Allylisk stam
Allylstam (även känd som A 1,3- stam , 1,3-allylstam eller A-stam ) i organisk kemi är en typ av stamenergi som härrör från interaktionen mellan en substituent i ena änden av en olefin (en synonym för en alken) med en allylisk substituent i andra änden. Om substituenterna (R och R') är tillräckligt stora i storlek kan de steriskt interferera med varandra så att den ena konformern gynnas i hög grad framför den andra. Allylisk stam erkändes först i litteraturen 1965 av Johnson och Malhotra. Författarna undersökte cyklohexankonformationer inklusive endocykliska och exocykliska dubbelbindningar när de märkte att vissa konformationer var ogynnsamma på grund av de geometriska begränsningarna som orsakades av dubbelbindningen. Organiska kemister drar nytta av styvheten till följd av allylisk stam för användning i asymmetriska reaktioner.
Kvantifiera allylisk stamenergi
En molekyls "töjningsenergi" är en storhet som är svår att exakt definiera, så innebörden av denna term kan lätt variera beroende på ens tolkning. Istället är ett objektivt sätt att se den allyliska stammen av en molekyl genom dess konformationella jämvikt. Genom att jämföra bildningsvärmena för de inblandade konformatorerna kan en total AH- ekv utvärderas. Denna term ger information om den relativa stabiliteten för de inblandade konformatorerna och effekten av allylstammen har en jämvikt. Formationsvärme kan bestämmas experimentellt genom kalorimetriska studier; dock är beräknade entalpier vanligare på grund av den större lättheten att förvärva.
Olika metoder som används för att uppskatta konformationell jämviktsentalpi inkluderar: Westheimer-metoden, homomorfmetoden och enklare - att använda uppskattade entalpier av icke-bundna interaktioner inom en molekyl. Eftersom alla dessa metoder är approximationer, kan rapporterade stamvärden för samma molekyl variera och bör endast användas för att ge en allmän uppfattning om stamenergin.
Olefiner
Den enklaste typen av molekyler som uppvisar allylisk stam är olefiner. Beroende på substituenterna upprätthåller olefiner olika grader av allylisk stam. I 3-metyl-1-buten orsakar interaktionerna mellan vätet och de två metylgrupperna i det allyliska systemet en förändring i entalpi lika med 2 kcal/mol. [ verifiering behövs ] Som förväntat, med en ökning av substituentstorleken, ökar även jämviktsentalpieerna mellan rotamerer. Till exempel, när man undersöker 4-metyl-2-penten som innehåller en extra allylisk metylgrupp jämfört med 3-metyl-1-buten, ökar rotationsentalpin för den högsta energikonformatorn från 2 kcal/mol till 4 kcal/mol.
Cykliska molekyler
Icke-bundna 1,3-diaxiella interaktionsenergier används vanligtvis för att approximera töjningsenergin i cykliska molekyler, eftersom värden för dessa interaktioner är tillgängliga. Genom att ta skillnaden i obundna interaktioner för varje konformer kan jämviktsentalpin uppskattas. Stamenergin för metylidencyklohexan har beräknats till 4,5 kcalmol −1 med hjälp av uppskattningar för 1,3-diaxial stam (0,9 kcalmol −1 ), metyl/väte allylisk stam (1,3 kcalmol −1 ) och metyl/metyl allylisk stam (76. kcalmol −1 ) värden.
Stamenergin i 1,8-dimetylnaftalen beräknades till 7,6 kcalmol −1 och cirka 12-15 kcalmol −1 för 4,5-dimetylfenantren. Allylisk stam tenderar att vara större för cykliska molekyler jämfört med olefiner eftersom stamenergin ökar med ökande styvhet i systemet. En djupgående sammanfattning av allylisk stam i sexledade ringar har presenterats i en recension av Johnson, F.
Påverkande faktorer
Flera faktorer påverkar energistraffet som är förknippat med den allyliska stammen. För att lindra påfrestningar orsakade av interaktion mellan de två metylgrupperna kommer cyklohexanerna ofta att uppvisa en båt- eller twist-boat-konformation . Båtkonformationen tenderar att vara den huvudsakliga konformationen till stammen. Effekten av allylisk stam på cis -alkener skapar en preferens för mer linjära strukturer.
Substituens storlek
Storleken på substituenterna som interagerar vid 1- och 3-positionerna i en allylgrupp är ofta den största faktorn som bidrar till storleken på stammen. Som regel kommer större substituenter att skapa en större spänning. Närhet till skrymmande grupper orsakar en ökning av frånstötande Van der Waals-krafter. Detta ökar snabbt påkänningens storlek. Interaktionerna mellan väte- och metylgruppen i det allyliska systemet orsakar en förändring i entalpi lika med 3,6 kcal/mol. Töjningsenergin i detta system beräknades till 7,6 kcal/mol på grund av interaktioner mellan de två metylgrupperna.
Substituens polaritet
Polaritet har också en effekt på allylisk stam. När det gäller stereoselektivitet fungerar polära grupper som stora, skrymmande grupper. Även om två grupper kan ha ungefär samma A-värden kommer den polära gruppen att agera som om den vore mycket skrymmande. Detta beror på den polära gruppens donatorkaraktär. Polära grupper ökar HOMO- energin i σ-systemet i övergångstillståndet. Detta gör att övergångstillståndet är i ett mycket mer gynnsamt läge när den polära gruppen inte interagerar i en 1,3 allylisk stam.
Vätebindning
Med vissa polära substituenter kan vätebindning ske i det allyliska systemet mellan substituenterna. Snarare än den stam som normalt skulle uppstå i närheten av gruppen, stabiliserar vätebindningen konformationen och gör den energetiskt mycket mer gynnsam. Detta scenario inträffar när den allyliska substituenten i 1-positionen är en vätebindningsdonator (vanligtvis en hydroxyl ) och substituenten i 3-positionen är en vätebindningsacceptor (vanligtvis en eter ). Även i fall där det allyliska systemet skulle kunna anpassa sig till att placera ett mycket mindre väte i vätebindningsacceptorns position, är det mycket mer fördelaktigt att tillåta vätebindningen att bildas.
Lösningsmedel
Lösningsmedel har också en effekt på allylisk stam. När de används i kombination med kunskap om effekterna av polaritet på allylisk stam, kan lösningsmedel vara mycket användbara för att styra konformationen av en produkt som innehåller en allylisk struktur i dess övergångstillstånd. När ett skrymmande och polärt lösningsmedel kan interagera med en av substituenterna i allylgruppen, kan lösningsmedlets komplex energiskt tvinga ut det skrymmande komplexet ur allylstammen till förmån för en mindre grupp.
Konjugation
Konjugering ökar den allyliska stammen eftersom den tvingar substituenter till en konfiguration som får deras atomer att vara närmare varandra, vilket ökar styrkan hos frånstötande Van der Waals-krafter . Denna situation inträffar mest märkbart när karboxylsyra eller keton är involverad som en substituent i allylgruppen. Resonanseffekt på karboxylgruppen flyttar CO-dubbelbindningen till en hydroxigrupp. Karboxylgruppen kommer således att fungera som en hydroxylgrupp som kommer att orsaka att en stor allylstam bildas och upphäver stabiliseringseffekterna av den förlängda konjugationen. Detta är mycket vanligt vid enoliseringsreaktioner och kan ses i figuren nedan under "Sura förhållanden".
I situationer där molekylen antingen kan vara i ett konjugerat system eller undvika allylisk stam, har det visat sig att molekylens huvudform kommer att vara den som undviker stam. Detta har hittats via cykliseringen i figuren nedan. Under behandling av perklorsyra cykliserar molekyl A in i det konjugerade systemet som visas i molekyl B. Emellertid kommer molekylen att omordnas (på grund av allylisk stam) till molekyl C, vilket gör att molekyl C blir huvudarten. Sålunda uppväger omfattningen av destabiliseringen via den allyliska stammen den stabilisering som orsakas av det konjugerade systemet.
Sura förhållanden
I fall där en enolisering sker runt en allylisk grupp (vanligtvis som en del av ett cykliskt system), kan en 1,3- stam göra att reaktionen blir nästan omöjlig. I dessa situationer skulle syrabehandling normalt orsaka att alkenen protoneras, vilket flyttar dubbelbindningen till karboxylgruppen och ändrar den till en hydroxigrupp . Den resulterande allyliska stammen mellan alkoholen och den andra gruppen involverad i det allyliska systemet är så stor att reaktionen inte kan ske under normala termodynamiska förhållanden. Samma enolisering sker mycket snabbare under grundläggande förhållanden, eftersom karboxylgruppen hålls kvar i övergångstillståndet och tillåter molekylen att anta en konformation som inte orsakar allylisk stam.
Applicering av allylisk stam i organiska reaktioner och total syntes
Ursprunget till stereoselektivitet av organiska reaktioner från allylisk stam
När man överväger allylisk stam, måste man överväga de möjliga konformatorerna och det möjliga stereoelektroniska behovet av reaktionen. Till exempel, i konformationen av (Z)-4-metylpent-2-en, är molekylen inte frusen i den gynnade konformern utan roterar i den dihedriska vinkeln runt 30° vid <1 kcal/mol kostnad. I stereoselektiva reaktioner finns det 2 effekter av allylisk belastning på reaktionen som är den steriska effekten och de elektroniska effekterna. Den steriska effekten är där den största gruppen föredrar att vara längst bort från alkenen. Den elektroniska effekten är där substituenternas orbitaler föredrar att rikta in anti eller utanför orbitalerna beroende på reaktionen.
Hydroboreringsreaktion
Hydroboreringsreaktionen är en användbar reaktion för att funktionalisera alkener till alkoholer. I reaktionen fyller trimetylsilylgruppen (TMS) två roller för att styra reaktionens stereoselektivitet. För det första hjälpte den skrymmande storleken på TMS molekylen att företrädesvis anta en konformation där TMS inte är nära metylgruppen på alkenen. För det andra gav TMS-gruppen en stereoelektronisk effekt på molekylen genom att anta en antikonformation till alkenens styrande orbitaler. För reaktionens regioselektivitet kan TMS-gruppen stabilisera den utvecklande partiella positiva laddningen på det sekundära kolet mycket bättre än en metylgrupp.
Aldol reaktion
I den mycket mångsidiga och allmänt använda Evans Aldol-reaktionen spelade allylisk stam en stor roll i utvecklingen av reaktionen. Z-enolatet skapades för att undvika allylstammen med oxazolidinon. Bildandet av ett specifikt enolat framtvingar utvecklingen av relativ stereokemi genom hela reaktionen, vilket gör aldolreaktionen till en mycket prediktiv och användbar metod där ute för att syntetisera kirala molekyler. Den absoluta stereokemin bestäms sedan av kiraliteten hos oxazolidinonen.
Det finns en annan aspekt av aldolreaktionen som påverkas av den allyliska stammen. Vid den andra aldolreaktionen bildas produkten som är en 1,3-dikarbonyl med hög diastereoselektivitet. Detta beror på att surheten hos protonen reduceras avsevärt eftersom för att deprotoneringen ska ske måste den gå igenom en utvecklande allylstam i den ogynnsamma konformationen. I den gynnade konformationen är protonen inte korrekt inriktad för att deprotonering ska ske.
Diels-Alder reaktion
I en intramolekylär Diels-Alder-reaktion kan asymmetrisk induktion induceras genom allylisk 1,3-stam på dien eller dienofil. I följande exempel tvingade metylgruppen på dienofilen molekylen att anta den specifika 6-ledade ringkonformationen på molekylen.
I modellstudierna för att syntetisera klorotrikolid gav en intramolekylär Diels Alder-reaktion en blandning av diastereomerer. Men genom att installera en skrymmande TMS-substituent gav reaktionen den önskade produkten med hög diastereoselektivitet och regioselektivitet i bra utbyte. Den skrymmande TMS-substituenten hjälper till att förbättra allylisk 1,3-stam i molekylens konformation.
Total syntes av naturliga produkter
I seminarieuppsatsen om den totala syntesen av (+)-monensin, använde Kishi och medarbetare den allyliska stammen för att inducera asymmetrisk induktion i hydroborationsoxidationsreaktionen. Reaktionen är regioselektiv och stereoselektiv. Reaktionens regioselektivitet beror på den signifikanta positiva karaktären som utvecklas vid det tertiära kolet. Reaktionens stereoselektivitet beror på attacken av boranen från den minst hindrade sidan till vilken metylgruppen ligger.
externa länkar
- Advanced Organic Chemistry Lecture Notes (Evans, DA; Myers, AG Harvard University, 2006-2007)