruje sterics, rozpouštědlové efekty, protiion komplexace karbonylového kyslíku a další efekty pro určení distribuce produktu. Následná práce zpochybnila jeho legitimitu (viz Kritiky ).

Pozadí

Efekt Cieplak spoléhá na stabilizující interakci míchání plného a prázdného orbitaly k přemístění elektronů, známých jako hyperkonjugace.[2] Když je nejvyšší obsazený molekulární orbitál (HOMO ) jednoho systému a nejnižší neobsazené molekulární oběžné dráhy (LUMO ) jiného systému mají srovnatelné energie a prostorové překrývání, elektrony se mohou přemístit a klesnout na nižší energetickou hladinu. HOMO systému je často plné σ (bonding) orbital a LUMO je prázdné σ * (antibonding) orbitální. Toto míchání je stabilizující interakcí a bylo široce používáno k vysvětlení takových jevů, jako je anomerní účinek. Běžným požadavkem hyperkonjugace je, že vazby darující a přijímající elektronovou hustotu jsou antiperiplanar navzájem, aby bylo umožněno maximální překrytí oběžné dráhy.

Orbitální stabilizace hyperkonjugací.gif

Cieplakův efekt používá hyperkonjugaci k vysvětlení obličejově selektivního přidání nukleofilů do karbonylových uhlíků. Konkrétně dar do nízko položeného σ *C-Nuc vazba antiperiplanárními substituenty darujícími elektrony je stabilizující interakce, která snižuje energii přechodového stavu jedné stereospecifické reakční dráhy a zvyšuje tak rychlost útoku z jedné strany. V nejjednodušším modelu je konformačně omezený cyklohexanon se sníží na odpovídající alkohol. Redukční agenti přidat a hydrid na karbonylový uhlík prostřednictvím útoku podél Burgi – Dunitzův úhel, které mohou pocházet z vrcholu po pseudoaxiální trajektorii nebo zespodu po pseudo-rovníkové trajektorii. Již dlouho je známo, že velká redukční činidla přidávají hydrid do ekvatoriální polohy, aby se zabránilo sterickým interakcím s axiálními vodíky na kruhu. Malé zdroje hydridu však přidávají hydrid do axiální polohy z důvodů, které jsou stále sporné.[3]

Vliv velikosti činidla na redukci cyklohexanonu.gif

Cieplakův efekt vysvětluje tento jev postulováním hyperkonjugace formujícího se σ *C – H orbitál s geometricky zarovnanými σ orbitály je stabilizující interakce, která řídí stereoselektivita. V rovníkovém přístupu jsou vazby, které jsou geometricky zarovnané antiperiplanarem k formující se vazbě C – H, vazbami C – C kruhu, takže darují elektronovou hustotu σ *C – H. V axiálním přístupu jsou sousední axiální vazby C – H zarovnány antiperiplanárně k formující se vazbě C – H, takže darují elektronovou hustotu σ *C – H. Protože CH vazby jsou lepší dárci elektronů než vazby C – C, jsou lépe schopné účastnit se této stabilizující interakce, a proto je tato cesta upřednostňována.[1]

Axiální vs ekvatoriální přístup v Cieplak Model.gif

Důkaz

Cieplakův návrh je podpořen zkoumáním účinků různých elektronických substituentů na distribuci produktu. Instalací substituentu přitahujícího elektrony, jako je a methoxyskupina v poloze C2 začíná redukce substituovaných cyklohexanonů upřednostňovat rovníkový útok.[4] Je to proto, že axiální vazba CO je horším dárcem elektronů než vazba C – C, takže axiální útok je méně příznivý.

Axiální redukce substituovaných cyklohexanonů.gif

Cieplak také prokázal tento účinek zavedením substituentů přitahujících elektrony na C3, které snižují schopnost elektronů darovat vazbu C – C v kruhu, a proto znevýhodňují rovníkový útok, který je antiperiplanární vůči této vazbě.[5] Substituenty darující elektrony na C3 následně upřednostňují ekvatoriální přístup, protože zvyšování hustoty elektronů C – C zvýhodňuje σC-C dar do σ *C-Nuc a tím podporuje rovníkový přístup.

Axiální útok methylenecyklohexanu.gif

Tento účinek lze také zkoumat změnou elektronické povahy nukleofilu. V případě elektronově deficitní nukleofil, σ * tvořící se vazby C-Nuc má nižší energii a je lépe stabilizována útokem antiperiplanárního bohatý na elektrony axiální vazby CH. K útoku tedy dochází axiálně.[6] Pokud je nukleofil bohatý na elektrony, darování více elektronová hustota je méně oblíbený a může převládat rovníkový útok.[7] Tyto trendy byly pozorovány i při normalizaci na sterický objem nukleofilu.[1]

Vliv nukleofilnosti na Axial Attack.gif

V substituovaných norbornonech nukleofilní útok přijde antiperiplanar na vazby, které mohou nejlépe darovat do σ *C-Nuc.[8] Vazby umístěné pro tuto interakci jsou předmostí C – C vazby na šestičlenném kruhu. Substituenty, které těmto vazbám darují elektronovou hustotu, jako např ethyl skupiny, zvyšte rychlost přidávání proti k alkylovým skupinám, což je antiperiplanární trajektorie. Pokud substituenty přitahující elektrony, jako je estery jsou připojeny k vazbám C – C, ale selektivita upřednostňuje syn navíc, aby dluhopisy darovaly do σ *C-Nuc jsou elektronově bohaté vazby C-C, které jsou substituovány vodíkem.[9]

Nukleofilní útok na substituované norbornony.gif

Podobný příklad lze pozorovat u substituovaných 2-adamantonů, kde změna elektronických vlastností ve vzdálené poloze 5 má zásadní vliv na distribuci produktu.[10] A hydroxyl skupina je schopna darovat elektronovou hustotu indukčně k formujícímu σ *C – H bond antiperiplanar, takže útok z této strany je upřednostňován. Substituent esteru přitahující elektrony však postrádá tuto stabilizační schopnost. Místo toho jsou vazby C – H lepší dárci elektronů než C – CO2Me se váže, takže útok přichází proti vodíkovým substituentům a následně se synchronizuje s esterovou skupinou. To vysvětluje účinek vzdálených skupin dárců elektronů na stereochemické výsledky, což je obtížné vysvětlit jinými stereochemickými modely. Tuhost skeletu adamantonu umožňuje přísnou kontrolu konformace a minimalizaci konkurenčních účinků.[11]

Snížení substituovaných adamantonů.gif

Kritiky

Cieplakův model se setkal se smíšenými recenzemi a objevily se kritiky jak jeho základní logiky, tak prediktivních schopností. Stabilizující interakce darující elektronové hustoty do přechodového stavu σ * orbital formující se vazby byla okamžitě zpochybněna, protože tato interakce byla široce vyvolána k vysvětlení přesného opaku - destabilizace vazeb.[12] Vytváření vazeb se tradičně stabilizuje, když darují elektronovou hustotu z jejich vazebného HOMO do sousedního antibondingového LUMO, nikoli přijímáním hustoty elektronů do jejich LUMO. Za tímto účelem David A. Evans řekl o Cieplakově návrhu: „Struktury jsou stabilizovány stabilizací jejich stavů naplněných nejvyšší energií. To je jeden ze základních předpokladů v hraniční molekulární orbitální teorie. Cieplakova hypotéza je nesmysl. “[13][14] Hahn a le Noble však tento bod vyvracejí odvoláním na zásadu mikroskopická reverzibilita kde proces tvorby a štěpení je v zásadě ekvivalentní rovnováha a výrazům „bonding“ a „antibonding“, σ nebo σ * by měla být kladena malá hodnota.[15] V další kritice modelu Houk zpochybňuje Cieplakův základní předpoklad, že vazby CH jsou lepšími dárci elektronů než vazby CC.[16] Tento bod je stále sporný a představuje další velký spor v této oblasti.

K dalšímu vyvrácení Cieplakova efektu navrhl Houk systém, ve kterém Cieplakův model předpovídá nesprávný trend distribuce produktů. V případě substituovaných trans-dekalonů by elektrony-odtahující substituenty ekvatoriální na C4 měly odrazovat od rovníkového útoku a poskytovat více axiálního produktu, protože kruhové vazby C – C jsou deaktivovány pro darování do formující se vazby C-Nuc. Experimentální důkazy však ukazují, že axiální substituenty C4 přitahující elektrony směřují k axiálnímu útoku více než ekvatoriální substituenty.[17] Jelikož axiální orbitaly nejsou v tomto systému zarovnány pro hyperkonjugaci, Houk racionalizoval tento trend vyvoláním elektrostatických argumentů, popsaných níže.

Snížení substituovaných trans-dekalonů.gif

Alternativní vysvětlení

Ve snaze vysvětlit překvapivé stereoselektivity ve výše uvedených systémech byla navržena alternativní vysvětlení Cieplakova efektu. U substituovaných cyklohexanonů se navrhuje, aby tendence malých redukčních činidel k axiálnímu přidávání hydridu byla způsobena torzní napětí místo hyperkonjugace.[18] V rovníkovém útoku se nukleofil přiblíží zatmění sousední atom vodíku a následně tlačí karbonylové substituenty do zákrytových poloh pyramidalizuje karbonylový uhlík.[19] V axiálním přístupu se blíží nukleofil gauche na sousední atomy vodíku, a tak nezpůsobuje zákrytové interakce při pyramidalizaci karbonylového uhlíku. Právě toto torzní namáhání - energetické náklady na otáčení vazeb ze zatměné polohy - upřednostňuje axiální před rovníkovým přístupem.

V případě substituovaných norbornonů lze stereoselektivitu vysvětlit elektrostatické interakce mezi substituenty a nukleofily. Skupiny odebírající elektrony vytvářejí a částečný kladný náboj na alfa uhlík, který příznivě interaguje s částečný záporný náboj na příchozí nukleofil.[20] Tato interakce může vést útok syn proti substituentům odnímajícím elektrony a proti substituentům darujícím elektrony. Tento závěr podporuje výpočty, kde modelování částečných poplatků předpovídá distribuci produktu bez zahrnutí orbitálních interakcí.[21] Stejné vysvětlení bylo učiněno za účelem ospravedlnění podobných výsledků v případě substituovaných adamantonů.[22]

Elektrostatika jako alternativa k modelu Cieplak.PNG

Podobně v Houkově trans-dekalonovém systému nukleofil s částečným záporným nábojem upřednostňuje útok od částečného záporného náboje acyl ester. Když je tento substituent axiální, ekvatoriální dráha přivádí nukleofil do těsnější blízkosti, a je tedy znevýhodněna.[23] To je u ekvatoriálně substituovaného esteru méně výrazné, protože skupina je nyní umístěna dále od karbonylu.[17]

Houkovo elektrostatické vysvětlení stereorezistů.PNG

Reference

  1. ^ A b C Cieplak, A. S. J. Am. Chem. Soc. 1981, 103, 4540
  2. ^ Alabugin, I. V .; Gilmore, K. M .; Peterson, P. W. WIREs Comput. Mol. Sci. 2011, 1, 109
  3. ^ Eliel, E. L .; Senda, Y. Tetrahedron 1970, 26, 2411
  4. ^ Senda, Y .; Nakano, S .; Kunii, H .; Itoh, H. J. Chem. Soc. Perkin Trans. 1993, 2, 1009
  5. ^ Johnson, C. R.; Tait, B. D .; Cieplak, A. S. J. Am. Chem. Soc. 1987, 109, 5875
  6. ^ Favre, H .; Gravel, D. Can. J. Chem. 1961, 39, 1548
  7. ^ Meakins, G. D .; Percy, R. K.; Richards, E. E.; Young, R. N. J. Chem. Soc. C, 1968, 1106
  8. ^ G. Mehta, J. Am. Chem. Soc. 1990, 112, 6140
  9. ^ Kaselj, M .; Chung, W-S .; le Noble, W. J. Chem. Rev.1999, 99, 1387
  10. ^ Cheung, C. K .; Tseng, L. T .; Lin, M. H .; Srivsstava, S .; le Noble, W. J. J. Am. Chem. Soc. 1986, 108, 1598
  11. ^ Srivastava, S .; le Noble, W. J. J. Am. Chem. Soc. 1987, 109, 5874
  12. ^ Frenking, G .; Kohler, K. F .; Reetz, M. T. Angew. Chem. Int. Vyd. Engl. 1991, 30, 1146
  13. ^ Siska, S. (2001, únor). Vývoj modelů pro přidání karbonylu. Odpolední seminář skupiny Evans. Přednáška z Harvard University, Cambridge, MA
  14. ^ Evans, D. A. Chemistry 206 Lect Notes (2006), Přednáška 22 „Karbonylové a azomethinové elektrofily-2“.
  15. ^ Hahn, J. M .; le Noble. W. J. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 1916
  16. ^ Rozeboom, M. D .; Houk, K.N. J. Am. Chem. Soc. 1982, 104, 1189
  17. ^ A b Wu, Y-D .; Tucker, J. A .; Houk, K.N. J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 5018
  18. ^ Juaristi, E. Konformační chování šestičlenných prstenů. Wiley, 1995. Online.
  19. ^ Wigfield, D. C. Tetrahedron 1979, 35, 449
  20. ^ Paddon-Row, M. N .; Wu, Y-D .; Houk, K.N. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 10638
  21. ^ Ganguly, B .; Chandrasekhar, J .; Khan, F. A .; Mehta, G. J. Org. Chem. 1993, 58, 1734
  22. ^ Adcock, W .; Cotton, J .; Trout, N. A. J. Org. Chem. 1994, 59, 1867
  23. ^ Northrup, A. B. (2003, září). Hyperkonjugace. Setkání skupiny MacMillan. Přednáška z University of California, Bekeley, CA.