GL_08_Стереохимия (1125816), страница 9

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 9)

Пусть группа Z хиральна, например, Z = Сabc, где а, b и с - разные заместители. Тогда могут существовать три ротамера, А,Б и В, в которых ближайшее окружение идентичных групп X_А и X_В неодинаково:

В ротамере А группа X_А сближена с а и с, а группа X_В - с группами b и с. В ротамере Б X_А сближена с а и b, а X_В - с а и с. В ротамере В к группе X_А ближе группы b и с, а к группе X_В - группы а и b. Таким образом, в каждом ротамере группы X_А и X_В 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 X_А имеет точно такое же окружение как X_В. Даже в условиях быстрого внутреннего вращения, когда происходит усреднение индивидуального структурного окружения отдельно групп X_А и X_В 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 диастереотопные 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 (гомотопны).

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:

Такие поверхности называют знантиотопными. 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 энантиомерные поверхности молекулы связаны между собой операцией симметрии - отражением зеркальной плоскости. Если же две поверхности нельзя связать никакими операциями симметрии (кроме идентичности), то такие поверхности называются диастереотопными. Например, в кетоне XLIX две поверхности диастереотопны, и в результате взаимодействия образуются диастереомеры.

Любые диастереотопные молекулярные поверхности взаимодействуют дифференцировано с любым типом реагентов, поскольку реагент, подходя к разным сторонам поверхности, испытывает разное влияние.

8.6.2. 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 требуется, 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.

Обычно для асимметрического синтеза спиртов из карбонильных соединений используют реакцию восстановления карбонильной группы комплексными гидридами алюминия или гидридами бора или реакцию присоединения металлоорганических соединений к группе С=0.

8.6.2.а. Асимметрическое восстановление карбонильной группы

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-1,1-динафтил (XLIX) молекулы которого обладают аксиальной хиральностью, может быть разделен на энантиомеры, из которых получают оптически активные комплексные гидриды алюминия:

XLIX

Для получения хиральных гидридов помимо соединений XLIX применяют множество других хиральных лигандов; ниже приведены некоторые примеры:

Оптически активный гидрид алюминия, реагируя с энантиотопным карбонильным соединением, способен "различать" две разные стороны плоскости карбонильной группы. Причинами, обуславливающими такое "хиральное распознавание" разных сторон молекулы, являются пространственные и электронные взаимодействия (хотя пространственные взаимодействия по-существу - это тоже электронные взаимодействия, заключающиеся в отталкивании заполненных оболочек сближенных в пространстве групп. В качестве примера реакции, в которой действуют "электронные факторы", рассмотрим реакцию восстановления карбонильной группы ,-ненасыщенных кетонов комплексным гидридом алюминия L , который носит название BINAL-H. Эта реакция в высокой степени энантиоселективна:

Предполагается, что BINAL-H реагирует в форме LI, в которой имеется литиевый мостик между кислородом группы OR (R = Alk) и гидридным водородом. Механизм восстановления можно представить следующей схемой:

Согласно этой схеме, реакция осуществляется через циклическое переходное состояние, в котором литий играет важную роль: координируясь по атому кислорода карбонильной группы, он способствует переходу гидридного атома водорода к атому углерода. Рассматривая структуры координационных комплексов, например, (S)- BINAL-H с кетоном (LII и LIII), можно придти к выводу, что структура LII, приводящая к образованию (S)-спирта более выгодна, поскольку в структуре LIII имеется неблагоприятное отталкивание между неподеленной парой одного из атомов кислорода и -электронами ненасыщенной группы.

Таким образом, в этом примере причиной энантиоселективности является - n,-взаимодействие (отталкивание), возможное при сближении атома кислорода с ненасыщенной группой. Хотя при увеличении объема группы R пространственное отталкивание между нею и нафтольным кислородом в структуре LII увеличивается, взаимодействие неподеленной пары с -системой все же остается более сильным и поэтому даже для объемистых R указанная энантиоселективность сохраняется, правда, энантиомерный избыток в этом случае меньше.

В качестве другого примера асимметрического синтеза можно привести восстановление энантиотопного бензальдегида комплексным дейтеридом алюминия:

Хорошие результаты получены при использовании в качестве восстановителя В-3-пинанил-9-борабицикло[3.3.1]нонана, обычно называемым пинанил-ВВN. С помощью этого реагента асимметрическое восстановление этинилкетонов, а также эфиров -оксокислот удается провести с энантиомерным избытком 80-100%.

Различие между разными сторонами молекулы сильно выражено в конформационно жесткой молекуле 4-трет-бутилциклогексанона, в которой трет-бутильная группа всегда занимает экваториальное положение. В этом случае подход объемистых реагентов со стороны, занимаемой трет-бутильной группой затруднен, и поэтому образуется термодинамиически менее устойчивый аксиальный цис-спирт.

При уменьшении размеров реагента образуется экваториальный транс-спирт.

Из этого примера видно, что пространственные препятствия подходу реагента к карбонильной группе имеют исключительно важное значение. В обычных случаях стереоселективность возрастает с увеличением размеров реагента, например:

Асимметрическое восстановление карбонильной группы можно осуществить также с помощью дигидропиридиновых соединениий. Эти реакции аналогичны ферментативным процессам, осуществляемым в живых организмах под действием ферментов, содержащих восстановленную форму никотинамидадениндинуклеотида (NADH), активным центром которых является дигидроникотиновый фрагмент, а роль хирального распознающего фрагмента - белковая цепь. В синтетическом дигидропиридине (LIV) белок заменен на остаток оптически активной кислоты - пролина. Поскольку при образовании хирального реакционного комплекса вовсе небезразлично, каким образом субстрат и реагент LIV расположатся друг против друга, возникает разница в энергиях диастереомерных переходных состояний, которая достаточно велика и обеспечивает энатиомерный избыток около 80%:

8.6.2.б. Асимметрическое алкилирование карбонильной группы

Очень важной проблемой органического синтеза является энантиоселективное алкилирование альдегидов металлоорганическими соединениями. Реакцию можно осуществить с помощью литий-, магний-, цинк-, алюминий- и борорганических соединений. Например, при взаимодействии вспомогательного хирального реагента LV с двумя молями бутиллития образуется конформационно жесткий комплекс LVI, который в реакции с бензальдегидом дает оптически активный 1-фенил-пентанол.

Ниже приведены другие примеры асимметрического присоединения металлоорганических соединений к энантиотопным альдегидам.

Для реакций диастереотопных альдегидов и кетонов асимметрический синтез будет называться диастереоселективным, по аналогии с энантиоселективным синтезом в случае энантиотопных молекул. Диастереоселективность можно установить с помощью правила Крама и правила Прелога (см. также гл.16).

Правило Крама предсказывает преимущественную конфигурацию диастереомеров в тех случаях, когда асимметрический центр в молекуле исходного кетона непосредственно связан с карбонильной группой. В продукте реакции, спирте, будет уже два хиральных центра - ранее существовавший в исходном карбонильном соединении и вновь возникающий из карбонильной группы. Диастереоселективность зависит от размеров заместителей, связанных с асимметрическим центром в исходном субстрате, а также от предпочтительной конформации данного карбонильного субстрата. Можно полагать, что обычные карбонильные соединения преимущественно существуют в конформации, изображенной формулой LVII, в которой символами Б,С и М обозначены соответственно большой, средний и малый заместители (по относительным размерам). Очевидно, что атака реагентом должна осуществляться преимущественно с той стороны карбонильной группы, которая пространственно менее затруднена (на схеме указано стрелкой).

Это правило подтверждается многочисленными примерами:

Подобные процессы получили название асимметрической индукции. Видно, что при увеличении размеров магнийорганического соединения диастереоселективность возрастает.

Правило Крама применимо не только к алкилированию, но и гидридному восстановлению карбонильной группы.

Правило Прелога аналогично правилу Крама, но только по-своему предсказывает предпочтительную ориентацию реагента в переходном состоянии. Это правило используется, например, для предсказания стереоселективности присоединения реактивов Гриньяра к оптически активным эфирам -оксокарбоновых кислот. Предполагается, что в результате свободного вращения существуют три конформера эфира - кислоты: LVIIIа-в. По пространственным причинам конформеры LVIIIа и LVIIIб должны атаковаться реагентом слева от плоскости, в которой расположены С=О группы, а конформер LVIIIв - справа от этой плоскости. Если считать, что все три конформера в их смеси содержатся в равных количествах, то предпочтительной будет атака слева от плоскости.

Характеристики

Список файлов книги