Torkvoselektivnost v organski kemiji: definicija, mehanizem, primeri
Torkvoselektivnost v organski kemiji opisuje lastnost nekaterih elektrocikličnih reakcij, pri katerih se med zapiranjem ali odpiranjem obroča substituenti (skupine, ki "visijo" iz obroča) med reakcijo vrtijo v prednostni smeri, tako da se eno stereokemijsko stanje tvori bolj pogosto kot drugo. Uradna definicija pogosto navaja "prednost za vrtenje substituentov navznoter ali navzven v konrotatornih ali disrotatornih elektrocikličnih reakcijah". Z drugimi besedami: reakcija je torkvoselektivna, če med možnostma vrtenja substituentov obstaja kinetična prednost za eno smer, kar vodi do prevlade določenega izomernega produkta.
Razlika od drugih tipov selektivnosti
Torkvoselektivnost se razlikuje od običajne diastereoselektivnosti pri pericikličnih reakcijah. Medtem ko pravila Woodward-Hoffmanna določajo, ali je elektrociklična reakcija konrotatorna ali disrotatorna (tj. kako se orbitali poravnajo in ali se robovi obračajo v isti ali nasprotni smeri), torkvoselektivnost govori o tem, v kateri smeri se ti substituenti konkretno obrnijo znotraj dovoljenega mehanizma. Zato torkvoselektivnost predstavlja dodatno stopnjo stereokemijske kontrole, ki presega osnovno napoved iz pravil Woodward–Hoffmann.
Mehanizem in pogonske sile
Razlaga torkvoselektivnosti temelji na kombinaciji kinetičnih, steričnih, elektronskih in orbitalnih učinkov:
- Sterične interakcije: velike substituente pogosto vodijo do preferenčne smeri vrtenja, ki minimizira prenapetost ali neugodna odbijanja med skupinami.
- Elektronski učinki: substituenti, ki darujejo ali odvzemajo elektrone, lahko s stabilizacijo oziroma destabilizacijo prehodnih stanj favorizirajo eno smer vrtenja. Na primer, darovalne skupine lahko z deljenjem gostote stabilizirajo določeno orientacijo orbitali v prehodnem stanju.
- Sekundarne orbitalne interakcije in konjugacija: poravnava π-orbital in možnost dodatnih stabilizacij (npr. hiperkonjugacija) lahko usmerja vrtenje v smer, kjer so te interakcije optimalne.
- Elektrostatični učinki: ihti na naboj ali polarne skupine v bližini lahko privlačijo ali odbijajo substituente med prehodnim stanjem in tako spreminjajo energijsko razliko med možnostma vrtenja.
Computationalne študije (npr. DFT) in delo Kendall N. Houka so pokazale, da je pogosto kombinacija teh dejavnikov tista, ki določi torkvoselektivnost v specifičnih sistemih.
Posledice za stereokemijo
Ko reakcija zapira obroč, je torkvoselektivnost pogosto enaka enantioselektivnosti: selektivno zaprtje iz ene konfiguracije izhodne snovi vodi do enantiomerno pretehtanega produkta. Čeprav imajo Woodward–Hoffmann pravila pogosto za posledico dva stereokemijsko različna produkta (npr. dva enantiomera pri simetričnem sistemu), torkvoselektivnost pomeni razlikovanje med
Torkvoselektivnost pri odpiranju obročev in drugi primeri
Torkvoselektivnost se pojavlja tudi pri elektrocikličnih reakcijah, ki odpirajo obroče (npr. odpiranje ciklobutena v butadien). Različne smeri vrtenja vodijo do različnih geometrijskih ali strukturnih izomerov (npr. E/Z izomerov), zato so v takih primerih sterične in elektronske razlike pogosto ključne za selektivnost. Pogosti primeri vključujejo:
- Konrotatorno ali disrotatorno zapiranje/odpiranje ciklobutenov in ciklopropenov, kjer substituenti določajo prevlado enega izomera (E proti Z, ali določen enantiomer pri asimetričnem sistemu).
- Nazarovova ciklizacija (klasičen primer), kjer torkvoselektivnost lahko podari prevlado ene kiralne konfiguracije v produktih ciklizacije.
Načini nadzora torkvoselektivnosti
V praksi je možno torkvoselektivnost nadzorovati z različnimi pristopi:
- Kirali katalizatorji: koordinacija z katalizatorji s kiralno Lewisovo kislino lahko spremeni prehodno stanje in favorizira eno smer vrtenja, kar vodi do visoke enantioselektivnosti.
- Sosednji stereocentri: prisotnost že obstoječih stereocentrov v molekuli lahko s steričnim in elektronskim vplivom povzroči diastereoselektivno torkvoselektivnost.
- Prenos kiralnosti: aksialna kiralnost (npr. chiralnost aliantalnih sistemov ali allenov) se lahko prenese v tetraedrično kiralnost v produktu; to imenujemo prenos aksialne v tetraedrično kiralnost.
- Spremembe reagentov in topila: polarno topilo, proticno topilo, temperatura in dodatek ionov ali koordinacijskih ligandov lahko pomembno vplivajo na preferenco vrtenja.
Merjenje in dokazovanje
Eksperimentalno se torkvoselektivnost ocenjuje z analizo razmerij produktov (E/Z, diastereomerov) in merjenjem enantioomerne presežnosti (ee). Pogoste analitične tehnike vključujejo NMR (za geometrijske izomere), HPLC z uporabo kiralnih fáz ali GC ter primerjave z zanesljivimi standardi. Teoretične študije (npr. DFT) pogosto dopolnjujejo eksperimente za razjasnitev prehodnih stanj in mehanizmov.
Primeri v literaturi
Poleg splošnih primerov elektrocikličnih zapiranj in odpiranj so v literaturi dobro dokumentirani primeri torkvoselektivne Nazarovove reakcije, kjer se pri ciklizaciji kiralnega alenil vinil ketona prikaže prenos aksialne v tetraedrično kiralnost in nastane prevladujoč kiralen produkt. Tak primer je omenjen spodaj:
Torkvoselektivnost se lahko uporablja tudi za druge mehanizme, vključno s katalizatorji s kiralno Lewisovo kislino, indukcijo s sosednjimi stereocentri (v tem primeru je torkvoselektivnost primer diastereoselektivnosti) in prenosom kiralnosti iz osi v tetraedre. Primer prenosa aksialne v tetraedrično kiraliteto je prikazan spodaj za torkvoselektivno Nazarovovo reakcijo ciklizacije kiralnega alenil vinil ketona.
Zaključek
Torkvoselektivnost je pomemben koncept v sodobni organski sintezi, saj omogoča dodaten nivo stereokemijske kontrole pri elektrocikličnih in sorodnih reakcijah. Razumevanje kombinacije steričnih, elektronskih in orbitalnih učinkov ter uporaba kiralnih katalizatorjev ali ukrepanih substratov omogoča načrtovanje reakcij z visoko selektivnostjo in s tem pridobivanje želenih kiralnih ali geometrijskih produktov.
Torkvoselektivnost s prenosom aksialne čiralnosti na tetraedrično pri Nazarovovi ciklizaciji alenil vinil ketonov
Konrotatorni in disrotatorni način rotacije, ki prikazujeta dve možni smeri rotacije, ki privedeta do para enantiomerov za splošni heksatrienski sistem. Opomba: v prikazanem primeru ni razloga, da bi bila reakcija torksoselektivna, in oba produkta bi bila pričakovana pri vsakem določenem nizu pogojev.
Termično elektrociklično odpiranje obroča ciklobutena, ki omogoča selektivnost prek sterične napetosti
Vprašanja in odgovori
V: Kaj je torzijska selektivnost?
O: Torkoselektivnost je pojav v organski kemiji, ki opisuje elektrociklične reakcije, pri katerih en izomer nastane bolj kot drugi. Pojavi se, kadar je večja verjetnost, da so se skupine atomov, ki visijo iz obroča atomov, med reakcijo obrnile v določeno smer, namesto da bi se enako verjetno obrnile v obe možni smeri.
V: Kako se torkvoselektivnost razlikuje od diastereoselektivnosti?
O: Torkoselektivnost se razlikuje od običajne diastereoselektivnosti pericikličnih reakcij in presega Woodward-Hoffmannova pravila. Diastereoselektivnost se nanaša na prednost enega stereoizomera pred drugim, medtem ko se torkoselektivnost nanaša na prednost vrtenja substituentov navznoter ali navzven v konrotatornih ali disrotatornih elektrocikličnih reakcijah.
V: Kaj pomeni, če ima kemijska reakcija torkvoselektivne lastnosti?
O: Kadar ima kemijska reakcija torksoselektivne lastnosti, to pomeni, da je bila dovoljena samo ena smer vrtenja (tj. smer vrtenja substituentov je bila prednostna) in tako nastane en sam produkt.
V: Od kod izvira ta koncept?
O: Koncept torzijske selektivnosti je nastal pri Kendallu N. Houku.
V: V katerih primerih sterična obremenitev vpliva na selektivnost?
O: Sterična obremenitev vpliva na selektivnost v primerih, ko selektivne elektrociklične reakcije razbijejo odprte obroče; različne smeri vrtenja povzročajo različne strukturne izomere, sterična obremenitev pa se lahko uporabi kot razlaga, zakaj nastajajo določeni produkti namesto drugih.
V: Kako lahko skupine, ki dajejo in odvzemajo elektrone, vplivajo na selektivnost?
O: Študije so pokazale, da lahko elektronske donorske in abstinenčne skupine prav tako spremenijo selektivnost, tako da spremenijo verjetnost nastanka določenih produktov v primerjavi z drugimi zaradi njihovega vpliva na strukturo in energijo molekul reaktantov.
V: Ali poleg elektrociklizacije obstajajo še kakšni drugi mehanizmi, ki vključujejo navorno aktivnost?
O: Da, poleg elektrociklizacije obstajajo še drugi mehanizmi, ki vključujejo torzijsko občutljivost, kot so katalizatorji s kiralno Lewisovo kislino, indukcija s sosednjimi stereocentri (v tem primeru je torzijska občutljivost primer diastereolekcije) in prenos kiralnosti iz osi v tetraedre (kot je razvidno iz reakcij Nazarovove ciklizacije).
