Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Общая структура иона оксокарбения

Oxocarbenium иона (или oxacarbenium ион ) представляет собой химическое соединение , характеризующиеся центральной зр 2 -hybridized углерода, заместителем , кислорода и общего положительного заряда , который делокализованной между центральными атомами углерода и кислорода. [1] Ион оксокарбения представлен двумя ограничивающими резонансными структурами, одна в форме иона карбения с положительным зарядом на углероде, а другая в виде частиц оксония с формальным зарядом на кислороде. Как резонансный гибрид, истинная структура находится между ними двумя. По сравнению с нейтральными карбонильными соединениями, такими как кетоны или сложные эфиры, форма карбениевого иона вносит больший вклад в структуру. Они являются обычными реактивными промежуточными продуктами при гидролизегликозидные связи и являются обычно используемой стратегией химического гликозилирования . Эти ионы с тех пор были предложены в качестве реактивных промежуточных продуктов в широком диапазоне химических превращений и были использованы в полном синтезе нескольких природных продуктов. Кроме того, они обычно появляются в механизмах катализируемого ферментами биосинтеза и гидролиза углеводов в природе. Антоцианы - это природные флавилиевые красители, которые представляют собой стабилизированные соединения оксокарбения. Антоцианы отвечают за окраску широкого спектра распространенных цветов, таких как анютины глазки, и съедобных растений, таких как баклажаны и черника .

Распределение электронов и реактивность [ править ]

Наилучшая структура Льюиса для иона оксокарбения содержит двойную связь кислород-углерод , при этом атом кислорода присоединен к дополнительной группе и, следовательно, принимает формальный положительный заряд. На языке канонических структур (или «резонанса») поляризация π-связи описывается формой вторичного карбокатионного резонанса с формальным положительным зарядом на углероде (см. Выше). С точки зрения теории пограничных молекулярных орбиталей , самая низкая незанятая молекулярная орбиталь (НСМО) оксокарбениевого иона - это π * -орбиталь, имеющая большую долю на атоме углерода; чем больше электроотрицательный кислород вносит меньший вклад в НСМО. Следовательно, в случае нуклеофильной атаки углерод является электрофильным участком.. По сравнению с кетоном усилена поляризация иона оксокарбения: они больше напоминают «настоящий» карбокатион и более реактивны по отношению к нуклеофилам. В органических реакциях кетоны обычно активируются путем координации кислоты Льюиса или кислоты Бренстеда с кислородом с образованием иона оксокарбения в качестве промежуточного соединения.

Численно типичный частичный заряд (полученный из расчетов Хартри-Фока) карбонильного углерода кетона R 2 C = O (например, ацетон) составляет δ +  = 0,51. При добавлении кислого водорода к атому кислорода для получения [R 2 C = OH] + частичный заряд увеличивается до δ +  = 0,61. Для сравнения, азотные аналоги кетонов и ионов оксокарбения, иминов (R 2 C = NR) и ионов иминия ([R 2 C = NRH] + ), соответственно, имеют парциальные заряды δ +  = 0,33 и δ +  = 0,54, соответственно. Таким образом, порядок частичного положительного заряда карбонильного углерода - имин <кетон <иминий <оксокарбений.

C = Xelectrophilicity.png

Это также порядок электрофильности для частиц, содержащих связи C = X (X = O, NR). Этот порядок имеет синтетическое значение и объясняет, например, почему восстановительные аминирования часто лучше всего проводить при pH от 5 до 6 с использованием цианоборгидрида натрия (Na + [H 3 B (CN)] - ) или триацетоксиборгидрида натрия (Na + [HB ( OAc) 3 ] - ) в качестве реагента. Имея электроноакцепторную группу, цианоборгидрид натрия и триацетоксиборгидрид натрия являются более плохими восстановителями, чем боргидрид натрия, и их прямая реакция с кетонами обычно является медленным и неэффективным процессом. Однако ион иминиума (но не сам имин) образовывалin situ во время реакции восстановительного аминирования является более сильным электрофилом, чем исходный кетон, и будет реагировать с источником гидрида с синтетически полезной скоростью. Важно отметить, что реакция проводится в умеренно кислых условиях, которые протонируют иминный промежуточный продукт в значительной степени, образуя иминиевый ион, но не являются достаточно сильными кислотными, чтобы протонировать кетон, который может образовывать еще более электрофильный оксокарбениевый ион. Таким образом, условия реакции и реагент гарантируют, что амин образуется селективно из восстановления иминия вместо прямого восстановления карбонильной группы (или ее протонированной формы) с образованием спирта.

Формирование [ править ]

Образование ионов оксокарбения может происходить несколькими различными путями. Чаще всего кислород кетона связывается с кислотой Льюиса , которая активирует кетон, делая его более эффективным электрофилом. Кислота Льюиса может представлять собой широкий спектр молекул, от простого атома водорода до комплексов металлов. Остальная часть этой статьи будет сосредоточена на ионах алкилоксокарбения, однако, где атом, добавленный к кислороду, является углеродом. Одним из способов такого рода иона сформирует является устранение из уходящей группы . В химии углеводов эта уходящая группа часто представляет собой простой или сложный эфир.. Альтернативой элиминированию является прямое депротонирование молекулы с образованием иона, однако это может быть трудным и требует для достижения сильных оснований.

Образование иона оксокарбения

Приложения к синтезу [ править ]

5-членные кольца [ править ]

Предлагаемое 5-членное переходное состояние оксокарбения

Стереохимия участвует в реакции пятичленного кольца может быть предсказана с помощью модели состояния огибающего перехода. Нуклеофилы предпочитают добавление «изнутри» оболочки или сверху рисунка справа. «Внутреннее» добавление дает результаты в виде ступенчатой ​​конформации , а не затмеваемой конформации, которая возникает в результате «внешнего» добавления. [2]

6-членные кольца [ править ]

Модель переходного состояния шестичленного оксокарбениевого кольца

Модель переходного состояния для шестичленного оксокарбениевого кольца была предложена ранее в 1992 году Woods et al. [3] Общая стратегия определения стереохимии нуклеофильного присоединения к шестичленному кольцу следует той же процедуре, что и в случае пятичленного кольца. Предположение, которое делается для этого анализа, состоит в том, что кольцо находится в той же конформации, что и циклогексен., с тремя атомами углерода и кислородом в плоскости с двумя другими атомами углерода, сморщенными из плоскости, один вверху и один внизу (см. рисунок справа). На основе заместителей, присутствующих в кольце, определяется конформация с наименьшей энергией с учетом стерических и стероэлектронных эффектов (см. Раздел ниже для обсуждения стереоэлектронных эффектов в оксокарбениевых кольцах). Как только эта конформация установлена, можно рассматривать нуклеофильное присоединение. Добавление будет происходить через переходное состояние кресла с низкой энергией, а не через крутильную лодку с относительно высокой энергией. Пример такого типа реакции можно увидеть ниже. Пример также подчеркивает, как стереоэлектронный эффект, оказываемый электроотрицательным заместителем, переворачивает конформацию с наименьшей энергией и приводит к противоположной селективности.[4]

Стереоэлектронные эффекты [ править ]

В алкеновом кольце, не содержащем атома кислорода, любой большой заместитель предпочитает находиться в экваториальном положении, чтобы минимизировать стерические эффекты . В кольцах, содержащих ионы оксокарбения, наблюдалось, что электроотрицательные заместители предпочитают аксиальные или псевдоосевые положения. Когда электроотрицательный атом находится в осевом положении, его электронная плотность может быть передана через пространство положительно заряженному атому кислорода в кольце. [5] Это электронное взаимодействие стабилизирует осевую конформацию. Гидроксильные группы, простые эфиры и галогены являются примерами заместителей, которые демонстрируют это явление.Стереоэлектронные эффекты необходимо учитывать при определении конформации с наименьшей энергией в анализе нуклеофильного присоединения к иону оксокарбения. [4] [6]

Cycloadditions [ править ]

В органическом синтезе ионы винилоксокарбения (структура справа) могут быть использованы в широком диапазоне реакций циклоприсоединения . Они обычно используются в качестве диенофилов в реакции Дильса-Альдера . Электроноакцепторный кетон часто добавляют к диенофилу для увеличения скорости реакции [7], и эти кетоны часто превращаются в ионы винилоксокарбения во время реакции [8] Неясно, обязательно ли образуется ион оксокарбения, но Руш и соавторы продемонстрировали оксокарбениевое промежуточное соединение при циклизации, показанной ниже. В этой реакции наблюдались два продукта, которые могли образоваться только в том случае, если оксокарбениевое кольцо присутствовало в качестве промежуточного соединения. [9]Сообщалось также о [4 + 3], [2 + 2], [3 + 2] и [5 + 2] циклоприсоединениях с промежуточными соединениями оксокарбения. [8]

Альдольная реакция [ править ]

Хиральные ионы оксокарбения используются для проведения высоко диастереоселективных и энантиоселективных реакций присоединения ацетат-альдола. [10] Ион оксокарбения используется в реакции в качестве электрофила . Когда метильная группа увеличивается в размере, диастереоселективность увеличивается.

Примеры из полного синтеза [ править ]

Ионы оксокарбения использовались в полном синтезе несколько раз. Основная субъединица (+) - клавозолида была синтезирована с восстановлением шестичленного оксокарбениевого кольца. Все большие заместители были обнаружены в экваториальном положении, и преобразование прошло через переходное состояние кресла, как и предсказывалось. [11]

Второй пример можно увидеть на ключевой стадии синтеза (-) - неопельтолида, в котором используется восстановление шестичленного оксокарбениевого кольца для диастереоселективного присоединения гидрида. [12]

Приложения к биологии [ править ]

В биологических системах ионы оксокарбения в основном наблюдаются во время реакций углеводов . Поскольку сахара присутствуют в структуре нуклеиновых кислот , с сахаром рибозы, присутствующим в РНК, и дезоксирибозой, присутствующей в структуре ДНК , их химический состав играет важную роль в широком спектре клеточных функций нуклеиновых кислот. В дополнение к их функциям в нуклеотидах, сахара также используются для структурных компонентов организмов, как молекулы хранения энергии, сигнальные молекулы клеток, модификации белков и играют ключевую роль в иммунной системе , оплодотворении , предотвращении патогенеза ,свертывание крови и развитие . [13] Изобилие химии сахаров в биологических процессах приводит к тому, что многие механизмы реакции протекают через ионы оксокарбения. В этом разделе описаны несколько важных биологических реакций, в которых используются ионы оксокарбения.

Биосинтез нуклеотидов [ править ]

Нуклеотиды могут подвергаться катализируемой ферментами внутримолекулярной циклизации с образованием нескольких важных биологических молекул. Эти циклизации обычно протекают через оксокарбениевое промежуточное соединение. Пример этой реакции можно увидеть в циклической рибозе циклического АДФ , которая является важной молекулой для передачи сигналов внутриклеточного кальция . [14]

Гликозидазы [ править ]

Гликозидазы представл ет собой фермент , который катализирует расщепление в гликозидной связи для получения двух меньших сахаров. Этот процесс имеет важное значение для использования накопленной энергии, такой как гликоген, у животных, а также для расщепления целлюлозы организмами, которые питаются растениями. Обычно остатки аспарагиновой или глутаминовой кислоты в активном центре фермента катализируют гидролиз гликозидной связи. Механизм действия этих ферментов включает промежуточное соединение иона оксокарбения, общий пример которого показан ниже. [15]

См. Также [ править ]

  • Карбокатион
  • Химическое гликозилирование
  • Донор гликозила
  • Гликозидаза
  • Оксокарбоновый анион

Ссылки [ править ]

  1. ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) « карбениевый ион ». DOI : 10,1351 / goldbook.C00812
  2. ^ Ларсен, Швейцария; Риджуэй, BH; Шоу, JT; Верпель, К.А. (1999), «Стереоэлектронная модель для объяснения высокостереоселективных реакций нуклеофилов с пятичленными кольцевыми оксокарбениевыми ионами», Журнал Американского химического общества , 121 (51): 12208–12209, doi : 10.1021 / ja993349z
  3. ^ Вудс, RJ; Эндрюс, CW; Боуэна, JP (1992), "Molecular механические исследования свойств ионов oxocarbenium 2. Применение к гликозид гидролиза.", Журнал Американского химического общества , 114 (3): 859-864, DOI : 10.1021 / ja00029a008
  4. ^ a b Ромеро, JAC; Tabacco, SA; Вёрпель, KA (1999), «Стереохимическое обращение реакций нуклеофильного замещения в зависимости от заместителя: реакции гетероатом-замещенных шестичленных кольцевых оксокарбениевых ионов через псевдоаксиальные конформеры», Журнал Американского химического общества , 122 : 168–169, doi : 10.1021 / ja993366o
  5. ^ Miljkovic, M. i .; Yeagley, D .; Deslongchamps, P .; Дори, Ю.Л. (1997), "Экспериментальные и теоретические доказательства электростатической стабилизации в пространстве зарождающегося иона оксокарбения аксиально-ориентированным электроотрицательным заместителем во время ацетолиза гликопиранозида", Журнал органической химии , 62 (22): 7597–7604, doi : 10.1021 / jo970677d
  6. ^ Хансен, Томас; Лебедель, Людивин; Remmerswaal, Wouter A .; ван дер Ворм, Стефан; Wander, Деннис PA; Сомерс, Марк; Overkleeft, Herman S .; Филиппов, Дмитрий В .; Дезире, Жером; Мингот, Аньес; Блерио, Ив (2019-04-18). «Определение стороны SN1 реакций гликозилирования: стереоселективность катионов гликопиранозила» . АСУ Центральная Наука . 5 (5): 781–788. DOI : 10.1021 / acscentsci.9b00042 . ISSN 2374-7943 . 
  7. ^ Воллхардт; Берег (2009). Органическая химия . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: WH Freeman and Co.
  8. ^ a b Harmata, M .; Rashatasakhon, P. (2003), "реакция циклоприсоединения ионов винилового oxocarbenium", Tetrahedron , 59 (14): 2371-2395, DOI : 10.1016 / s0040-4020 (03) 00253-9
  9. ^ Roush, M .; Gillis, P .; Эссенфельд А. (1984), "Внутримолекулярные реакции Дильса-Альдера, катализируемые фтористоводородной кислотой", Journal of Organic Chemistry , 49 (24): 4674–4682, doi : 10.1021 / jo00198a018
  10. ^ Kanwar, S .; Trehan, С. (2005), "Ацетат альдольной реакция ионов хирального oxocarbenium", Tetrahedron Letters , 46 (8): 1329-1332, DOI : 10.1016 / j.tetlet.2004.12.116
  11. ^ Каррик, JD; Дженнингс, МП (2009), "Эффективный Формальный синтез (-) - Clavosolide Показывая "разношерстный" стереоселективный Oxocarbenium Reduction", Organic Letters , 11 (3): 769-772, DOI : 10.1021 / ol8028302
  12. ^ Мартинес-Солорио, Д .; Дженнингс, МП (2010), "Формальный Синтез (-) - Neopeltolide Показывая / Sequence высокодоходного СТЕРЕОСЕЛЕКТИВНОГО Oxocarbenium Formation Reduction", Журнал органической химии , 75 (12): 4095-4104, DOI : 10.1021 / jo100443h
  13. ^ Матон, Антея; Жан Хопкинс; Чарльз Уильям Маклафлин; Сьюзан Джонсон; Марианна Куон Уорнер; Дэвид ЛаХарт; Джилл Д. Райт (1993). Биология человека и здоровье . Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси, США: Прентис Холл. С.  52–59 . ISBN 0-13-981176-1.
  14. ^ Мюллер-Штеффнер, HM; Августин, А .; Schuber, Ф. (1996), "Механизм циклизации пиридиннуклеотидов от крупного рогатого скота Селезенка NAD + гликогидролазу", журнал биологической химии , 271 (39): 23967-23972, DOI : 10,1074 / jbc.271.39.23967 , PMID 8798630 
  15. ^ Zechel, DL; Холка, SG (2000). «Механизмы гликозидазы: анатомия точно настроенного катализатора». Счета химических исследований . 33 (1): 11–18. DOI : 10.1021 / ar970172 . ISSN 0001-4842 . PMID 10639071 .