02 - (2004) (1125801), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Реакции с селективностью 100% называются стереоспецифическими. Современные представления о механизме асимметрического синтеза целиком основаны на конформационном анализе. Но прежде чем перейти к механизму, необходимо еще раз и более детально рассмотреть вопросы внутримолекулярной симметрии, поскольку многие молекулы содержат атомы или группы, которые лишь кажутся эквивалентными, но при строгой проверке на самом деле оказываются разными.
8.6.К ЭНАНТИОТОПНЫЕ И ДИАСТЕРЕОТОПНЫЕ АТОМЫ, ГРУППЫ И ПОВЕРХНОСТИ Идентичными группами называются фрагменты молекул, имеющие одинаковые состав, строение и конфигурацию. Идентичные группы могут занимать одинаковые или разные положения. Например, в молекуле 1„3,6,8-тетранитрофлуорена (Х1:ч'1) идентичны все четыре нитрогруппы, но одинаковые положения занимают попарно группы в положениях 1,8 и З,б: В С2 (Х1ЛЧ) 1)О2 )ч!02 Группы, занимающие одинаковые положения, называются эквивалентными, или гомотопными (от греч. топо" — место); они переводятся одна в другую при повороте молекулы вокруг ее оси вращения С„(конечно, л ~ 1 и л ~ о). В соединении Х1М С„= Сз; ниже приведены другие примеры гомотопных групп: О о~н'~, о РЬ Н РРЛ Р)7 --Н Н, ОН гомотопные группы: РЛ/РЬ/Рй Н/Н Н /Н и Нб/Нб ОН/ОН Метильные группы в изопропилхлориде не гомотопны, так как молекула не имеет оси вращения порядка выше единицы: С! Н НЗС (С„отсутствует) Чтобы проверить, являются ли атомы или группы эквивалентными, их мысленно заменяют на какие-нибудь другие атомы или группы.
Если в результате замены новые молекулы будут идентичны, значит, и в исходных молекулах атомы были эквивалентны. Например, в дифторметане атомы Н, и Нз гомотопны„поскольку при замене Н, и Нз на любую группу 2 получаются идентичные молекулы: С, Г Х 2 ()) Г 2 (2) 2 идентичны б7 Наоборот, при замене разных атомов водорода СН2-группы в этаноле на группу У получаются разные энантиомеры: ОН н,с' ОН «) НзС 7 энантиомер Следовательно, атомы Н, и Н2 не гомотопны.
Такие атомы или группы, дающие при замещении третьей группой энантиомеры, называются зналтиотолными. С точки зрения симметрии энантиотопными называются группы, которые переводятся одна в другую путем отражения в зеркальной плоскости или (реже) при операции симметрии о„(зеркально-поворотная ось). Поскольку а = о1 (табл. 8.1), энантиотопные группы могут присутствовать только в ахиральных молекулах (ср. определение хиральности, данное в разделе 8.2.2.б). Ниже приведены некоторые примеры соединений, содержащих энантиотопные атомы водорода, которые условно обозначены символами Нс и Нл (т.е. «левый» и «правый»): 1 2 Н Н„ О Н Энантиотопные группы нельзя отличить друг от друга в ахиральных условиях.
Не поможет ни применение физических методов (ИК- и ЯМР-спектроскопии), ни проведение химической реакции с ахиральным реагентом. И только в условиях, обеспечивающих появление различия между правыми и левыми молекулами, энантиотопные группы становятся различимыми. Для этого нужно создать возможность взаимодействия субстрата, имеющего энантиотопные группы, с какой-либо хиральной частицей, например с нерацемическим хиральным реагентом или нерацемическим хиральным катализатором.
Например, метиленовые группы, входящие в состав лимонной кислоты (ХЕУ11), энантиотопны. Если в одну из них ввести ба изотопную метку, а затем провести ферментативное превраще- ние в 2-кетоглутаровую кислоту (Х(.Ч111), то оказывается, что из двух имевшихся в исходной молекуле метиленовых групп окис- ляется только та, которая не содержала дейтериевой метки: СООН ! СО ферменты сн, СРз СООН СООН ! СН, ! НООС вЂ” С вЂ” ОН ! срз ! СООН СООН СН, ! НООС вЂ” С вЂ” ОН ! сн ! СООН (ХАН) СНз ! н — с — н А С1 — С вЂ” Н СНЗ диасгереомеры сн, ! Н вЂ” С вЂ” У ! С1 — С вЂ” Н СНЗ г Н С !! С Н3С Н (НА и НВ диастереотопны) ~А~ 7в, НА,, в С !! С нс н Я,Е-изомеры Н 7. С !! С НС Н 69 (Х(МП) Эта реакция исключительно важна в биохимии; она входит в метаболический цикл лимонной кислоты, или цикл Кребса. Причина избирательности окисления метиленовых групп состоит в том, что знантиотопные группы в хиральном окружении становятся диастереотопными.
Диастереотолными называются атомы или группы, расположенные в молекуле таким образом, что последовательная замена каждой из них группой Уприводит к получению диастереомеров (или У- и Е-изомеров в случае алкенов): Снэ ! У.— С вЂ” Н 3~ (А) С1 — С вЂ” Н ! сн Диастереотопные группы не связаны между собой никакими элементами симметрии. Ниже приведены примеры соединений, содержащих диастереотопные протоны: О энантио- тонные протоны в неидентичных положениях (при замене на У получаются разные изомеры положений) диастерео- Г Г) тонные Н СНЕС! энантио- топные энантио- топные диастереотопные диастереотопные При ферментативном окислении лимонной кислоты (см.
с.бб) поверхность фермента, взаимодействующего с субстратом, создает хиральное окружение субстрата и уничтожает элементы симметрии, бывшие в свободной молекуле субстрата. Комплекс субстрат-фермент становится диастереотопным. При этом активный центр, обозначенный символом Ох, отвечает за окисление при условии, что молекула субстрата предварительно была правильно ориентирована при ее иммобилизации на поверхности фермента. Правильная ориентация возможна лишь в том случае, если между поверхностью фермента и молекулой лимонной кислоты, содержащей энантиотопные группы, осуществляется «трехточечный контакт» тремя группами СООН.
Это поясняется следующей схемой: то центры связывания свободный фермент неправильная ориентация; СРз не окисляется правильная ориентация; окисляется СН1 Диастереотопные группы с ахиральными реагентами взаимодействуют с разными скоростями. Другой важной особенностью является различие в спектрах ЯМР, в которых диастереотопные протоны должны давать разные сигналы, расшепленные за счет спин-спинового взаимодействия друг с другом. Это резко отличает их от энантиотопных атомов водорода, которые неразличимы в ЯМР-спектрах, за исключением тех случаев, когда используются хиральные растворители. Однако на практике сигналы диастереотопных протонов часто бывают неразличимы, так как зти сигналы очень близко расположены друг к другу.
Чтобы добиться их разрешения, применяют лантанидные сдвигаюшие реагенты, изменяют концентрацию или подбирают растворитель. Отметим, что в соединениях типа Х2СУЛ группы Х знантиотопны, если У и У, ахиральны, но диастереотопны, если У или У. хиральны. Пусть группа 2 хиральна, например 2 = СаЬс, где а, Ь и с — разные заместители. Тогда могут существовать три ротамера — А, Б и В, — в которых ближайшее окружение идентичных групп Хл и Хв неодинаково: У У У Х Хв Х Хв Х Хв с А а Б 71 В ротамере А группа ХА сближена с группами а и с, а группа Хв — с группами Ь и с.
В ротамере Б группа Хл сближена с группами а и Ь, а группа Хв — с группами а и с. В ротамере В к группе Хл ближе находятся группы Ь и с, а к группе Хв — группы а и Ь. Таким образом, в каждом ротамере группы Хл и Хв неэквивалентны. Более того, можно показать, что при всех возможных переходах между ротамерами А, Б и В, т.е. в процессе внутреннего вращения, никогда не может быть конформации, в которой Хл имеет точно такое же окружение, как Хв.
Даже в условиях быстрого внутреннего вращения, когда происходит усреднение индивидуального структурного окружения отдельно групп ХА и Хв во времени, истинного усреднения при сравнении этих групп между собой в данный момент времени происходить не может. В этом наглядно проявляется истинная неэквивалентность диастереотопных групп. По аналогии с энантиотопными или диастереотопными атомами и группами в тригональных молекулах различают энантиотопные или диастереотолные поверхности. рассмотрим молекулы формальдегида или ацетона.
Атака ахиральным реагентом А по карбонильному углероду приводит к одному и тому же продукту. Таким образом, две поверхности (две стороны плоскости карбонильной группы) эквивалентны (гомоглопна): О С В бутаноне или ацетальдегиде атака ахиральным реагентом с одной стороны поверхности приводит к переходному состоянию и продукту, которые являются энантиомерами переходного состояния и продукта, образующегося при атаке с другой стороны поверхности исходной молекулы: А А О К К' О А С энантиомеры 72 Такие поверхности называют энантиотопными.
Поскольку в том случае, если исходные вещества и среда оптически неактивны, создать оптически активный продукт невозможно, в рассматриваемом случае образуется рацемическая смесь энантиомеров. Однако при атаке энантиотопной поверхности хиральным оптически активным реагентом образуются диастереомеры, и при этом не в равных количествах. Две энантиотопные поверхности молекулы связаны между собой операцией симметрии — отражением в зеркальной плоскости. Если же две поверхности нельзя связать никакими операциями симметрии (кроме идентичности), то такие поверхности называются диастереотопными.
Например, в приведенном ниже кетоне две поверхности диастереотопны, и в результате взаимодействия образуются диастереомеры: А О О А С Н + С Н /'. г /'. г НЗС С --рй Н3С С --р)т ! Ме Ме диастереомеры Ме Любые диастереотопные молекулярные поверхности взаимодей- ствуют дифференцированно с любым типом реагентов, посколь- ку реагент, подходя к разным сторонам поверхности, испытыва- ет разное влияние. в.6.2. синтезы нА ОснОВе КАРБОнильных сОединений Один из наиболее распространенных путей асимметрического синтеза заключается в образовании хиральных спиртов путем присоединения по карбонильной группе.
Для осуществления асимметрического синтеза с прохиральными энантиотопными карбонильными соединениями проводят реакцию с хиральным реагентом, хиральным катализатором или в хиральной среде. В случае диастереотопных карбонильных групп хиральный реагент, катализатор или растворитель не требуются, поскольку необходимый для отличия «правого» от «левого» элемент хиральности уже содержится в исходной молекуле. Асимметрический синтез с гомотопными карбонильными соединениями (формальдегидом„ ацетоном, бензофеноном и т.п.) провести невозможно по принципиальным причинам, связанным с их высокой симметрией. 73 Обычно для асимметрического синтеза спиртов из карбонильных соединений используют реакцию восстановления карбонильной группы комплексными гидридами алюминия нли гидридами бора или реакцию присоединения металлоорганических соединений к группе С=О.
8.6.2.а. АСИММЕТРИЧЕСКОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ КАРБОНИЛЬНОЙ ГРУППЫ О Н О. А1~ Н ОН 8 + ЬЬЧН4 11 ОН (Х).)Х) хиральный гидрид Для получения хиральных гидридов помимо соединения Х).1Х применяют множество других хиральных лигандов; ниже приве- дены некоторые примеры: Ме Н )ЧМез Н ОН Р)т СН ез 21 м Ме СООН но — ~— РВСН,)ЧН Н СнзРп СНзбН («дарвон») Оптически активный гндрид алюминия, реагируя с энантиотопным карбонильным соединением, способен «различать» две 74 Карбонильные соединения с энантиотопными сторонами вводят в реакцию с оптически активными реагентами.
Чаще всего используют гидридное восстановление оптически активными гидридами алюминия и бора. Хиральные гидриды получают из различных оптически активных молекул, содержащих группы, способные координироваться с бором или алюминием с образованием конформационно жестких комплексов. Например, 2,2'-дигидрокси-1,Г-динафтнл (Х(ДХ), молекулы которого обладают аксиальной хиральностью, может быть разделен на энантиомеры, из которых получают оптически активные комплексные гидриды алюминия: ()1) (э.и.- 90%) 13л=арил, алкенил, алкинил (.9) (э.и.- 90%) О Н Г ОК' Го н (Ы) (1.) (У)-В!ХАЬ-Н Предполагается, что В1ХАЬ-Н реагирует в форме Ы, в которой имеется литиевый мостик между кислородом группы ОК "(К' = Ай) и гидридным водородом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
