книги из ГПНТБ / Дашевский, В. Г. Конформации органических молекул

мере возможна лишь одна форма, поскольку еа ае, т. е. одна форма является зеркальным отображением другой.

Первым соединением, для которого было экспериментально установлено существование двух конформаций в газовой фазе, был транс- 1,2-дибромциклогексан. Согласно электронографиче­ скому исследованию [51], отношение заселенностей eelaazzz 3/2, откуда АЕ ^ 200—300 ккал/моль. Для транс-1,2-дихлорцикло- гексана ИК-спектры [52] дали АЕ ш 610 кал/моль (для жид­ кости). Заметим, что для галогензамещенных значения АЕ в рас­ творе (или жидкости) и газе, вообще говоря, не должны совпадать,

диаксиальная форма аа совсем невыгодна из-за отталкивания заместителей.

Наконец, в 1,4-изомерах дизамещенных цис-изомер имеет одну конформацию еа, а для транс-изомера обе формы ее и аа являются одинаково выгодными (заместители в положениях 1

и4 значительно удалены один от другого). Согласно электроно­ графическому исследованию транс- 1,4-дихлорциклогексана [51], отношение заселенностей конформаций ее и аа близко к единице

иАЕ 170 кал/моль.

При большем числе заместителей никаких дополнительных эффектов не возникает, и АЕ можно рассматривать как аддитив­ ную величину [52, 53]. Если в качестве заместителей выступают гидроксильные группы ОН, способные образовывать внутримо­ лекулярные водородные связи, то значения АЕ могут существен­ но уменьшиться.

Разности энергии конформеров ди- и полизамещенных цик­ логексана теоретически рассчитывались только для алкильных заместителей 127]. Укажем, в частности, что АЕ диаксиального

идиэкваториального 1,2-диметилциклогексана равно, согласно расчету Аллинджера, 5,41 ккал/моль; экспериментальное значе­ ние [54] 5,5 ккал/моль. Отмечая очень хорошее согласие расчета

иопыта, напомним, что метод Аллинджера требует большого числа эмпирических параметров, т. е. точность достигается за счет усложнения параметризации.

Декалины (см. стр. 15) можно рассматривать как 1,2-дизаме- щенные циклогексана: транс-декалин соответствует конформа­ ции ее, цис-декалин — конформации еа. В транс-изомере ин­ версия кольца отсутствует, поскольку другой конформер должен был бы содержать две аксиальные связи С—С; в г^ис-изомере ин­ терконверсия возможна, если оба кольца искажаются одновре­ менно, однако нового изомера при этом не получается — инвер­ сия приводит к антиподу. Расчет относительных энергий транс-

и цыс-декалинов [27] показал, что первый из них стабильнее^на 3,27 ккал/моль, что согласуется с разностью энергии образования этих молекул (3,09 ккал/моль).

Замещенные циклобутана и циклопентана

Замещения вполне закономерным образом влияют на конфор­ мации четырех- и пятичленных колец. Около десяти лет назад, когда еще шли споры о том, является ли молекула циклобутана плоской, исследования микроволновых спектров бром- [55] и хлорциклобутанов [56] показали, что в обеих молекулах четырех­ членное кольцо сморщено, причем двугранный угол равен соот­ ветственно 20° и 29,3°. Интересно, что уже в замещенных цикло­ бутана возникают псевдоэкваториальные (а) и псевдоаксиальные (в) конформеры [б — плоская конформация].

Исследование зависимости интенсивности ИК-спектров хлор-

ибромциклобутанов [57] от температуры показало, что

атомов водорода и галогена в псевдоаксиальной форме. Неплоские равновесные конформации были обнаружены в ок-

тахлорциклобутане [58], анемонине [59], 1,2-дибром- 1,2-дикарб- метоксициклобутане [60], октафторциклобутане [61], 1,1-дифтор- циклобутане [62], цис- и транс- 1,3-дихлорциклобутанах [63, р.91], 1{«с-циклобутан-1,3-дикарбоновой кислоте [64], транс-циклобу- тан-1,2-дикарбоновой кислоте [65]. Напротив, в тетрафенилциклобутане [66], фотодимере циклопентанона [67], 1,2,3,4-тетрациан- циклобутане [68], октаоксициклобутане [69], /пранс-циклобутан- 1,3-дикарбоновой кислоте [70] циклобутановое кольцо было найдено плоским. Двугранные углы в неплоских молекулах меняются в широких пределах, однако большинство значений группируется около 30°. Отсутствие теоретических расчетов кон­ формаций данных соединений можно объяснить недостаточным знанием потенциалов различных атомов. Кроме того, поскольку барьер для плоской формы весьма мал, нельзя сбрасывать со счета межмолекулярные взаимодействия, которые могут оказывать влияние на конформации этих молекул в кристаллах (см. раз­ дел 6 этой главы).

Экваториальные и аксиальные конформеры имеют и замещен­ ные циклопентана. Благодаря тому, что они возникают на пути

162

псевдовращения, барьеры псевдовращения увеличиваются по сравнению с циклопентаном и определяются природой и положе­ нием заместителей. Детальный анализ экспериментальных дан­ ных и теоретические расчеты имеются в работах [71—73].

Четырех- и пятичленные насыщенные гетероциклы

Равновесные конформации четырехчленных гетероциклов, в за­ висимости от природы гетероатома и заместителей, могут быть плоскими или неплоскими. Потенциал сморщивания кольца можно приближенно записать в виде

равновесной является плоская форма, и около нее возникают неплоские колебания атомов, ангармоничность которых опреде­ ляется константой В; при А < 0 и В > 0 потенциальная функция сморщивания имеет два минимума, а плоской форме соответствует

О—СН2—СНг<—С = 0 плоская равновесная форма доказана экспе­ риментально [77].

Другие гетероатомы обычно приводят к потенциальным функ­ циям сморщивания с максимумом при г = 0. Так, неплоские рав­ новесные конформации были найдены в триметиленсульфиде [78], триметиленимине [79], силациклобутане [80].

Заметим, что сморщивание кольца может возникнуть по од­ ной из двух диагоналей четырехугольника, причем один из ти­ пов сморщивания из-за отсутствия симметрии является предпочти­

нали С—С. Вместо р можно ввести параметр со, имеющий пределы изменения от —1 до +1 и позволяющий упростить некоторые выражения, описывающие неплоские деформации 178]:

Исследование микроволновых спектров триметиленсульфида [78] показало, что со =» 0,3, т. е. сморщивание по диагонали С—S примерно в 1,8 раза больше, чем по диагонали С—С.

В пятичленных циклах наличие гетероатомов приводит к большему или меньшему торможению псевдовращения. Особый интерес представляют кислородсодержащие кольца, поскольку они являются аналогами рибозы и дезоксирибозы — важных компонентов нуклеиновых кислот. Отложив рассмотрение кон­ формаций рибозы до раздела 1 гл. 9, остановимся на ее простей-

пространственного строения пятиугольника потребуется 4 пара­ метра (2п — 6), в качестве которых можно выбрать два валентных и два двугранных угла. Остальные параметры могут быть одно­ значно выражены через них. Для упрощения расчета имеет смысл принять симметрию C2v для каждой метиленовой группы и поло­ жить угол НСН равным 108°. Учитывая, что валентные углы являются несущественными параметрами, рассмотрим потен­ циальную поверхность двух существенных переменных — углов вращения срх и ц>2 вокруг связей С—О [81]. На рис. 3.9 приведена конформационная карта Д(ф1, <р2) для тетрагидрофурана; каждая точка этой карты соответствует минимуму энергии по другим переменным — двум валентным углам. Минимуму энергии отве­ чает конформация полукресла, имеющая симметрию С2, но кон­ формация конверта Cs с атомом кислорода, выведенным из пло­ скости четырех атомов углерода, имеет почти такую же энергию. Следовательно, взаимное превращение двух форм происходит почти свободно, но барьер псевдовращения всего цикла достаточ­ но велик — около 1 ккал/моль. Электронографические исследо­ вания структуры тетрагидрофурана [82, 83] показали, что в па­ рах наблюдается смесь форм С2 и Cs. Что же касается равновес­ ных геометрических параметров, то их значения, рассчитанные в другой работе [84], практически полностью совпадают с экспе­ риментальными. Заметим, что спектроскопические исследования псевдовращения в тетрагидрофуране дали незначительный барьер — около 150 кал/моль [85, 86].

164

Другие гетероатомы приводят к значительно большим барье­ рам псевдовращения пятичленных циклов. Ниже приведены экспериментальные значения барьеров по [87] (для циклопентанона приведены два независимых значения):

В работе [88] было высказано предположение, что эмпириче­ ские модели не могут воспроизвести больших значений барьеров псевдовращения в молекулах сила- и гермациклопентанов. Одна-

Рис. 3.9. Конформационная карта тетрагидрофурана (значения U даны в ккал/моль).

ко Сейп [89] показал, что с учетом торсионных напряжений и спектроскопических постоянных для деформаций валентных углов (при этом взаимодействия несвязанных атомов можно не прини­ мать во внимание) вычисленные барьеры находятся в хорошем -согласии с опытом. Два варианта расчета дали значения барье­

165

ров 3,56 и 4,53 ккал/моль в силациклопентане и 4,49 и 5,53 ккал/моль в гермациклопентане (ср. с вышеприведенными данными [87]).

Каковы равновесные конформации пятичленных гетероцик­ лов? Если в циклопентане и тетрагидрофуране конформации С2 и Cs имеют примерно одинаковую энергию, то для других гетеро­ циклов в выигрыше обычно остается конформация конверта Cs. Об этом однозначно свидетельствуют электронографические ис­ следования [90].

Интересно, что эмпирическая модель, учитывающая торсион­ ные потенциалы, энергию деформаций валентных углов и нева­ лентные взаимодействия, превосходно работает для многих пяти­ членных гетероциклов. Это кажется удивительным, поскольку для таких атомов, как S или Se, нет ни надежных атом-атом по­ тенциалов, ни других необходимых констант. И все же разумные пределы изменения этих констант удается оценить, что оказы­ вается достаточным для правильного предсказания геометрии. Так, рассматривая конформации тетрагидроселенофена, Сейп и сотр. [90] использовали в качестве постоянных U0 для торсион­ ных потенциалов величину барьера внутреннего вращения в диметилселениде 1,50 ккал/моль [91]; в другом варианте расчета было взято значение 1,01 ккал/моль для метилселенола [92]. Для энергии деформаций валентных углов тоже была учтена не­ определенность параметризации, так что все расчеты производи­ лись с четырьмя наборами параметров. В результате оказалось, что разность энергий форм Cs и С2 может находиться в пределах от 3,38 до 3,92 ккал/моль, т. е. качественный результат практи­ чески не зависит от параметризации. Кроме того, для всех набо­ ров параметров рассчитанная геометрия молекулы хорошо согла­ суется с опытной.

Из насыщенных циклов с двумя и более гетероатомами наи­ более полно исследованы кислородсодержащие системы [93—96].

инекоторых других молекулах этого типа наиболее устойчивой является конформация полукресла С2. То обстоятельство, что полукресло выгодно в кислородсодержащих системах и невыгод­ но в других пятичленных гетероциклах, не объясняется дейст­ вием какого-либо одного фактора и является результатом одновре­ менного влияния торсионных напряжений, угловых деформаций

иневалентных взаимодействий.

166

В пятичленных циклах заместители могут находиться как

вэкваториальных, так и в аксиальных положениях. Рассмотрим

вкачестве примера молекулу этиленхлорфосфита, две возможные конформации которой а я б показаны ниже (другие две конфор­

мации, имеющие симметрию либо Cs, либо С2, могут быть полу­ чены из этих двух, если атом хлора сделать экваториальным).

сн 2—о —РС1—О -сн ,

Электронографическое исследование строения этиленхлор фосфита [97] показало, что единственной конформацией в парах является форма конверта Cs с аксиальным положением замести­ теля. Конформация конверта не является неожиданностью— она встречается почти во всех пятичленных гетероциклах, если в со­ став цикла входят не только атомы углерода и кислорода; что же касается аксиального положения заместителя, то оно не мо­ жет быть с легкостью объяснено на основании механической мо­ дели молекулы.

Интересно, что молекула тетраметилэтиленфосфита, как по­ казало другое электронографическое исследование [98], сущест­ вует в конформации полукресла, подобной вышеуказанной кон­ формации б. Этот факт легко объясняется уменьшением оттал­ кивания метильных групп в конформации С2.

Приведенные примеры позволяют сформулировать простые эмпирические правила. Наличие в кольце атомов кислорода спо­ собствует возникновению конформации полукресла; другие ато­ мы стабилизируют конформацию конверта. Что же касается за­ местителей, то они стремятся занять аксиальное положение в тех случаях, когда атом кольца, к которому они привязаны, содер­ жит неподеленные электронные пары (Р, S, Se и др.).

В связи с указанными правилами представляет интерес элек­ тронографическое исследование зтиленсульфита и этиленселе-

нита [99].

СН2—О—X—-О—СН8 X = S, Se

О

В этих молекулах благодаря двум противоречивым тенден­ циям возникает конформация, близкая к плоской: если в этиленсульфите имеется смесь очень уплощенных конформеров С2 и

167

Cs, то в этиленселените существует лишь один плоский конформер. Что же касается заместителя — атома кислорода, то в обеих молекулах он находится в аксиальном положении, поскольку атомы S и Se имеют неподеленные электронные пары.

Шестичленные гетероциклы

При переходе к шестичленным циклам различия в конформа­ циях гетероциклических и алициклических молекул сглаживаются, Конформации типа кресла с экваториальными заместителями, вообще говоря, являются предпочтительными. На рир. 3.10 при-

Рис. 3.10. Конформация кресла для некоторых шестичленных гетероциклов.

кими гидроксильными и другими группами, являющимися за­ местителями. Форма кресла наиболее устойчива и в соединениях, содержащих два и более гетероциклических кислорода: 1,4-диок- сане X I V [100], 1,3-диоксане (и, в частности, в одном из его за­ мещенных XV [101]), 1,3,5-триоксане XVI [102, 103], а также циклических перекисях и диперекисях. Соединение XVII, пред­ ставляющее собой циклическую диперекись с заместителями — циклогексановыми кольцами, как показало рентгеноструктур­

[106]. Не составляет исключения и атом азота, который «предпо­

рениями дипольных моментов 4-(п-хлорфенил)-пиперидина и его метилзамещенных [107, 108]. Несложные расчеты, основанные на экспериментальных данных, показывают, что если в аксиаль­ ном положении находится СН3-группа, то проигрыш в энергии составляет 1,7 ккал/моль, а если атом водорода, то 0,4— 0,5 ккал/моль. Опытные данные [109] приводят к меньшим раз­ ностям энергий.

Но ... нет правил без исключения. Заместители у атомов серы, селена, трехкоординированного фосфора и некоторых других атомов предпочитают находиться в аксиальных положе­ ниях. В частности, электронографические исследования соедине­ ний X X I V и X X V показали, что в обеих молекулах аксиальные конформеры являются более выгодными [ПО, 111]— теоретиче­ ские кривые радиального распределения превосходно согласу­ ются с экспериментальными данными.

Конечно, отталкивание аксиального атома в этих соединениях невелико (порядка нескольких сотых или десятых ккал/моль), но если исходить из модели атом-атом потенциалов, то во всех слу­ чаях равновесие должно было бы сдвигаться в сторону эквато­ риальных конформеров. Обычно предпочтительность аксиальных конформеров в этих соединениях «объясняют» существованием неподеленных пар электронов: если заместитель находится в эк­ ваториальном положении, то неподеленная электронная пара (избыток электронной плотности) должна быть расположена ак­ сиально, а это невыгодно, потому что неподеленная пара также отталкивается от атомов водорода, расположенных через один

169

атом*кольца. Впрочем, с подобной ситуацией мы уже встречались при обсуждении конформаций пятичленных гетероциклов*.

Нельзя также забывать и о том, что в растворах и в жидкостях равновесие бывает смещено в сторону более полярных изомеров, а ими могут оказаться аксиальные конформеры. Так, исследова­ ния транс-2,3- и транс-2,5-дихлор-1,4-диоксанов XXVI и X X V I I , проведенные несколькими физическими методами [112—114], по­ казали, что в этих соединениях атомы хлора находятся в аксиаль­

перазин имеет свободную энергию активации инверсии кольца 12,6 ккал/моль при температуре коалесценции — 8,5 °С [118]; барьер инверсии в циклогексане, как мы указывали, близок к 11 ккал/моль (измерение свободной энергии переходного состоя­ ния [119] дало 10,3 ккал/моль). Для 1,3-диоксана измеренное

рактеризующих конформации пиранозных колец (шестичленных

170