В химии , прежде всего , органическая и вычислительной химии , A стереоэлектронный эффект [1] представляет собой эффект от молекулярной геометрии , реакционной способность , или физических свойств из - за пространственные отношения в молекулах " электронной структуру , в частности , взаимодействия между атомным и / или молекулярными орбиталями . [2] Другими словами, стереоэлектронные эффекты можно также определить как геометрические ограничения, накладываемые на основные и / или переходные состояния молекул, которые возникают из соображений перекрытия орбиталей. [3]Таким образом, стереоэлектронный эффект объясняет конкретное молекулярное свойство или реакционную способность, вызывая стабилизирующие или дестабилизирующие взаимодействия, которые зависят от относительной ориентации электронов (связывающих или несвязывающих) в пространстве. [4]
Основанный на нескольких общих принципах, которые определяют взаимодействие орбиталей, стереоэлектронный эффект, наряду со стерическим эффектом, индуктивным эффектом, эффектом растворителя, мезомерным эффектом и ароматичностью, является важным типом объяснения наблюдаемых закономерностей селективности, реакционной способности и стабильности в органическая химия . Несмотря на относительно простые предпосылки, стереоэлектронные эффекты часто объясняют противоречивые или неожиданные наблюдения. В результате стереоэлектронные факторы в настоящее время обычно рассматриваются и используются при разработке новой органической методологии и в синтезе сложных мишеней. В последние годы изучение стереоэлектронных эффектов также вошло в сферу биохимии и фармацевтической химии .
Стереоэлектронный эффект обычно включает стабилизирующее донорно-акцепторное (т.е. заполненное-пустое, 2-электронное 2-орбитальное) взаимодействие. Донор обычно представляет собой более высокую связывающую или несвязывающую орбиталь, а акцептор часто представляет собой низколежащую антисвязывающую орбиталь, как показано на схеме ниже. По возможности, если этот стереоэлектронный эффект должен быть одобрен, донорно-акцепторные орбитали должны иметь (1) небольшую запрещенную зону и (2) быть геометрически хорошо расположенными для взаимодействия. В частности, это означает, что формы донорных и акцепторных орбиталей (включая π- или σ-симметрию и размер взаимодействующих лепестков) должны быть хорошо согласованы для взаимодействия; antiperiplanar ориентация особенно благоприятно. Некоторые авторы требуют стабилизации стереоэлектронных эффектов. [1] Тем не менее, дестабилизирующие донор-донорные (т.е. заполненные, 4-электронные 2-орбитальные) взаимодействия иногда вызываются и также иногда называются стереоэлектронными эффектами, хотя такие эффекты трудно отличить от обычного стерического отталкивания. [3] [5]
Важные явления, в которых стереоэлектронные эффекты и выравнивание орбиты могут играть важную роль (или даже могут быть доминирующими), включают аномерный эффект и гиперконъюгацию . [5]
Термин " стереоэлектронный эффект" не следует неправильно использовать для обозначения простой комбинации стерических и электронных эффектов.
Тренд разных орбиталей
Возьмем для примера простейшую систему CH 2 X – CH 3 ; донорная орбиталь - σ (C – H) орбиталь, а акцептор - σ * (C – X). При переходе от фтора к хлору , а затем к брому электроотрицательность галогена и уровень энергии орбиталей σ * (C – X) снижаются. [6] Следовательно, общую тенденцию акцепторов можно резюмировать следующим образом: π * (C = O)> σ * (C – Hal)> σ * (C – O)> σ * (C – N)> σ * ( C – C), σ * (C – H). Для донорных орбиталей несвязывающие орбитали или неподеленные пары обычно более эффективны, чем связывающие орбитали из-за высоких уровней энергии. Кроме того, в отличие от акцепторов, донорные орбитали требуют менее поляризованных связей. Таким образом, общие тенденции для донорных орбиталей будут следующими: n (N)> n (O)> σ (C – C), σ (C – H)> σ (C – N)> σ (C – O)> σ (C – S)> σ (C – Hal). [5]
В отдельных случаях стереоэлектронный эффект может быть направленным. Радиус серы намного больше радиуса углерода и кислорода . Таким образом, различия в расстояниях связей C – S создают значительно усиленную разницу в двух стереоэлектронных эффектах в 1,3- дитиане (σ (C – H) → σ * (C – S)), чем в 1,3- диоксане (σ (C – H) → σ * (C – O)). [6] Различия между связями C – C и C – S, показанные ниже, вызывают значительную разницу в расстояниях между C – S и двумя связями C – H. Чем короче разница, тем лучше взаимодействие и сильнее стереоэлектронный эффект. [6]
Влияние на стабильность
Если есть электроположительный заместитель (например, –SiR 3 , –SnR 3 , –HgR и т. Д.) В β-положении карбокатиона , положительный заряд может быть стабилизирован, что также в значительной степени связано со стереоэлектронным эффектом (проиллюстрировано ниже с использованием - SiR3 в качестве примера). Ориентация двух взаимодействующих орбиталей может иметь значительное влияние на эффект стабилизации (σ (C – Si) → пустая p-орбиталь), где антиперипланарный (180 °)> перпендикулярный (90 °)> синх. (0 °). [7]
Влияние на экстерьер
Эффект Гоша
Одним из структурных последствий ациклических систем из-за стереоэлектронного эффекта является гош-эффект . [8] В 1,2-дифторэтане , несмотря на стерическое столкновение, предпочтительной конформацией является гош, потому что σ (C – H) является хорошим донором, а σ * (C – F) является хорошим акцептором и имеет стереоэлектронный эффект ( σ (C – H) → σ * (C – F)) требует, чтобы минимум энергии был гош, а не анти. [9]
Этот грубый эффект и его влияние на телосложение важны в биохимии. Например, во фрагментах субъединиц HIF-α, содержащих ( 2S, 4R ) -4-гидроксипролин, гош-взаимодействие благоприятствует конформеру, который может связываться с активным сайтом pVHL. [10] pVHL опосредует протеасомную деградацию HIF1A и тем самым физиологический ответ на гипоксию.
Особые эффекты заместителя фтора
Стереоэлектронные эффекты могут иметь значительное влияние на фармацевтические исследования . Как правило, замещение водорода фтором можно рассматривать как способ настройки как гидрофобности, так и метаболической стабильности кандидата в лекарство. Более того, он может оказывать сильное влияние на конформации, часто из-за стереоэлектронных эффектов, в дополнение к нормальным стерическим эффектам, возникающим из-за большего размера атома фтора. Например, геометрия основного состояния анизола (метоксибензола) и (трифторметокси) бензола резко различается. В анизоле , то метильная группа предпочитает быть в одной плоскости с фенильной группой , в то время как (трифторметоксите) бензол способствует геометрии , в котором [С (арил) -C (арил) -O-C (F 3 )] двугранный угол составляет около 90 °. Другими словами, связь O – CF 3 перпендикулярна плоскости фенильной группы. [11]
Дальнейшие исследования показывают, что даже для одного или двух атомов водорода в метильной группе, заменяемых атомом фтора, искажение структуры также может быть значительным, поскольку [C (арил) –C (арил) –O – C ( H 2 F)] двугранный угол в структуре с минимизированной энергией составляет около 24 °, а двугранный угол [C (арил) –C (арил) –O – C (HF 2 )] 33 °. [11]
Влияние на селективность реакции
Восстановительные циклизации
Хотя разница в энергии между копланарным анизолом и его изомером довольно велика, вращение между связью O – CH 3 становится благоприятным, когда электронные свойства метоксигруппы на ароматических кольцах необходимо изменить, чтобы стабилизировать необычное промежуточное или переходное состояние. В следующей реакции региоселективность может быть объяснена как вращение связи O – C вне плоскости, которое изменяет метоксигруппу с донорной группы в плоскости на группу акцептора вне плоскости. [12]
Промежуточным продуктом указанной выше реакции является дианион, а стереоэлектронный эффект, который стабилизирует этот промежуточный продукт по сравнению с другим, заключается в том, что анионный заряд в пара-положении может делокализоваться на атом кислорода через орбитальное взаимодействие: π (бензол) → σ * (O – CH 3 ). [12]
Гидрирование
Даже удаленные заместители в бензольном кольце могут влиять на электронную плотность ароматического кольца и, в свою очередь, влиять на селективность. При гидрировании кетонов с использованием катализаторов CBS кетон координируется с атомом бора с неподеленной парой на атоме кислорода. В следующем примере индуктивное влияние заместителей может привести к дифференциации двух неподеленных пар sp 2 на атоме кислорода. [13]
Соответствующим стереоэлектронным взаимодействием в исходном материале является взаимодействие n O → σ * (C карбонил –C арил ). Электроноакцепторный заместитель в бензольном кольце истощает электронную плотность на ароматическом кольце и, таким образом, делает орбиталь σ * (C карбонил –C арил (нитро) ) лучшим акцептором, чем σ * (C карбонил –C арил (метокси) ) . Эти два стереоэлектронных взаимодействия используют разные неподеленные пары на атоме кислорода (одна антиперипланарная к рассматриваемому σ * для каждого из них), что приводит к образованию неподеленных пар с разной электронной плотностью. В частности, повышенное истощение электронной плотности от неподеленной антиперипланарной пары к 4-нитрофенильной группе приводит к ослаблению способности этой неподеленной пары координироваться с бором. Это, в свою очередь, приводит к тому, что неподеленная пара антиперипланарна по отношению к 4-метоксифенилу, связывающемуся преимущественно с катализатором, что приводит к четко определенной лицевой селективности. В оптимальных условиях образуется продукт с превосходным уровнем энантиоселективности (95% ее). [13]
Влияние на термодинамику
Влияние на равновесие
Стереоэлектронный эффект влияет на термодинамику равновесия. Например, следующее равновесие может быть достигнуто за счет каскада перициклических реакций.
Несмотря на очень похожие структуры, один из двух изомеров имеет сильное преимущество перед другим из-за стереоэлектронного эффекта. Поскольку σ * CC- орбиталь, смежная с электроноакцепторной карбонильной группой, имеет более низкую энергию и, следовательно, является лучшим акцептором, чем σ * CC- орбиталь, смежная с метокси, изомер, в котором неподеленная пара n O (σ) способна к пожертвовать на эту антисвязывающую орбиталь с более низкой энергией будет стабилизировано (показано орбитальное взаимодействие). [14]
Другой пример предпочтения равновесия в области перициклической реакции показан ниже. Стереоэлектронный эффект, влияющий на равновесие, - это взаимодействие между делокализованными «банановыми связями» и пустой p-орбиталью на атоме бора. [15]
Влияние на резонансные структуры
В другом случае стереоэлектронный эффект может привести к увеличению вклада одной резонансной структуры по сравнению с другой, что приводит к дальнейшим последствиям для реактивности . Для моноксима 1,4- бензохинона существуют значительные различия в физических свойствах и реакционной способности между двойной связью C2-C3 и двойной связью C5-C6. Например, в 1 H ЯМР 3 J 23 выше, чем 3 J 56. [16] Двойная связь C2-C3 также избирательно подвергается реакции Дильса-Альдера с циклопентадиеном , несмотря на увеличенные стерические препятствия на этой стороне молекулы. [17] Эти данные иллюстрируют увеличенный вклад резонансной структуры B над структурой A . Авторы утверждают, что донорство от n N к орбитали σ * C4-C3 удлиняет связь C4 – C3 (C4 - это углерод, несущий заместитель азота), что уменьшает перекрытие pp между этими двумя атомами. Это, в свою очередь, снижает относительную важность структуры A, которая имеет двойную связь между C4 и C3. [18]
Применение в асимметричных реакциях Дильса – Альдера.
В асимметричных реакциях Дильса-Альдера, вместо использования хиральных лигандов или хиральных вспомогательных веществ для дифференциации боковой селективности диенолфилов, Вудворд с 1955 года сообщает о дифференциации лицевой селективности диенов (особенно для производных циклопентадиена ) с использованием стереоэлектронных эффектов. [19] Систематические исследования селективности лица с использованием замещенных циклопентадиена или производных перметилциклопентадиена были проведены, и результаты могут быть перечислены ниже. [20]
Стереоэлектронный эффект, влияющий на результат лицевой селективности диена в реакции Дильса-Альдера, представляет собой взаимодействие между σ (C (sp 2 ) –CH 3 ) (когда σ (C (sp 2 ) –X) является лучшим акцептором чем донор) или σ (C (sp 2 ) –X) (когда σ (C (sp 2 ) –X) является лучшим донором, чем акцептор) и σ * орбиталь образующей связи между диеном и диенофилом . [20]
Если два геминальных заместителя являются ароматическими кольцами с разными заместителями, регулирующими электронную плотность, дифференциация лицевой селективности также проста, когда диенофил приближается к диену против более богатой электронами связи C – C, где стереоэлектронный эффект в этом чехол аналогичен предыдущему. [21]
Открытие кольца циклобутена в условиях нагрева может иметь два продукта: вращение внутрь и наружу.
Переходное состояние с вращением внутрь второго, показанного ниже, относительно благоприятно для акцепторных заместителей R (например, NO 2 ), но особенно неблагоприятно для донорных заместителей R (например, NMe 2 ). [22]
Стереоэлектронный эффект против стерического столкновения
Иногда стереоэлектронные эффекты могут победить крайнее стерическое столкновение. В аналогичной реакции раскрытия циклобутенового цикла триметилсилильная группа , которая является очень объемной, все еще способствует вращению внутрь. Стереоэлектронный эффект, который представляет собой взаимодействие, показанное выше, когда акцепторной орбиталью является σ * (Si – CH 3 ), по-видимому, является более преобладающим фактором в определении селективности реакции против стерических препятствий и даже побеждает наказание за нарушение система конъюгации продукта из-за стерического конфликта. [23]
Кроме того, акцепторные орбитали не ограничиваются антисвязывающими орбиталями углерод-гетероатомных связей или пустыми орбиталями; в следующем случае акцепторной орбиталью является орбиталь σ * (B – O). В переходном состоянии с шестичленным кольцом стереоэлектронное взаимодействие имеет вид σ (C – X) → σ * (B – O). [24]
Стереоэлектронные эффекты в биомолекулах
События молекулярного распознавания, опосредованные орбитальными взаимодействиями, имеют решающее значение для ряда биологических процессов, таких как ферментативный катализ. [25] Стабилизирующие взаимодействия между белками и углеводами в гликозилированных белках также демонстрируют роль стереоэлектронных эффектов в биомолекулах. [26]
Рекомендации
- ^ а б Алабугин, И.В. Стереоэлектронные эффекты: мост между структурой и реактивностью. John Wiley & Sons Ltd, Чичестер, Великобритания, 2016 г. http://eu.wiley.com/WileyCDA/WileyTitle/productCd-1118906349.html
- ^ Крамер, Кристофер Дж. (1996). «Гиперконъюгация, влияющая на конформационный анализ». Журнал молекулярной структуры: ТЕОХИМА . 370 (2–3): 135–146. DOI : 10.1016 / S0166-1280 (96) 04567-8 . ISSN 0166-1280 .
- ^ а б Эванс, Д.А. (2006). Химия 206 Конспект лекций . Кембридж, Массачусетс: Гарвардский университет (не опубликовано). С. 1–2 (Лекция 1).
- ^ Pierre., Deslongchamps (1983). Стереоэлектронные эффекты в органической химии (1-е изд.). Оксфорд [Оксфордшир]: Pergamon Press. ISBN 0080261841. OCLC 9412829 .
- ^ а б в Кирби, AJ (1996). Стереоэлектронные эффекты . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN 9780198558934.
- ^ а б в Алабугин, Игорь В .; Зейдан, Тарек А. (2002). «Стереоэлектронные эффекты и общие тенденции в гиперконъюгативной акцепторной способности σ-связей». Журнал Американского химического общества . 124 (12): 3175–3185. DOI : 10.1021 / ja012633z . ISSN 0002-7863 . PMID 11902907 .
- ^ Кэри, FA; Сандберг, Р.Дж. (2007). Продвинутая органическая химия, часть A: структура и механизм (5-е изд.). Нью-Йорк: Спрингер. ISBN 978-0387448978.
- ^ Ханак, М. (1965). Конформационная теория . Нью-Йорк и Лондон: Academic Press.
- ^ Анслин, EV; Догерти, Д.А. (2004). Современная физико-органическая химия . Саусалито, Калифорния: Университетские научные книги. ISBN 1891389319.
- ^ Фухимори, Д.Г. (2009). «Ощущение гипоксии идет неуклюже». Nat. Chem. Биол . 5 (4): 202–203. DOI : 10.1038 / nchembio0409-202 . PMID 19295524 .
- ^ а б Müller, K .; Faeh, C .; Дидерих, Ф. (2007). «Фтор в фармацевтике: за гранью интуиции». Наука . 317 (5846): 1881–1886. Bibcode : 2007Sci ... 317.1881M . DOI : 10.1126 / science.1131943 . ISSN 0036-8075 . PMID 17901324 .
- ^ а б Петерсон, Пол В .; Шевченко, Николай; Алабугин, Игорь В. (2013). « » Стереоэлектронный умполунг «: Преобразование р-донор в о-Acceptor через Electron Injection и конформационные изменения». Органические буквы . 15 (9): 2238–2241. DOI : 10.1021 / ol400813d . ISSN 1523-7060 . PMID 23639080 .
- ^ а б Кори, EJ; Хелал, Кристофер Дж. (1995). «Новые электронные эффекты удаленных заместителей на катализируемое оксазаборолидином энантиоселективное восстановление кетонов». Буквы тетраэдра . 36 (50): 9153–9156. DOI : 10.1016 / 0040-4039 (95) 01961-G . ISSN 0040-4039 .
- ^ Венкатараман, Хемалатха; Ча, Джин К. (1989). «Объем и механизм перегруппировки 4,6-диалкокси-2-пиронов». Буквы тетраэдра . 30 (27): 3509–3512. DOI : 10.1016 / S0040-4039 (00) 99426-7 . ISSN 0040-4039 .
- ^ Гриднев, Илья Д .; Ток, Олег Л .; Гриднева Наталья А .; Бубнов, Юрий Н .; Шрайнер, Питер Р. (1998). «Синтез и динамические свойства циклогептатриенил (дипропил) борана. Равновесие с 7-дипропилборилноркарадиеном». Журнал Американского химического общества . 120 (5): 1034–1043. DOI : 10.1021 / ja9724699 . ISSN 0002-7863 .
- ^ Норрис, РК; Стернхелл, С. (1969). «2-Замещенные и 2,6-дизамещенные 1,4-бензохинон-4-оксимы (« п-нитрозофенолы »)». Aust. J. Chem . 22 (5): 935–970. DOI : 10,1071 / CH9690935 .
- ^ Болдуин, Дж. Э .; Норрис, РК (1981). «Стереоэлектронный контроль в органической химии: реакции присоединения некоторых 1,4-бензохинон-4- (O-метилоксимов)». J. Org. Chem . 46 (4): 697–703. DOI : 10.1021 / jo00317a011 .
- ^ Perrin, CL; Энглер, RE (1997). «Происхождение очевидных стереоэлектронных эффектов в структуре и реакционной способности монооксимов бензохинона». J. Org. Chem . 62 (3): 687–692. DOI : 10.1021 / jo961386s . PMID 11671465 .
- ^ Winstein, S .; Шатавский, М .; Нортон, С .; Вудворд, РБ (1955). «7-норборненильные и 7-норборнильные катионы». Варенье. Chem. Soc . 77 (15): 4183–4184. DOI : 10.1021 / ja01620a078 .
- ^ а б Мехта, Говердхан; Ума, Р. (2000). "Стереоэлектронный контроль в реакции Дильса-Альдера диссимметричных 1,3-диенов". Счета химических исследований . 33 (5): 278–286. DOI : 10.1021 / ar990123s . ISSN 0001-4842 . PMID 10813872 .
- ^ Хальтерман, Р.Л .; Маккарти, BA; Макэвой, Массачусетс (1992). «Стереоэлектронный контроль селективности лица в циклоприсоединении Дильса-Альдера стерически несмещенных 5,5-диарилциклопентадиенов». J. Org. Chem . 57 (21): 5585–5589. DOI : 10.1021 / jo00047a009 .
- ^ Шиндо, М .; Sato, Y .; Шишидо, Дж. (1998). «Высокостереоселективный синтез три- и тетразамещенных олефинов через инолаты». Tetrahedron Lett . 39 (27): 4857–4860. DOI : 10.1016 / s0040-4039 (98) 00921-6 .
- ^ Мураками, М .; Хасегава, М. (2004). «Синтез и термическое раскрытие кольца транс-3,4-дисилилциклобутена». Энгью. Chem. Int. Эд . 43 (37): 4874–4876. DOI : 10.1002 / anie.200460144 . PMID 15372640 .
- ^ Schlapbach, A .; Хоффманн, RW (2001). «(E) -α-Сульфонамидокротилборонаты как реагенты для стереоселективного синтеза гомоальдола». J. Org. Chem . 66 (2): 323–328. DOI : 10.1002 / 1099-0690 (200101) 2001: 2 <323 :: помощь-ejoc323> 3.0.co; 2-а .
- ^ Горенштейн, Дэвид Г. (1987-10-01). «Стереоэлектронные эффекты в биомолекулах» . Химические обзоры . 87 (5): 1047–1077. DOI : 10.1021 / cr00081a009 . ISSN 0009-2665 .
- ^ Ardejani, Maziar S .; Нудлман, Луи; Пауэрс, Эван Т .; Келли, Джеффри В. (15 марта 2021 г.). «Стереоэлектронные эффекты в стабилизирующих взаимодействиях белок-N-гликан, выявленные экспериментально и с помощью машинного обучения» . Химия природы : 1–8. DOI : 10.1038 / s41557-021-00646-ш . ISSN 1755-4349 .