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

Текст из файла (страница 5)

Отщепление хлористого водорода от ментилхлорида происходит региоспецифично с образованием исключительно ментена-2 без примеси изомеров с другим положением двойной связи. Отщепление водорода от атома углерода, содержащего изопропильную группу, привело бы к более замещенному ментену-3 что соответствовало бы правилу Зайцева. Однако этот водород занимает экваториальное положение и отщепление его не происходит, т.е. эта реакция не подчиняется правилу Зайцева.

С другой стороны в наиболее устойчивой конформации неоментилхлорида хлор занимает аксиальное положение. При этом имеются два подходящих атома водорода в аксиальном положении при обоих сосед­них углеродных атомах. В результате образуется смесь двух ментенов - ментена-3 (75%) и ментена-2 (25%). Преобладание ментена-3 указывает на то, что эта реакция элиминирования подчиняется пра­вилу Зайцева, но это лишь региоселективный, а не региоспецифич-ный процесс.

Другим интересным примером стереоспецифического транс-диаксиального анти-элиминирования из производных циклогексана является дебромирование меченого 1,1,2-трибромциклогексана под действием иодид-иона. 1,1,2-Трибромциклогексан образуется при присоединении радиоактивного ⁸²Br к 1-бромциклогексену. Радиоактивность брома-82, источника -излучения, позволяет с очень высокой сте­пенью точности определить стереохимический результат элиминирова­ния, поскольку немеченный 1-бромциклогексен должен быть единственным продуктом в случае анти-элиминирования, в то время как в результате син-элиминирования должен получиться 1-бромциклогексен, меченый ⁸²Вr.

Дебромирование с помощью иодид-иона протекает исключительно как анти-элиминирование и приводит к образованию немеченного бромциклогексена. Использование метки брома-82, очень чувствительного теста, показывает, что дегалогенирование производных циклогексана также представляет собой стереоспецифический процесс диаксиального анти-элиминирования.

Для одностадийных процессов S_N2-замещения галогенид-иона в циклогексилгалогенидах конформер с аксиальным галогеном, как уже было отмечено, более реакционноспособен по сравнению с другим, содержащим экваториальный галоген. Для многих других реакций, включающих образование относительно стабильного интермедиата, характерна обратная закономерность. Щелочной гидролиз транс-изо­мера этилового эфира 4-трет-бутилциклогексанкарбоновой кислоты с экваториальной СOOR группой протекает в 20 раз быстрее по срав­нению с цис-изомером, содержащим карбоэтоксильную группу в акси­альном положении.

Такое большое различие обусловлено образованием анионного тетраэдрического интермедиата с объёмной группой CH₃CH₂O-C(OH)-О^- в аксиальном положении цис-изомера. Это приводит к дестабилизации конформации с е,а-расположением заместителей и росту энергии активации для гидролиза цис-изомера по сравнению с гидролизом транс-изомера. По этой же самой причине транс-4-трет-бутилцикло-гексанкарбоновая кислота оказывается более сильной кислотой по сравнению с ее цис-изомером.

24.4. Принцип Кёртина-Гаммета

Принцип Кёртина-Гаммета устанавливает соответствие положения равновесия между двумя конформерами и их реакционной способностью. Если свободная энергия G⁰ взаимного превращения двух конформеров А и А¹ ниже, чем энергия активации реального химического превращения, соотношение образующихся продуктов (В и С), никак не связано с положением конформационного равновесия. Другими словами, в этом случае нельзя утверждать, что соотношение В/С образующихся продуктов соответствует равновесному соотношению А/А¹ двух конформеров и, следовательно, В образуется только из А, а С только из А¹.

Если же свободная энергия G⁰ взаимного превращения конформеров выше, чем энергия активации химического превращения, соотношение продуктов реакции должно отвечать положению конформационного рав­новесия. Это логическое правило, известное как принцип Кёртина-Гаммета (1954 год) можно проиллюстрировать с помощью энергетиче­ской диаграммы (рис.24.6).

Рис.24.6. Влияние конформационного равновесия на соотношение продуктов реакции

Соотношение продуктов В/С не зависит от величины G⁰, так как G_С^ - G_B^ > G_A^, характеризующего конформационное равновесие.

При -элиминировании галогеноводорода из 1-хлор-1,2-дифенилэтана под действием этилата натрия в спирте образуется преимуще­ственно транс-стильбен наряду с некоторым количеством цис-стильбена.

Однако, это не означает, что транс-стильбен образуется в результа­те анти-элиминирования из конформера А, а цис-стильбен из конформера А¹. Это может быть так, но может быть и наоборот, и экспери­мент не может в данном случае ни подтвердить, ни опровергнуть это заключение

Соотношение продуктов зависит только от разницы G_С^ - G_B, но не от G⁰. Это становится очевидным из следующих соображений: вероятность того, что конформер А достигнет переходного состояния (2) определяется суммой G_С^+G⁰. Конформеру А для этого достаточна уже величина G_С^. С другой стороны, концентрация конформе­ра А¹, определяемая величинойG⁰, значительно меньше, чем кон­центрация конформера А. Преимущество, с которым конформер А¹ по сравнению с А достигнет переходного состояния (2), компенсируется малым содержанием А¹. Это отражается на скорости реакции. Эти же рассуждения справедливы и для достиже­ния переходного состояния (1) из конформера А¹. Соотношение ско­ростей двух конкурирующих реакций через переходные состояния (1) и (2) также определяется только величиной G_С^- G_B^- и не зависит отG⁰, если G_С^иG_B^ >> G⁰.

Принцип Кёртина-Гаммета имеет гораздо более широкое приме­нение в органической химии, а не ограничивается только областью конформационного анализа. Те же самые аргументы могут быть при­менены и к другим случаям для оценки реакционной способности двух находящихся в равновесии соединений. Классическим примером служит соотношение понятий таутомерии и двойственной реакционной способности двух таутомеров. Например, для ацетоуксусного эфира

в равновесии находится две формы - кетонная и енольная.

Совершенно необоснованно и ошибочно было бы пытаться делать вы­вод о том, какой из них вступает в реакцию, энергия активации ко­торой G^значительно выше, чем свободная энергия G⁰^ для кетонной и енольной формы. Соотношение продуктов не будет зави­сеть от положения легко устанавливающегося равновесия. Для чисто­го ацетоуксусного эфира в равновесии находится 92% кето- и 8% енольной формы. В малополярной среде (гексан, эфир, бензол) кон­центрации двух форм близки и невозможно установить, какая из них участвует в реакции.

24.5. Конденсированные циклоалканы - производные циклогексана

Принцип Кертина-Гаммета накладывает жесткие ограничения на изучение реакционной способности функциональной группы в экваториальном или аксиальном положении любого моноциклического соединения. Для корректных выводов о зависимости реакционной способности от конформационного состояния производных циклогексана, как это было уже отмечено ранее, необходимо нали­чие в кольце трет-бутильной или другой объёмной группы в каче­стве экваториального "репера". Однако, даже этот приём оказывает­ся неэффективным в том случае, когда энергия активации химическо­го превращения значительно превышает величину G⁰ для равнове­сия двух конформеров. Следует отметить, что большинство данных о связи конформации с реакционной способностью были получены без учёта принципа Кёртина-Гаммета, и вызывают поэтому серьезные сом­нения. Это не относится, однако, к примерам, приведенным в разде­ле 24.3. Для функциональных групп с очень низким значением свободной конформационной энергии G⁰(таблица 24.4) часто вообще невозможно корректно соотнести реакционную способность с положением конформационного равновесия.

Таким образом, конформационно подвижная система самого циклогексана представляет собой неудобную модель для изучения сравни­тельной реакционной способности экваториальных и аксиальных замес­тителей. Для этой цели гораздо более подходящими являются "жест­кие" конденсированные циклические системы, которые не способны к инверсии цикла. Простейшим примером жестких систем может служить транс-декалин. Для этого соединения две кресловидные формы не могут соединяться с помощью двух аксиальных связей, поэтому инвер­сия двух кресловидных циклов невозможна. В производных транс-де­калина заместитель занимает строго определенное, фиксированное положение - экваториальное или аксиальное:

¹

Так как аксиальные производные транс-декалина не превращаются в экваториальные, взаимоотношение между конформацией и конфигу­рацией в скелете транс-декалина и других родственных конденсиро­ванных систем сохраняется постоянным и для данной конфигурации заместитель занимает фиксированное е- или а-положение.

Соединения, содержащие конденсированные шестичленные и пяти­членные циклы с транс-сочленением колец А, В, С и Д, составляют структурный скелет огромного количества стероидов.

На рисунке представлена пространственная конфигурация 5-холестана - родоначальника многих биологически активных стероидов, там же приведены аксиальные или экваториальные конформации -замести­телей во всех положениях молекула 5-холеcтана. Очевидно, что конформация -заместителей противоположна конформации замести­телей, занимающих в этой структуре -положение (т.е. -замес­тителей). Аксиальные 10 и 13-метильные группы носят названия ангулярных групп, так как они находятся в узловых положениях со­членения колец.

Изучение реакционной способности функциональных групп в А, В, С и Д-кольце стероидов дает редкую возможность получить прямой и однозначный ответ об относительной реакционной способности эква­ториальных и аксиальных конформеров, и эти данные можно затем пе­ренести на более простые по структуре соединения только с одним циклом.

Для эпимерных, не превращающихся друг в друга пар стероидных спиртов, было впервые сформулировано правило, согласно которому спирты с аксиальной гидроксильной группой окисляются быстрее, чем с экваториальным гидроксилом. Действительно, аксиальный 5-холестанол-2 окисляется хромовой кислотой в 20 раз быстрее, чем его экваториальный эпимер 5-холестанол-2 <^. Совершенно анало­гичная закономерность наблюдается для реакций бимолекулярного и мономолекулярного нуклеофильного замещения в стероидах, содержа­щих уходящую группу в циклогексановом кольце А, В и С.

Известны многочисленные примеры транс-диаксиального E2-эли-минирования в ряду стероидов, где все четыре участвующих центра принимают в переходном состоянии антиперипланарную конформацию. Так, например, метиловый эфир 11, 12-дибром-5-холановой кислоты, в котором оба атома брома аксиальны, отщепляет молекулу брома под действием иодид-иона в отличие от диэкваториального 11-, 12-дибромпроизводного, который не претерпевает дебромирования в этих условиях. Вицинальные транс-диаксиальные галогенгидрины в согласии с антиперипланарном расположением галогена и гидроксильной группы гораздо легче образуют эпоксиды, чем их транс-диэкваториальные изомеры. Для бром-холестанола- время, необходимое для превращения в эпоксид в щелочной среде составляет менее 36 секунд, в то время как для 2-бром--холе-отанола- для этого требуется 75 часов.

Характеристики

Список файлов книги