Аномерный эффект - Anomeric effect

Α- и β-аномеры D-глюкопираноза.

В органическая химия, то аномерный эффект или же Эффект Эдварда-Лемье это стереоэлектронный эффект который описывает тенденцию гетероатомных заместителей, прилегающих к гетероатом в пределах циклогексан кольцо, чтобы предпочесть осевой ориентация вместо меньшего затрудненный экваториальный ориентация, которую можно было бы ожидать от стерический соображения.[1] Этот эффект первоначально наблюдался в пираноза кольца Дж. Т. Эдварда в 1955 г. при обучении химия углеводов.

Период, термин аномерный эффект был представлен в 1958 году.[2] Название происходит от термина, используемого для обозначения кольцевого углерода с наименьшим номером пиранозы. аномерный углерод. Изомеры, которые различаются только конфигурацией аномерного углерода, называются аномеры. Аномеры D-глюкопираноза диастереомеры, с бета аномер, имеющий группу ОН, направленную экваториально вверх, и альфа аномер, имеющий эту группу ОН, направленную аксиально вниз.

Аномерный эффект можно также обобщить на любую циклогексильную или линейную систему с общей формулой C-Y-C-X, где Y представляет собой гетероатом с одним или несколькими одинокие пары, а X - электроотрицательный атом или группа.[3] Величина аномерного эффекта оценивается примерно в 1-2 ккал / моль в случае сахаров, но разная для каждой молекулы.

Methoxyintro.png

В приведенном выше случае метоксигруппа на циклогексан кольцо (вверху) предпочитает экваториальное положение. Однако в тетрагидропиран кольцо (внизу), метоксигруппа предпочитает аксиальное положение. Это связано с тем, что в циклогексановом кольце Y = углерод, который не является гетероатомом, поэтому аномерный эффект не наблюдается, а стерические свойства доминируют в наблюдаемых заместитель позиция. В тетрагидропирановом кольце Y = кислород, который является гетероатомом, поэтому аномерный эффект вносит вклад и стабилизирует наблюдаемое положение заместителя. В обоих случаях X = OMe.

Аномерный эффект чаще всего наблюдается, когда Y = кислород, но также может наблюдаться с другими неподеленными парами, несущими 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 изучена. Было предложено несколько, частично противоречивых, объяснений, но тема все еще не решена.[5]

Гиперконъюгация

Циклические молекулы

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

Sigma * Orbital.png

Некоторые авторы также ставят под сомнение справедливость этой модели сверхсопряжения, основываясь на результатах квантовой теории атомы в молекулах.[7] Хотя большинство исследований аномерных эффектов носили теоретический характер, гипотеза n – σ * (гиперконъюгация) также подвергалась обширной критике на том основании, что предложенное этой гипотезой перераспределение электронной плотности в ацеталях не согласуется с известной экспериментальной химией ацетали и, в частности, химия моносахаридов.[8][9]

Ациклические молекулы

Гиперконъюгация также обнаруживается в ациклических молекулах, содержащих гетероатомы, - еще одна форма аномерного эффекта. Если в молекуле есть атом с неподеленной парой электронов, а соседний атом может принимать электроны на орбиталь σ *, происходит гиперспряжение, стабилизирующее молекулу. Это формирует резонансную форму "без связи". Чтобы произошло такое перекрытие орбит, необходимо транс, транс конформация является предпочтительной для большинства гетероатомов, однако стабилизация происходит в диметоксиметан, то бестактный, бестактный конформация примерно на 3–5 ккал / моль ниже по энергии (более стабильна), чем транс,транс конформация - это примерно в два раза больше, чем эффект в сахарах, потому что есть две вращающиеся связи (следовательно, это транс вокруг обеих облигаций или бестактный вокруг обоих), которые затронуты.[10]

Проекция Ньюмана linear anomeric effect.png

Минимизация диполя

Другое общепринятое объяснение аномерного эффекта состоит в том, что экваториальная конфигурация имеет диполи с участием обоих гетероатомов, частично выровненных и поэтому отталкивающих друг друга. Напротив, в осевой конфигурации эти диполи примерно противоположны, что представляет собой более стабильное и более низкое энергетическое состояние.

THPOH-dipoles.png

Как гиперконъюгация, так и дипольная минимизация вносят вклад в предпочтительную (Z) -конформацию сложных эфиров по сравнению с (E) -конформацией. В конформации (Z) неподеленная пара электронов в альфа-кислороде может отдавать на соседнюю орбиталь σ * C-O. Кроме того, диполь минимизируется в (Z) -конформации и максимизируется в (E) -конформации.[6]

Ester conformers.png

n-n отталкивания и водородные связи C-H

Если показаны неподеленные пары электронов на атомах кислорода в аномерном центре 2-метоксипирана, то краткое рассмотрение конформаций аномеров показывает, что β-аномер всегда имеет по крайней мере одну пару затмевающих (копланарных 1,3- взаимодействующих) неподеленных пар, это nn-отталкивание представляет собой ситуацию с высокой энергией. С другой стороны, α-аномер имеет конформации, в которых нет n-n отталкивания, и это верно для экзоаномерной конформации. Было высказано предположение об энергетически неблагоприятном nn-отталкивании, 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] для объяснения большей части энергетической разницы между аномерами, аномерного эффекта. Программа молекулярной механики StruMM3D, которая специально не параметризована для аномерного эффекта, оценивает, что диполярные вклады в аномерный эффект (в первую очередь, n-n отталкивание и водородные связи C-H, обсуждаемые выше) составляют около 1,5 ккал / моль.

Влияния

Хотя аномерный эффект является общим объяснением этого типа стабилизации молекулы, на тип и количество стабилизации могут влиять исследуемые заместители, а также исследуемый растворитель.

Заместительный эффект

В закрытой системе наблюдается различие аномерного эффекта для разных заместители на циклогексан или же тетрагидропиран кольцо (Y = кислород). Когда X = OH, можно увидеть общий аномерный эффект, как объяснялось ранее. Когда X = CN, наблюдаются те же результаты, где экваториальное положение предпочтительно на циклогексановом кольце, но аксиальное положение предпочтительно на тетрагидропирановом кольце. Это согласуется со стабилизацией аномерного эффекта. Когда X = F, аномерный эффект действительно наблюдается для обоих колец. Однако когда X = NH2, стабилизации аномерного эффекта не наблюдается и обе системы предпочитают экваториальное положение. Это связано с обоими стерики и эффект, называемый обратным аномерным эффектом (см. ниже).[3]

Эффект растворителя

Одна общая критика сверхсопряжение теория состоит в том, что она не может объяснить, почему аномерный эффект не наблюдается, когда замещенные молекулы тетрагидропирана помещаются в полярные растворители, и снова предпочтительнее экваториальное положение. Однако было показано, что гиперконъюгация действительно зависит от растворителя в системе. Каждую из замещенных систем, описанных выше, тестировали в газовой фазе (т.е. без растворителя) и в водном растворе (т.е. полярном растворителе). Когда X = F, аномерный эффект наблюдался в обеих средах, и аксиальное положение всегда было предпочтительным. Это связано с гиперконъюгацией. Когда X = OH или CN, аномерный эффект наблюдается в газовой фазе, когда предпочтительнее осевое положение. Однако в водных растворах оба заместителя предпочитают экваториальное положение. Это связано с тем, что их больше электростатический отталкивание с аксиально расположенным заместителем и полярным растворителем, в результате чего экваториальное положение является предпочтительным. Когда X = NH2опять же, не наблюдалось никакого аномерного эффекта, и всегда было предпочтительнее экваториальное положение.[11]

Преодоление аномерного эффекта

Хотя аномерный эффект может вызывать стабилизацию молекул, он действительно имеет значение для его стабилизации, и в некоторых случаях это значение может быть преодолено другими, более дестабилизирующими эффектами.

Spirofinal.png

В примере спирокеталей ориентация в левом верхнем углу показывает стабилизацию за счет гиперконъюгативного аномерного эффекта дважды, что значительно стабилизирует ориентацию молекулы. Ориентация в верхнем правом углу показывает эту гиперконъюгативную аномерную стабилизацию только один раз, что делает ее менее предпочтительной структурой. Однако при добавлении заместителя к основной цепи спирокета более предпочтительная структура может быть изменена. Когда к спирокетальному остову добавляется большой заместитель, как показано в нижнем левом углу, напряжение из-за 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. Таким образом, без заместителей реакция верхнего равновесия предпочтительна с левой стороны, тогда как реакция нижнего равновесия предпочтительна с правой стороны просто из-за добавления большого дестабилизирующего заместителя.[12]

Экзоаномерный эффект

Расширение аномерного эффекта, экзоаномерный эффект - это предпочтение заместителей, выходящих из кольца, для принятия гош-конформации, в то время как стерические факторы предполагают, что предпочтительна антиперипланарная конформация.

Соответствие метокси-THP.png

Примером этого является 2-метокситетрагидропиран. Как предсказывает аномерный эффект, метокси-заместитель демонстрирует повышенное предпочтение аксиальной конформации. Однако на самом деле существует более одной возможной осевой конформации из-за вращения вокруг связи С-О между метокси-заместителем и кольцом. Когда кто-то применяет принципы обратного аномерного эффекта, можно предсказать, что гош-конформер является предпочтительным, предполагая, что верхняя левая конформация является лучшей на рисунке выше. Это предположение подтверждается экспериментальными данными. Более того, это предпочтение гош-позиции все еще проявляется в экваториальной конформации.[13]

Обратный аномерный эффект

Этот термин относится к очевидному предпочтению положительно заряженных азотных заместителей экваториальной конформации сверх того, что можно было бы предсказать при нормальных стерических взаимодействиях в кольцах, содержащих электроотрицательный атом, такой как кислород. Заместители, содержащие атомы углерода с частичным положительным зарядом, не оказывают такого же эффекта.[14] Теоретические объяснения обратного аномерного эффекта включают электростатическое объяснение и делокализацию sp3 электроны неподеленной пары аномерного углерода и кислорода.[15] Есть некоторые споры о том, действительно ли это явление. Азотсодержащие заместители, о которых сообщалось, довольно громоздки, что затрудняет разделение нормальных эффектов стерического объема и обратного аномерного эффекта, если он действительно существует.[16] Например, в молекуле, показанной ниже, заместитель пиридиния сильно предпочитает экваториальное положение, как предсказывают стерические факторы, но на самом деле показывает более сильное предпочтение этой конформации, чем предсказывалось, предполагая, что вносит вклад обратный аномерный эффект.

Reverseanomeric.png

Металлоаномерный эффект

Поздние переходные металлы из групп 10, 11 и 12 при размещении у аномерного углерода проявляют сильные аксиальные предпочтения.[17] Это явление, называемое металлоаномерный эффект, происходит из-за стабилизации гиперконъюгативных взаимодействий между кислородом или другими гетероатомами с неподеленными парами и С-М антисвязывающими орбиталями, которые действуют как хорошие акцепторы. Обобщенный металлоаномерный эффект относится к термодинамической стабилизации синклинальных конформеров соединений общей формулы M-CH2-ИЛИ ЖЕ. На аксиальные / экваториальные предпочтения могут влиять лиганды, прикрепленные к металлу, и электронная конфигурация. В целом, при переходе от более легкого элемента к более тяжелому в группе величина металлоаномерного эффекта возрастает. Кроме того, более высокие степени окисления благоприятствуют осевым / синклинальным конформерам.

Синтетические приложения

Аномерный эффект учитывается синтетически. Благодаря его открытию в сахаре, сахаре и углевод химия - одно из наиболее распространенных синтетических применений аномерного эффекта. Например, Гликозидирование по Кенигсу-Кнорру устанавливает группу α-OR или β-OR с высокой диастереоселективностью, на которую влияет аномерный эффект. Лактон софоролипида, (+) - Лепицидин А и (-) - Литоспермозид - это некоторые из продуктов, синтезируемых посредством гликозидации Кенигса-Кнорра, преодолевая аномерный эффект.[18]

Wikinaturalproducts.png

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ ИЮПАК, Сборник химической терминологии, 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (1996) "Аномерный эффект ". Дои:10.1351 / goldbook.A00372
  2. ^ Juaristi, E .; Куэвас, Г. (1992). «Последние исследования аномерного эффекта». Тетраэдр. 48 (24): 5019–5087. Дои:10.1016 / S0040-4020 (01) 90118-8.
  3. ^ а б Bauerfeldt, Glauco F .; Cardozo, Thiago M .; Pereira, Márcio S .; да Силва, Кларисса О. (1 января 2013 г.). «Аномерный эффект: преобладание обменных эффектов в системах с замкнутой оболочкой». Органическая и биомолекулярная химия. 11 (2): 299. Дои:10.1039 / c2ob26818c.
  4. ^ Кирби, Энтони Дж. (1983). Аномерный эффект и связанные с ним стереоэлектронные эффекты у кислорода; с 24 столами. Берлин [u.a.]: Springer. ISBN  978-0-387-11684-6.
  5. ^ «Блог Chemistry World» Аномерный аргумент ». Архивировано из оригинал на 2019-05-16. Получено 2013-09-13.
  6. ^ а б Куэвас, Эусебио Хуаристи, Габриэль (1995). Аномерный эффект. Бока-Ратон: CRC Press. ISBN  978-0-8493-8941-2.
  7. ^ Vila, A .; Москера, Р. А. (2007). «Атомы в молекулах. Интерпретация аномерного эффекта в звене O — C — O». J. Comput. Chem. 28 (9): 1516–1530. Дои:10.1002 / jcc.20585. PMID  17330885.
  8. ^ Коробка, В. Г. С. (1990). «Роль неподеленных парных взаимодействий в химии моносахаридов. Аномерный эффект». Гетероциклы. 31 (6): 1157–1181. Дои:10.3987 / РЭВ-90-414.
  9. ^ Коробка, В. Г. С. (1991). «Роль неподеленных парных взаимодействий в химии моносахаридов. Стереоэлектронные эффекты в ненасыщенных моносахаридах». Гетероциклы. 32 (4): 795–807. Дои:10.3987 / РЭВ-91-425.
  10. ^ Сандберг, Фрэнсис А. Кэри; Ричард Дж. (2007). Продвинутая органическая химия: Часть A: Структура и механизмы (5. изд.). Берлин: Springer US. ISBN  978-0-387-68346-1.
  11. ^ 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. PMID  23515623.
  12. ^ Перрон, Франсуаза; Албизати, Ким Ф. (1 ноября 1989 г.). «Химия спирокеталей». Химические обзоры. 89 (7): 1617–1661. Дои:10.1021 / cr00097a015.
  13. ^ Зарек, Вальтер А. (1979). Аномерный эффект: происхождение и последствия. Вашингтон: Американское химическое общество. ISBN  978-0-8412-0470-6.
  14. ^ Кирби, А.Дж. (1983). Аномерный эффект и связанные с ним стереоэлектронные эффекты в кислороде. Нью-Йорк: Springer-Verlag. ISBN  978-0-387-11684-6.
  15. ^ Перрин, 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.
  16. ^ Тэтчер, Грегори Р. Дж. (1993). Аномерный эффект и связанные с ним стереоэлектронные эффекты. Вашингтон: Американское химическое общество. ISBN  978-0-8412-2729-3.
  17. ^ Чжу, Фэн; Вальчак, Мацей А. (4 августа 2020 г.). «Стереохимия комплексов переходных металлов, контролируемых металлоаномерным эффектом». Журнал Американского химического общества. Дои:10.1021 / jacs.0c06882.
  18. ^ Курти, Ласло; Чако, Барбара (2007). Стратегические применения названных реакций в органическом синтезе: предпосылки и подробные механизмы; 250 названных реакций (Pbk. Ed., [Nachdr.]. Ed.). Амстердам [u.a.]: Elsevier Academic Press. ISBN  978-0-12-429785-2.

внешняя ссылка