Принцип Куртина – Хэммета - это принцип химической кинетики, предложенный Дэвидом Ярроу Кертином и Луи Плаком Хэмметом . В нем говорится, что для реакции, в которой есть пара реакционноспособных промежуточных продуктов или реагентов, которые быстро взаимопревращаются (как обычно бывает в случае конформационных изомеров ), каждая из которых необратимо переходит в другой продукт, соотношение продуктов будет зависеть как от разницы в энергии между два конформера иэнергетические барьеры от каждого из быстро уравновешивающихся изомеров к их соответствующим продуктам. Другими словами, распределение продукта отражает разницу в энергии между двумя ограничивающими скорость переходными состояниями. В результате распределение продукта не обязательно будет отражать равновесное распределение двух промежуточных продуктов. [1] [2] Принцип Куртина-Хэммета был использован для объяснения селективности в различных стерео- и региоселективных реакциях. Соотношение между константами (кажущаяся) скорости и константой равновесия известно как Уинстейн - Холнесс уравнения.
Определение
Принцип Куртина-Хэммета применим к системам, в которых разные продукты образуются из двух равновесных друг с другом субстратов. Быстро превращающиеся друг в друга реагенты могут иметь любые отношения между собой ( стереоизомеры , структурные изомеры , конформационные изомеры и т. Д.). Формирование продукта должно быть необратимым, и разные продукты не должны подвергаться взаимному преобразованию. [3]
Например, для видов A и B, которые быстро уравновешиваются, в то время как A необратимо превращается в C , а B необратимо превращается в D :
K - константа равновесия между A и B , а k 1 и k 2 - константы скорости образования C и D соответственно. Когда скорость взаимного превращения между A и B намного выше, чем k 1 или k 2 , тогда принцип Куртина-Хэммета говорит нам, что соотношение продуктов C : D не равно равновесному соотношению реагентов A : B , а вместо этого определяется относительными энергиями переходных состояний (т. е. разницей в абсолютных энергиях переходных состояний). Если бы реагенты A и B были при одинаковых энергиях, соотношение продуктов зависело бы только от барьеров активации реакций, ведущих к каждому соответствующему продукту. Однако в реальном сценарии два реагента, вероятно, находятся на несколько разных энергетических уровнях, хотя барьер для их взаимного превращения должен быть низким для применения сценария Куртина-Хэммета. В этом случае распределение продукта зависит как от соотношения равновесной A к B и от относительных барьеров активации , идущих в соответствующих продукты C и D . Оба фактора учитываются разницей энергий переходных состояний (ΔΔ G ‡ на рисунке ниже).
Координата реакции свободный профиль энергии типичной реакции под контролем Кёртин-Hammett представлена на следующем рисунке:
Соотношение продуктов зависит только от значения, обозначенного ΔΔ G ‡ на рисунке: C будет основным продуктом, потому что энергия TS1 ниже, чем энергия TS2 . Распространенное, но ошибочное утверждение состоит в том, что распределение продукта никоим образом не отражает относительную свободную энергию подложек A и B ; фактически, он отражает относительную свободную энергию подложек и относительную энергию активации. [3] [4] Это недоразумение может происходить из-за непонимания различия между «разницей энергий активации» и «разницей в энергиях переходного состояния». Хотя эти величины на первый взгляд могут показаться синонимичными, последнее учитывает константу равновесия для взаимного превращения A и B , а первое - нет.
Математически соотношение произведений может быть выражено как функция от K , k 1 и k 2 или через соответствующие энергии Δ G °, Δ G 1 ‡ и Δ G 2 ‡ . Комбинируя члены, соотношение продуктов можно переписать в терминах одной только величины ΔΔ G ‡ , где ΔΔ G ‡ = (Δ G 2 ‡ - Δ G 1 ‡ ) + Δ G °. Изучение энергетической диаграммы (показанной выше) показывает, что ΔΔ G ‡ - это как раз разница в энергиях переходного состояния.
Вывод
Типичную реакцию Куртина – Хэммета можно описать следующими параметрами:
Для того , для быстрого уравновешивания , чтобы быть хорошим предположение, скорость превращения из менее стабильной A или B к продукту C или D должна быть по крайней мере в 10 раз медленнее , чем скорость установления равновесия между A и B . [5]
Скорость образования для соединения C из A задается как
- ,
и D из B как
- ,
со вторым приближенным равенством, вытекающим из предположения о быстром уравновешивании. При таком предположении соотношение продуктов тогда
- .
Другими словами, поскольку уравновешивание происходит быстрее по сравнению с образованием продукта, на протяжении всей реакции. Как результат,также остается примерно постоянным на протяжении всей реакции. В свою очередь, интегрирование по времени означает, что также принимает примерно постоянное значение в ходе реакции, а именно: .
Таким образом, с точки зрения энергий основного и переходного состояний, соотношение произведений можно записать как:
- .
Важно отметить, что рассмотрение приведенной выше энергетической диаграммы позволяет нам написать
- ,
давая нам упрощенное уравнение, которое отражает суть принципа Куртина-Хэммета:
Таким образом, хотя соотношение продуктов зависит от константы равновесия между A и B и разницы в энергии между барьерами от A до C и от B до D , оба этих фактора автоматически учитываются разностью энергий переходных состояний. ведущие к продуктам, ΔΔ G ‡ .
Классы реакций под контролем Куртина – Хэммета.
Три основных класса реакций можно объяснить принципом Куртина-Хэммета: либо более или менее стабильный конформер может реагировать быстрее, либо они оба могут реагировать с одинаковой скоростью.
Случай I: более стабильный конформер быстрее реагирует
Одна категория реакций под контролем Куртина – Хэммета включает превращения, при которых более стабильный конформер реагирует быстрее. Это происходит, когда переходное состояние от основного промежуточного продукта к соответствующему продукту имеет более низкую энергию, чем переходное состояние от второстепенного промежуточного продукта к другому возможному продукту. Затем основной продукт получают из основного конформера, и распределение продукта не отражает равновесное распределение конформера.
Пример: окисление пиперидина
Пример сценария Куртина-Хамметта, в котором более стабильный конформационный изомер реагирует быстрее, наблюдается во время окисления пиперидинов . В случае N-метилпиперидина инверсия по азоту между диастереомерными конформерами происходит намного быстрее, чем скорость окисления амина. [6] Конформация, которая помещает метильную группу в экваториальное положение, на 3,16 ккал / моль более стабильна, чем осевая конформация. [7] Соотношение продуктов 95: 5 указывает на то, что более стабильный конформер приводит к основному продукту. [8]
Случай II: менее стабильный конформер реагирует быстрее
Вторая категория реакций под контролем Куртина-Хэммета включает те, в которых менее стабильный конформер реагирует быстрее. В этом случае, несмотря на энергетическое предпочтение менее реакционноспособных частиц, основной продукт получают из более высокоэнергетических частиц. Важным следствием является то, что продукт реакции может быть получен из конформера, который имеет достаточно низкую концентрацию, чтобы его нельзя было наблюдать в основном состоянии. [3]
Пример: алкилирование тропана
Алкилирование из тропанов с йодистым метилом является классическим примером сценария Кёртин-Hammett , в которой основной продукт может возникнуть из менее стабильной конформации. [3] Здесь менее стабильный конформер реагирует через более стабильное переходное состояние с образованием основного продукта. [9] Следовательно, конформационное распределение основного состояния не отражает распределение продукта.
[ требуется разъяснение ]
Случай III: оба конформера реагируют с одинаковой скоростью
Гипотетически возможно, что два разных конформера в равновесии могут реагировать через переходные состояния, равные по энергии. В этом случае селективность продукта будет зависеть только от распределения конформеров в основном состоянии. В этом случае оба конформера будут реагировать с одинаковой скоростью.
Пример: S N 2 реакция циклогексилиодида.
Эрнест Л. Элиэль предположил, что гипотетическая реакция циклогексилиодида с радиоактивно меченным иодидом приведет к полностью симметричному переходному состоянию. [10] Поскольку как экваториальные, так и аксиально замещенные конформеры будут реагировать через одно и то же переходное состояние, ΔΔG ‡ будет равно нулю. В соответствии с принципом Куртина-Хэммета, распределение продуктов должно быть на 50% осевым и 50% экваториальным. Однако уравновешивание продуктов исключает возможность наблюдения этого явления. [3]
Пример: радикальное метилирование
Когда энергии основного состояния различны, но энергии переходных состояний аналогичны, селективность будет ухудшаться в переходном состоянии, и может наблюдаться низкая общая селективность. Например, высокая селективность по одному конформеру основного состояния наблюдается в следующей реакции радикального метилирования . [11]
Конформер, в котором минимизирована деформация A (1,3), имеет минимум энергии, что обеспечивает селективность 99: 1 в основном состоянии. Однако энергии переходного состояния зависят как от наличия штамма A (1,3), так и от стерических затруднений, связанных с поступающим метильным радикалом. В этом случае эти два фактора противоположны, и разница в энергиях переходного состояния мала по сравнению с разницей в энергиях основного состояния. В результате наблюдается плохая общая селективность реакции.
Применение к стереоселективным и региоселективным реакциям
Принцип Куртина-Хэммета используется для объяснения отношений селективности некоторых стереоселективных реакций.
Приложение к динамическому кинетическому разрешению
Принцип Куртина-Хэммета может объяснить наблюдаемую динамику преобразований, используя динамическое кинетическое разрешение , такое как асимметричное гидрирование Нойори [12] и энантиоселективное литиирование. [13]
Асимметричное гидрирование Нойори
Быстрое уравновешивание энантиомерных конформеров и необратимое гидрирование ставят реакцию под контроль Кертина-Хаммета. Использование хирального катализатора приводит к более высокому и низкоэнергетическому переходному состоянию для гидрирования двух энантиомеров. Превращение происходит через переходное состояние с более низкой энергией с образованием продукта в виде единственного энантиомера. [14] В соответствии с принципом Куртина-Хаммета соотношение продуктов зависит от абсолютного энергетического барьера необратимой стадии реакции и не отражает равновесное распределение конформеров субстрата. Профиль относительной свободной энергии одного примера асимметричного гидрирования Нойори показан ниже:
Энантиоселективное литиирование
Динамическое кинетическое разрешение в условиях Куртина-Хэммета также применялось к реакциям энантиоселективного литирования. В приведенной ниже реакции наблюдали, что энантиоселективность продукта не зависела от хиральности исходного материала. Использование (-) - спартеина необходимо для энантиоселективности, так как рацемический продукт образуется в его отсутствие. [13] Уравновешивание между двумя алкиллитиевыми комплексами было продемонстрировано наблюдением, что энантиоселективность оставалась постоянной в течение реакции. Если бы два комплекса реагентов не превращались быстро друг в друга, энантиоселективность со временем снижалась бы по мере истощения конформера, реагирующего быстрее.
Применение к региоселективному ацилированию
Принцип Кёртин-Хэммет был вызван для объяснения региоселективности в ацилирования 1,2-диолов. Обычно менее затрудненный участок асимметричного 1,2-диола будет испытывать более быструю этерификацию из-за уменьшения стерических препятствий между диолом и ацилирующим реагентом. Разработка селективной этерификации наиболее замещенной гидроксильной группы является полезным преобразованием в синтетической органической химии, особенно в синтезе углеводов и других полигидроксилированных соединений. [15] Станнилен ацетали были использованы для эффективного достижения этого превращения. [16]
Асимметричный диол сначала обрабатывают реагентом олова, чтобы получить дибутилстанниленацеталь. Затем это соединение обрабатывают одним эквивалентом ацилхлорида с получением моноэфира станнила. Доступны два изомера станнилового эфира, которые могут быстро превращаться друг в друга через тетраэдрическое промежуточное соединение. Первоначально преобладает менее стабильный изомер, так как он быстрее образуется из станнилацеталя. Однако обеспечение уравновешивания двух изомеров приводит к избытку более стабильного первичного алкоксистаннана в растворе. Затем реакция необратимо гасится, причем менее затрудненный первичный алкоксистаннан реагирует быстрее. Это приводит к селективному получению более замещенного моноэфира. Это сценарий Куртина – Хэммета, в котором более стабильный изомер также реагирует более быстро.
Применение к асимметричному эпоксидированию
Эпоксидирования несимметричных алкенов также была изучена в качестве примера кинетики Кёртин-Гаммет. При компьютерном исследовании диастереоселективного эпоксидирования хиральных аллильных спиртов пероксокомплексами титана вычисленная разница в энергиях переходного состояния между двумя конформерами составила 1,43 ккал / моль. [17] Экспериментально наблюдаемое соотношение продуктов составляло 91: 9 в пользу продукта, полученного из переходного состояния с более низкой энергией. Это соотношение продуктов согласуется с вычисленной разницей в энергиях переходного состояния. Это пример, в котором конформер, предпочтительный в основном состоянии, который испытывает пониженную деформацию A (1,3), реагирует через переходное состояние с более низкой энергией с образованием основного продукта.
Синтетические приложения
Синтез AT2433-A1
Принцип Куртина-Хэммета был использован для объяснения избирательности в различных синтетических путях. Один пример наблюдается на пути к противоопухолевому антибиотику AT2433-A1, в котором циклизация типа Манниха протекает с превосходной региоселективностью. Исследования показывают, что стадия циклизации необратима в растворителе, используемом для проведения реакции, что позволяет предположить, что кинетика Куртина-Хаммета может объяснить селективность продукта. [18]
Синтез капакахинов B и F
Сценарий Куртина-Хэммета был использован для объяснения селективности синтеза капакахинов B и F, двух циклических пептидов, выделенных из морских губок. В структуре каждого из двух соединений есть закрученный 16-членный макроцикл. [19] Ключевым этапом синтеза является селективное образование амидной связи для получения правильного макроцикла. В энантиоселективном синтезе капакахинов B и F Филом Бараном образование макроцикла должно происходить через два изомера субстрата. [20] Более доступный изомер с более низкой энергией приводит к нежелательному продукту, тогда как менее стабильный изомер дает желаемый продукт. Однако, поскольку стадия образования амидной связи была необратимой и барьер для изомеризации был низким, основной продукт был получен из более быстро реагирующего промежуточного продукта. Это пример сценария Куртина-Хэмметта, в котором менее стабильное промежуточное соединение значительно более реактивно, чем более стабильное промежуточное соединение, которое преобладает в растворе. Поскольку изомеризация субстрата происходит быстро, в ходе реакции избыток субстрата более стабильной формы может быть преобразован в менее стабильную форму, которая затем претерпевает быстрое и необратимое образование амидной связи с образованием желаемого макроцикла. Эта стратегия обеспечивала желаемый продукт с селективностью> 10: 1. (Я думаю, что в схеме есть ошибка. См. Страницы обсуждения.)
Синтез (+) - гризеофульвина
При первом энантиоселективном синтезе (+) - гризеофульвина , мощного противогрибкового агента [21], наблюдалась ситуация Кертина-Хаммета. Ключевым этапом синтеза является катализируемое родием образование оксониевого илида, который затем претерпевает [2,3] сигматропную перегруппировку на пути к желаемому продукту. [22] Однако субстрат содержит две орто-алкоксигруппы, каждая из которых предположительно может участвовать в образовании оксониевого илида.
Однако получение высокой селективности в отношении желаемого продукта было возможным из-за различий в активационных барьерах на стадии, следующей за образованием илида. Если орто-метоксигруппа претерпевает образование оксоний-илида, 1,4-метильный сдвиг может привести к образованию нежелательного продукта. Илид оксония, образованный из другой ортоалкоксигруппы, подвергается [2,3] сигматропной перегруппировке с получением желаемого соединения. Пиррунг и соавторы сообщили о полной селективности в отношении желаемого продукта по сравнению с продуктом, полученным в результате 1,4-метилового сдвига. Этот результат предполагает, что образование оксониевого илида обратимо, но что последующая стадия необратима. Допустимая симметрия [2,3] сигматропная перегруппировка должна идти по пути, который имеет более низкую энергию активации, чем 1,4-метиловый сдвиг, что объясняет исключительное образование желаемого продукта.
Синтез (+) - аллоциатина B 2
Потенциальный сценарий Куртина-Хаммета также встречался во время энантиоселективного полного синтеза (+) - аллоциатина В2 группой Троста. [23] Основным этапом синтеза была диастереоселективная циклоизомеризация, катализируемая Ru. Реакция может привести к образованию двух возможных изомеров с двойной связью. Реакция обеспечивала хорошую селективность по желаемому изомеру с результатами, соответствующими сценарию Куртина-Хэммета. Первоначальное окислительное циклорутенирование и отщепление бета-гидрида дают гидрид винилрутения. Введение гидрида обеспечивает легкую изомеризацию алкена. Маловероятно, что результат реакции отражает стабильность промежуточных соединений, поскольку большая группа CpRu испытывает неблагоприятные стерические взаимодействия с соседней изопропильной группой. Вместо этого применяется ситуация Куртина-Хэммета, в которой изомер, находящийся в равновесии, не приводит к основному продукту. Восстановительное устранение предпочтительнее из более реактивного, менее стабильного промежуточного продукта, поскольку снятие напряжения максимизируется в переходном состоянии. Это дает желаемый изомер с двойной связью.
Смотрите также
- Теория переходного состояния
- Химическая кинетика
- Свободная энергия Гиббса
Рекомендации
- ^ Кэри, Фрэнсис А.; Sundberg, Ричард Дж .; (1984). Продвинутая органическая химия, часть А, структура и механизмы (2-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Пленум Пресс. ISBN 0-306-41198-9
- ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (1994) " Принцип Куртина – Хэммета ". DOI : 10,1351 / goldbook.C01480
- ^ а б в г д Джеффри И. Симан (1983). «Влияние изменения конформации на реакционную способность в органической химии. Оценка, применение и расширение кинетики Кутина-Хаммета / Винштейна-Холнесса». Химические обзоры . 83 (2): 83–134. DOI : 10.1021 / cr00054a001 .
- ^ Джеффри И. Симан (1986). «Принцип Куртина – Гаммета и уравнение Винштейна – Холнесса». Журнал химического образования . 63 (1): 42–48. Bibcode : 1986JChEd..63 ... 42S . DOI : 10.1021 / ed063p42 .
- ^ Взорек, Джозеф (18 декабря 2009 г.). "Принцип Куртина-Хэммета и уравнение Винштейна-Холнесса" (PDF) . Семинары группы Evans . Проверено 19 ноября 2017 .
- ^ П.Дж. Кроули; MJT Робинсон; М.Г. Уорд (1977). «Конформационные эффекты в соединениях с 6-членным кольцом-XII». Тетраэдр . 33 (9): 915–925. DOI : 10.1016 / 0040-4020 (77) 80202-0 .
- ^ Луис Карбаллейра; Игнасио Перес-Хусте (1998). «Влияние уровня расчета и эффект метилирования на аксиальное / экваториальное равновесие в пиперидинах». Журнал вычислительной химии . 19 (8): 961–976. DOI : 10.1002 / (SICI) 1096-987X (199806) 19: 8 <961 :: AID-JCC14> 3.0.CO; 2-A .
- ^ Ю. Шво; ЭД Кауфман (1972). «Конфигурационный и конформационный анализ оксидов циклических аминов». Тетраэдр . 28 (3): 573–580. DOI : 10.1016 / 0040-4020 (72) 84021-3 .
- ^ Родни Д. Оценбергер; Кеннет Б. Липковиц; Брэдфорд П. Манди (1974). «Кватернизации в 8-азабицикло [4.3.0] нон-3-еновых рядах». Журнал органической химии . 39 (3): 319–321. DOI : 10.1021 / jo00917a008 .
- ^ Элиэль, Эрнест Л. (1962). Стереохимия углеродных соединений . Нью-Йорк: Макгроу – Хилл. стр. 149 -156, 234-239.
- ^ Giese, B .; Коппинг, Б .; Гобель, Т .; Dickhaut, J .; Thoma, G .; Кулике, К .; Трач, Ф. (2004). Органические реакции .
- ^ М. Китамура; М. Токунага; Р. Нойори (1993). «Количественное выражение динамического кинетического разрешения хирально лабильных энантиомеров: стереоселективное гидрирование 2-замещенных эфиров 3-оксокарбоновых кислот, катализируемое комплексами BINAP-рутений (II)». Журнал Американского химического общества . 115 (1): 144–152. DOI : 10.1021 / ja00054a020 .
- ^ а б Питер Бик; Амит Басу; Дональд Дж. Галлахер; Юн Сон Парк; С. Тайуманаван (1996). «Региоселективные, диастереоселективные и энантиоселективные последовательности лития-замещения: пути реакций и синтетические применения». Счета химических исследований . 29 (11): 552–560. DOI : 10.1021 / ar950142b .
- ^ Нойори, Рёдзи ; Икеда, Т .; Окума, Т .; Widhalm, M .; Kitamura, M .; Takaya, H .; Akutagawa, S .; Sayo, N .; Сайто, Т .; Taketomi, T .; Кумобаяси, Х. (1989). «Стереоселективное гидрирование с помощью динамического кинетического разрешения». Журнал Американского химического общества . 111 (25): 9134–9135. DOI : 10.1021 / ja00207a038 .
- ^ Уистлер, Р.Л .; Вольфром, М. Л. (1963). Методы химии углеводов . Академическая пресса .
- ^ Роеленс, С. (1996). «Оловоорганическое моноацилирование диолов с обратной хемоселективностью». Журнал органической химии . 61 (16): 5257–5263. DOI : 10.1021 / jo960453f .
- ^ Cui, M .; Adam, W .; Шен, JH; Луо, XM; Tan, X, J .; Chen, KX; Ji, RY; Цзян, HL (2002). "Плотностно-функциональное исследование механизма диастереоселективного эпоксидирования хиральных аллиловых спиртов комплексами пероксида титана". Журнал органической химии . 67 (5): 1427–1435. DOI : 10.1021 / jo016015c .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ Chisholm, JM; Ван Ванкен, DL (2000). «Региоконтролируемый синтез противоопухолевого антибиотика АТ2433-А1». Журнал органической химии . 65 (22): 7541–7553. DOI : 10.1021 / jo000911r .
- ^ Накао, Йоичи; Йунг, Брайан К.С.; Йошида, Уэсли Й .; Scheuer, Paul J .; Келли-Борхес, Мишель (1995). «Капакахин В, циклический гексапептид с -каболиновой кольцевой системой из морской губки Cribrochalina olemda». Журнал Американского химического общества . 117 (31): 8271–8272. DOI : 10.1021 / ja00136a026 . ISSN 0002-7863 .
- ^ Ньюхаус, Т .; Льюис, Калифорния; Баран П.С. (2009). «Энантиоспецифический тотальный синтез капакахинов B и F». Журнал Американского химического общества . 131 : 6360–6361. DOI : 10.1021 / ja901573x .
- ^ Дэвис, Р.Р. (1980). Противогрибковая химиотерапия . Wiley & Sons .
- ^ Пиррунг, MC; Brown, William, L .; Rege, S .; Лотон, П. (1991). «Полный синтез (+) - гризеофульвина». Журнал Американского химического общества . 113 : 8561–8562. DOI : 10.1021 / ja00022a075 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ Трост, БМ; Dong, L .; Шредер, GM (2005). «Полный синтез (+) - Аллоциатина В 2 ». Журнал Американского химического общества . 127 : 2844–2845. DOI : 10.1021 / ja0435586 .
Внешние ссылки
- https://web.archive.org/web/20111005191716/http://www.joe-harrity.staff.shef.ac.uk/meetings/CurtinHammettreview.pdf
- https://web.archive.org/web/20120402124752/http://evans.harvard.edu/pdf/smnr_2009_WZOREK_JOSEPH.pdf