Торквоселективност: дефиниция, механизми и значение в електроцикличните реакции
Торквоселективност: как торковането определя продуктите в електроциклични реакции — механизми, роля и приложения в асиметричния синтез.
В органичната химия торквоселективността описва електроциклични реакции, при които единият изомер се получава предпочетено пред другия. Официалната дефиниция гласи, че това е „предпочитание към вътрешно или външно въртене на заместителите в котротаторни или дистротаторни електроциклични реакции“. С други думи, една реакция е торквоселективна, когато групите, които „висят“ от пръстена или от реактивния фрагмент, имат предпочитана посока на въртене по време на електроциклизацията, вместо двете възможни посоки да са еднакво вероятни. Това явление обикновено води до превес на един продуктен изомер пред другия.
Как се различава от други видове селективност
Торквоселективността не е просто още една форма на общата диастереоселективност при перицикличните реакции — тя предоставя по-фино разграничение. Докато правилата на Удуърд-Хофман определят коя кинематична модалност (например конротаторно или дисротаторно) е разрешена при дадени условия (термални или фотохимични), торквоселективността избира конкретната посока на въртене в рамките на позволения режим. Поради това тя се описва като „по-селективна“ или допълнителна спрямо основните перицилни правила.
Връзка с енантио- и диастереоселективността
Когато в хода на реакцията се затваря пръстен, торквоселективността често се проявява като енантиоселективност: селективното затваряне дава един-единствен енантиомер на продукта. При стандартно електроциклично затваряне, дори при позволения по Удуърд‑Хофман режим, понякога формално са възможни два енантиомера — торквоселективността премахва тази еквивалентност чрез асиметрична индукция. В други случаи, когато селективността се дължи на вече налични стереоцентрове в молекулата, торквоселективността може да се разглежда като частен случай на диастереоселективност.
Механизми и фактори, определящи торквоселективността
- Стерични ефекти: големите заместители предпочитат въртене, което минимизира стеричното сближаване и напрежение; това често насочва „въртенето навън“ (outward rotation) вместо „навътре“ (inward rotation).
- Електронни ефекти: електронодонорещи и електроотнемащи заместители влияят върху разпределението на зарядите и стабилността на междинните/преходните състояния, което може да насочи въртенето в една или друга посока. В някои системи електронни ефекти са основният двигател на селективността.
- Орбитални взаимодействия: предпочитанията често могат да се свържат с подобряване на взаимодействието между развиващите се или намаляващите орбитали (например стабилизиране на положителен заряд или делокализация), което прави едно въртене по-благоприятно кинетично/термодинамично.
- Каталитична и координационна индукция: катализатори с хирални Люисови киселини могат да координират субстрата и да ограничат свободата на въртене, като предизвикат силна торквоселективност.
- Пренос на хиралност: съществуват механизми като аксиално-тетраедричен пренос, при които хиралната информация от един център или ос се предава към новия стерецентър чрез контролирано въртене по време на циклизацията.
Примери и приложения
Торквоселективността се наблюдава както при образуване на пръстени, така и при разкъсване на отворени пръстени; в последния случай различните посоки на въртене водят до различни структурни изомери. Често в реакциите за отваряне/затваряне на пръстени основен фактор е релаксацията на стерично напрежение, но селективността може да се модулира и чрез електронни заместители или чрез катализа.
Един важен практически пример е торквоселективната реакция на циклизация по Назаров при хирален аленилвинилкетон — при подходяща асиметрична индукция и/или координация процесът дава предимно един стереохимичен продукт. Такива контролирани циклизации са ценни в синтеза на енантиомерно чисти циклопентенони и други циклични структурни мотиви, често срещани в природни продукти и фармакопеи.
Как се установява торквоселективността
Експериментално торквоселективността се определя чрез анализа на съотношението на продуктите (напр. GC, HPLC, NMR) и чрез определяне на енантиичната чистота (e.e.), ако продуктовете са енантиомери. Компютърните методи (теоретична химия, DFT изчисления) често се използват за моделиране на преходните състояния и за обяснение на наблюдаваните тенденции — много от концепциите в областта бяха развити чрез комбинация от опити и изчисления. Концепцията първоначално беше систематизирана в труда на Кендъл Н. Хук (Kendall N. Houk), чиято работа подчертва ролята на орбиталните и стеричните фактори в тези реакции.
Значение за синтезата
Контролът върху торквоселективността дава синтетичните химици мощен инструмент за достигане до специфични стереоизомери без необходимост от допълнителни стъпки за разделяне или разрешаване. Това е особено важно при асиметричния синтез на комплексни молекули, където единствено правилно насочено въртене по време на електроциклична трансформация може да осигури желания стереохимичен резултат.
Обобщение
Торквоселективността е фино, но практично явление в електроцикличните реакции: тя надгражда правилата на Удуърд‑Хофман, като избира посоката на въртене на заместителите в рамките на позволения режим и по този начин определя кой изомер ще доминира. Основните фактори са стерично напрежение, електронни и орбитални взаимодействия, както и външни влияния като хирални катализатори или съседни стереоцентрове. Контролът върху тази селективност е важен за ефективния и селективен асиметричен синтез.
Торквоселективност чрез аксиален към тетраедричен трансфер на хиралност при циклизацията на Назаров на аленилвинилкетони
Конротаторни и дистротаторни режими на въртене, всеки от които показва две възможни посоки на въртене, които водят до двойки енантиомери за обща хексатриенова система. Забележка: в показания случай няма причина реакцията да бъде торквоселективна и при всеки конкретен набор от условия се очакват и двата продукта.
Термично електроциклично отваряне на пръстен на циклобутен, осигуряващо селективност чрез стерична деформация
Въпроси и отговори
Въпрос: Какво представлява торксоселективността?
О: Торквоселективността е явление в органичната химия, което описва електроциклични реакции, при които единият изомер се получава повече от другия. Тя се появява, когато групи от атоми, висящи от пръстен от атоми, е по-вероятно да са се завъртели в определена посока по време на реакцията, вместо да е еднакво вероятно да се завъртят в двете възможни посоки.
Въпрос: По какво се различава торквоселективността от диастереоселективността?
О: Торквоселективността се различава от нормалната диастереоселективност на перицикличните реакции и надхвърля правилата на Удуърд-Хофман. Диастереоселективността се отнася до предпочитанието на един стереоизомер пред друг, докато торквоселективността се отнася до предпочитанието на вътрешно или външно завъртане на заместителите в котротаторни или дистротаторни електроциклични реакции.
Въпрос: Какво означава, когато дадена химична реакция има торквоселективни свойства?
О: Когато дадена химична реакция има торквоселективни свойства, това означава, че е позволена само една посока на въртене (т.е. предпочитана е посоката на въртене на заместителите) и по този начин се получава един продукт.
Въпрос: Откъде произлиза това понятие?
О: Концепцията за торкселективност е дело на Кендал Н. Хук.
В: В кои случаи стеричното напрежение определя селективността?
О: Стеричната деформация определя селективността в случаите, когато селективните електроциклични реакции разкъсват отворени пръстени; различните посоки на въртене водят до различни структурни изомери и стеричната деформация може да се използва като обяснение за това защо се образуват определени продукти, а не други.
Въпрос: Как групите, които даряват и отнемат електрони, могат да повлияят на селективността?
О: Проучванията показват, че групите, които даряват и отнемат електрони, също могат да променят селективността, като променят вероятността за образуване на определени продукти в сравнение с други, поради влиянието им върху структурата и енергията на молекулите на реагиращите вещества.
В: Има ли други механизми освен електроциклирането, които включват въртящ момент?
О: Да, освен електроциклирането има и други механизми, които включват токоактивност, като например катализатори с хирални Lewis-киселини, индукция от съседни стереоцентрове (в този случай токоактивността е случай на диастереолективност) и аксиално-тетраедричен пренос на хиралност (както се вижда при реакциите на циклизация на Назаров).
обискирам