Эффект Цеплака - Cieplak effect

В органическая химия, то Эффект Цеплака это прогностическая модель, чтобы объяснить, почему нуклеофилы предпочтительно добавлять к одной грани карбонил над другим. Предложенный Анджеем Станиславом Цеплаком в 1980 году, он предсказывает аномальные результаты, которые другие модели того времени, такие как Втиснуть и Фелкин – Ань модели, не может оправдать. В модели Cieplak электроны из соседней облигации делокализовать в образующуюся углерод-нуклеофильную (C-Nuc) связь, понижая энергию переходное состояние и ускорение скорости реакции.[1] Какая бы связь лучше всего передавала свои электроны в связь C-Nuc, определяет, к какой стороне карбонила присоединится нуклеофил. Нуклеофилом может быть ряд реагентов, чаще всего металлоорганических или восстановители. Эффект Цеплака тонкий и часто конкурирует с стерики, эффекты растворителя, противоион комплексообразование карбонильного кислорода и другие эффекты для определения распределения продукта. Последующая работа поставила под сомнение его легитимность (см. Критика ).

Фон

Эффект Цеплака основан на стабилизирующем взаимодействии смешивания полного и пустого орбитали делокализовать электроны, известные как сверхсопряжение.[2] Когда самая высокая занятая молекулярная орбиталь (HOMO ) одной системы и низшей незанятой молекулярной орбитали (LUMO ) другой системы имеют сравнимые энергии и пространственное перекрытие, электроны могут делокализоваться и опускаться на более низкий энергетический уровень. Часто HOMO системы является полным σ (связывание) орбиталь, а НСМО - пустой σ * (антибондинг) орбитальный. Это смешивание является стабилизирующим взаимодействием и широко используется для объяснения таких явлений, как аномерный эффект. Общее требование сверхсопряжения состоит в том, что связи, передающие и принимающие электронную плотность, должны быть антиперипланарный друг к другу, чтобы обеспечить максимальное перекрытие орбит.

Орбитальная стабилизация с помощью Hyperconjugation.gif

Эффект Цеплака использует гиперконъюгацию для объяснения избирательного присоединения нуклеофилов к карбонильным углеродам. В частности, пожертвование в низколежащие σ *C-Nuc Связь антиперипланарных электронодонорных заместителей является стабилизирующим взаимодействием, которое снижает энергию переходного состояния одного пути стереоспецифической реакции и, таким образом, увеличивает скорость атаки с одной стороны. В простейшей модели конформационно-ограниченный циклогексанон сводится к соответствующему алкоголь. Восстановители добавляют гидрид к карбонильному углероду через атаку по Угол Берги – Дуница, которые могут идти сверху по псевдоосевой траектории или снизу по псевдоэкваториальной траектории. Давно известно, что крупные восстановители добавляют гидрид в экваториальное положение, чтобы избежать стерических взаимодействий с аксиальными атомами водорода на кольце. Однако небольшие источники гидридов добавляют гидрид в осевое положение по причинам, которые все еще обсуждаются.[3]

Влияние размера реагента на уменьшение циклогексанона.gif

Эффект Цеплака объясняет это явление, постулируя, что сверхсопряжение образующихся σ *C – H орбиталь с геометрически выровненными σ-орбиталями - это стабилизирующее взаимодействие, которое управляет стереоселективность. В экваториальном подходе связи, которые геометрически выровнены антиперипланарно по отношению к формирующейся связи C – H, являются связями C – C кольца, поэтому они отдают электронную плотность σ *C – H. В аксиальном подходе соседние аксиальные связи C – H выровнены антиперипланарно по отношению к формирующейся связи C – H, поэтому они отдают электронную плотность σ *C – H. Потому что связи C-H лучше доноры электронов чем связи C – C, они лучше способны участвовать в этом стабилизирующем взаимодействии, и поэтому этот путь является предпочтительным.[1]

Осевой и экваториальный подход в модели Cieplak Model.gif

Свидетельство

Предложение Cieplak подтверждается исследованиями влияния различных электронных заместителей на распределение продуктов. Установив электроноакцепторный заместитель, такой как метокси группа в положении C2 восстановление замещенных циклогексанонов начинает благоприятствовать экваториальной атаке.[4] Это связано с тем, что осевая связь C-O является худшим донором электронов, чем связь C – C, поэтому аксиальная атака менее предпочтительна.

Осевое восстановление замещенных циклогексанонов.gif

Cieplak также продемонстрировал этот эффект, введя электроноакцепторные заместители на C3, которые уменьшают электронодонорную способность кольцевой связи C – C и, следовательно, препятствуют экваториальной атаке, которая антиперипланарна по отношению к этой связи.[5] Электронодонорные заместители у C3 впоследствии отдают предпочтение экваториальному подходу, так как увеличение электронной плотности C – C благоприятствует σC-C пожертвование в σ *C-Nuc и тем самым поощряет экваториальный подход.

Осевая атака метиленциклогексана.gif

Этот эффект также можно исследовать, изменив электронную природу нуклеофила. В случае электронодефицитный нуклеофила, σ * образующейся связи C-Nuc имеет более низкую энергию и лучше стабилизируется путем антиперипланарной атаки на богатый электронами аксиальные связи C-H. Поэтому атака происходит в осевом направлении.[6] Однако, если нуклеофил богат электронами, пожертвование большего количества электронная плотность менее предпочтителен, и экваториальная атака может преобладать.[7] Эти тенденции наблюдались даже при нормализации стерической массы нуклеофила.[1]

Влияние нуклеофильности на Axial Attack.gif

В замещенных норборнонах нуклеофильная атака будет происходить антиперипланарно по связям, которые лучше всего передаются в σ *.C-Nuc.[8] Связи, предназначенные для этого взаимодействия, являются плацдарм Связи C – C в шестичленном кольце. Заместители, которые передают электронную плотность этим связям, такие как этил группы, увеличьте скорость добавления анти к алкильным группам, что является антиперипланарной траекторией. Если электроноакцепторные заместители, такие как сложные эфиры присоединены к связям C – C, однако селективность способствует син сложение, так что связи, дарившие в σ *C-Nuc являются более богатыми электронами связями C – C, которые замещены водородом.[9]

Нуклеофильная атака замещенных норборнонов.gif

Аналогичный пример наблюдается в замещенных 2-адамантонах, где изменение электронных свойств в удаленном 5-м положении оказывает сильное влияние на распределение продукта.[10] А гидроксил группа способна отдавать электронную плотность индуктивно к формирующему σ *C – H связь антиперипланарная, поэтому предпочтение отдается атаке с этой стороны. Однако электроноакцепторный сложноэфирный заместитель не обладает этой стабилизирующей способностью. Вместо этого связи C – H являются лучшими донорами электронов, чем связи C – CO.2Me связывает, так что атака происходит против водородных заместителей и, следовательно, синонимом сложноэфирной группы. Это объясняет влияние удаленных электронодонорных групп на стереохимические результаты, которые трудно объяснить с помощью других стереохимических моделей. Жесткость адамантонового каркаса позволяет строго контролировать конформацию и минимизировать конкурирующие эффекты.[11]

Восстановление замещенных адамантонов.gif

Критика

Модель Cieplak была встречена неоднозначными отзывами, и возникла критика как ее базовой логики, так и прогностической способности. Стабилизирующее взаимодействие донорной электронной плотности в переходное состояние σ * орбитали формирующейся связи было немедленно поставлено под сомнение, поскольку это взаимодействие широко использовалось для объяснения прямо противоположного - дестабилизации связей.[12] Обычно образующиеся связи стабилизируются, когда они отдают электронную плотность из своего связывающего HOMO в соседний антисвязывающий LUMO, а не путем принятия электронной плотности в свой LUMO. С этой целью, Дэвид А. Эванс сказал о предложении Цеплака: «Структуры стабилизируются путем стабилизации их заполненных состояний с наивысшей энергией. Это одно из фундаментальных предположений в пограничная теория молекулярных орбиталей. Гипотеза Цеплака - ерунда ».[13][14] Однако Хан и Ле Нобль опровергают эту точку зрения, ссылаясь на принцип микроскопическая обратимость, где процессы образования и разрыва связи принципиально эквивалентны в равновесие, и не следует придавать большого значения терминам «сцепление» и «разрушение сцепления», σ или σ *.[15] В другой критике модели Хоук ставит под сомнение фундаментальное предположение Чиплака о том, что связи C-H являются лучшими донорами электронов, чем связи C-C.[16] Этот пункт все еще оспаривается и представляет собой еще один крупный спор в этой области.

Чтобы еще больше опровергнуть эффект Цеплака, Хоук предлагает систему, в которой модель Цеплака предсказывает неправильную тенденцию распределения продукта. В случае замещенных транс-декалонов, электроноакцепторные заместители, экваториальные у C4, должны препятствовать экваториальной атаке и давать больше осевого продукта, поскольку кольцевые связи C – C дезактивируются для передачи в образующуюся связь C-Nuc. Однако экспериментальные данные показывают, что аксиальные электроноакцепторные заместители C4 более ориентированы на аксиальную атаку, чем экваториальные заместители.[17] Поскольку аксиальные орбитали не выровнены для сверхсопряжения в этой системе, Хоук рационализировал эту тенденцию, привлекая электростатические аргументы, описанные ниже.

Уменьшение замещенных транс-декалонов.gif

Альтернативные объяснения

В попытке объяснить удивительную стереоселективность в указанных выше системах были предложены альтернативные объяснения эффекта Цеплака. Предполагается, что в замещенных циклогексанонах тенденция небольших восстановителей к аксиальному добавлению гидрида обусловлена: скручивающая деформация вместо гиперконъюгации.[18] При экваториальной атаке нуклеофил приближается затмевающий соседний атом водорода и впоследствии выталкивает карбонильные заместители в затененные позиции, поскольку он пирамидализирует карбонильный углерод.[19] В аксиальном подходе нуклеофил приближается к бестактный с соседними атомами водорода и поэтому не вызывает затменных взаимодействий при пирамидизации карбонильного углерода. Именно эта деформация кручения - затраты энергии на вращение связей из положения затмения - способствует осевому приближению, а не экваториальному.

В случае замещенных норборнонов стереоселективность можно объяснить тем, что электростатические взаимодействия между заместителями и нуклеофилами. Электроноакцепторные группы создают частичный положительный заряд на альфа-углерод, который благоприятно взаимодействует с частичный отрицательный заряд на поступающем нуклеофиле.[20] Это взаимодействие может направлять атаку как на электроноакцепторный заместитель, так и против электронодонорных заместителей. Этот вывод подтверждается вычисления, где моделирование частичных зарядов предсказывает распределение продуктов без учета орбитальных взаимодействий.[21] Такое же объяснение было сделано для оправдания аналогичных результатов в случае замещенных адамантонов.[22]

Электростатика как альтернатива модели Cieplak.PNG

Аналогично, в транс-декалоновой системе Хоука нуклеофил с его частичным отрицательным зарядом предпочитает атаковать вдали от частичного отрицательного заряда ацил сложный эфир. Когда этот заместитель аксиальный, экваториальный путь сближает нуклеофил и поэтому не является предпочтительным.[23] Это менее выражено для экваториально замещенного сложного эфира, потому что группа теперь расположена дальше от карбонила.[17]

Электростатическое объяснение стереофонических результатов Хоуком.PNG

Рекомендации

  1. ^ а б c Cieplak, A. S. J. Am. Chem. Soc. 1981, 103, 4540
  2. ^ Алабугин, И. В .; Гилмор, К. М .; Peterson, P. W. WIREs Comput. Мол. Sci. 2011, 1, 109
  3. ^ Eliel, E.L .; Сенда, Ю. Тетраэдр 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 .; Гравий, Д. Кан. J. Chem. 1961, 39, 1548
  7. ^ Микинс, Г. Д .; Percy, R.K .; Richards, E. E.; Young, R. N. J. Chem. Soc. С, 1968, 1106
  8. ^ G. Mehta, J. Am. Chem. Soc. 1990, 112, 6140
  9. ^ Kaselj, M .; Chung, W-S .; le Noble, W. J. Chem. Ред. 1999, 99, 1387
  10. ^ Cheung, C.K .; Tseng, L.T .; Lin, M. H .; Шривсстава, С .; 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. Эд. Англ. 1991, 30, 1146
  13. ^ Сиска, С. (2001, февраль). Эволюция моделей карбонильного присоединения. Послеобеденный семинар группы Эванса. Лекция проведена из Гарвардского университета, Кембридж, Массачусетс.
  14. ^ Эванс, Д.А. Химия 206 Конспект лекций (2006), Лекция 22 «Карбонильные и азометиновые электрофилы-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. ^ а б Wu, Y-D .; Tucker, J. A .; Houk, K. N. J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 5018
  18. ^ Джуаристи, Э. Конформационное поведение шестичленных колец. Wiley, 1995. Интернет.
  19. ^ Вигфилд, Д. К. Тетраэдр 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 .; Хан, Ф. А .; Mehta, G. J. Org. Chem. 1993, 58, 1734
  22. ^ Adcock, W .; Cotton, J .; Trout, N. A. J. Org. Chem. 1994, 59, 1867
  23. ^ Нортруп, А. Б. (2003, сентябрь). Гиперсопряжение. Встреча группы MacMillan. Лекция проводилась в Калифорнийском университете в Бекли, Калифорния.