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

Возможные конформации пиранозного кольца и их номенклатура, по Ривсу, приведены ниже:

Наиболее выгодными являются конформации кресла С1 и С2. Замечено, что наличие аксиальных гидроксильных групп в кольце, вообще говоря, уменьшает стабильность цикла. Правда, если имеется возможность для возникновения внутри- и межмо­ лекулярных водородных связей, то аксиальные заместители иногда даже стабилизируют цикл. Еще одной причиной дестаби­ лизации цикла является наличие аксиальной группы СН2ОН на той стороне кольца, где находятся другие объемистые заместители.

Рентгеноструктурные данные по конформациям сахаров де­ тально рассмотрены в обзорах [124, 1251. Правила Ривса подтвер­ ждаются почти для всех известных структур: шестичленные са­ хара в кристаллах существуют в конформациях кресла, обеспе­ чивающих минимальное число заместителей в аксиальных поло­ жениях. Длины связей С—С равны в среднем 1,53 А, С—О — 1,42 А; валентные углы ССС внутри цикла близки к тетраэдриче­ ским, а углы СОС обычно немного больше: 109—113°.

Не останавливаясь на деталях, связанных со строением и геометрией различных типов пиранозных колец (их возможное число очень велико), перейдем к проблемам, связанным с конформациями одного из них — глюкопиранозного кольца. На рис. 3.11 приведена его структурная формула и параметры, описывающие конформацию. Изомерные а- и p-D-глюкозы отли­ чаются одна от другой лишь относительным положением груп­ пы ОН при Сх: в а-изомере эта группа находится в аксиальном положении, в р-изомере— в экваториальном. Выбор именно этой молекулы определяется, во-первых, тем, что из всех пиранозных колец она представляет наибольший интерес для биохимии; во-вторых, тем, что ее конформации исследованы как экспери­ ментально, так и теоретически; в-третьих, основные особенности, обнаруженные для этой молекулы, можно легко распространить на другие пиранозные кольца.

В табл. 3.1 приведены положения заместителей — групп ОН и СН2ОН в различных конформациях глюкопиранозного кольца.

171

Исходя только из представления о невыгодности аксиальных за­ местителей, можно заключить [126], что самыми выгодными яв­ ляются конформации С1, В 1 и 3В. Однако кроме этого фактора важно учесть и то обстоятельство, что формы ванны вообще не­ выгодны: во-первых, они соответствуют большим энергиям на­ пряжения из-за отталкивания валентно не связанных атомов и значительного торсионного вклада; во-вторых, они соответствуют максимумам энергии на пути псевдовращения, минимумы же возникают при прохождении через теист-формы. Таким обра­ зом, сразу ясно, что форма С1 должна быть самой стабильной, поскольку в ней заместители находятся в благоприятных положе­ ниях; другому минимуму энергии должна отвечать форма 1C.

Рамачандран и сотр. [127] рассчитали энергии различных кон­ формаций глюкопиранозного кольца с атом-атом потенциалами Китайгородского [128] и Флори [129] без учета торсионных на­ пряжений. При этом валентные и двугранные углы в кольце фиксировались (все углы ССС были приняты равными 109,5°, а угол СОС— 114°, откуда с учетом длин связей легко можно найти в двугранные углы), варьировались лишь %—углы поворота групп СН2ОН. Оба набора атом-атом потенциалов дали наимень­ шую энергию для конформации С1 с х ~ 175° (согласно экспери­ ментальным данным [130], этот угол равен 180 ± 12°). На вто­ ром месте по стабильности оказалась конформация 3В; другое кресло 1C явно невыгодно энергетически по сравнению с С1.

Более строгий анализ конформаций a-D-глюкозы проведен в нашей работе [131]. Кроме невалентных взаимодействий учиты­

Валентные углы при минимизации потенциальной функции и поиске переходных состояний варьировались (упругая постоян­ ная для угла ССС равна 30 и для угла СОС соответственно

172

65 ккал-моль"1-рад-2). Учтены были также электростатические взаимодействия в монопольном приближении (заряды на атомах взяты из работы [132]), причем специально исследовано влияние неопределенности в величинах точечных зарядов на резуль­ таты расчетов.

Если считать валентные связи жесткими, то конформации шестичленного кольца описываются шестью независимыми пара­ метрами, в качестве которых можно принять валентные углы а 4,

Локальные спуски завершаются близко к вершинам паралле­ лепипеда (см. рис. 3.12), причем в вершину В' не привел ни один спуск, а наибольшее число точек оказалось около вершины, соот­ ветствующей конформации кресла С1.

Уточнение в областях, близких к локальным минимумам, по­ казало, что оптимальной конформацией действительно является кресло С1, откуда следует, что к глобальному минимуму ведет наибольшее число путей из случайных точек. На втором месте по стабильности оказалась другая конформация кресла — 1C; далее следуют твист-формы, которые можно условно обозначить В 1 — 2В и В2 — 1В (понятно, что конформации ванна не соот­ ветствуют минимумам потенциальной поверхности). В табл. 3.2

173

приведены геометрические параметры равновесных форм a-D- глюкозы и их относительные энергии. Экспериментальные дан­ ные [134], конечно, имеет смысл сравнивать с геометрическими параметрами конформации кресла С1.

Как происходят взаимопревращения конформеров в a-D-глю- козе? Ответ на этот вопрос может быть получен, если применить метод поиска путей изомеризации, описанный в разделе 5 гл. 2.

проходящей через 0,Сх,С2 или С3,С4,С5, для некоторых промежуточных форм, находящихся на путях изомериза­ ции. Из этого рисунка видно, что при переходе кресло — ванна наибольшей энергии напряжения (седловой точке) отвечает кон­ формация, в которой пять атомов гетероцикла находятся пример­ но в одной плоскости, а шестой выходит из нее на 0,7—0,9 А.

Различные пути перехода Cl 1C пересекают область псевдовращения и отличаются высотой потенциального барьера. Предпочтительными являются переходы, соответствующие выходу атомов Cr, С2' или Cs< из плоскости остальных пяти атомов.

175

Что же касается барьера интерконверсии, то его расчетное значе­ ние практически совпадает с экспериментальными для соединений этого ряда, в том числе для тетрагидропирана [122].

CJ

Рис. 3.14. Схематическое изображение промежуточных форм на путях изо­ меризации в a-D-глюкозе.

Гетероциклы с числом атомов в цикле больше шести

Конформации таких гетероциклических систем, вероятно, близ­ ки к конформациям соответствующих циклоалканов, хотя струк­ турных данных еще недостаточно, чтобы это можно было утверж­ дать с уверенностью [105]. Однако барьеры инверсии некоторых гетероциклов очень высоки, что определяется в основном повы­ шенной упругостью валентных углов. Отметим, в частности, что свободные энергии активации для интерконверсии колец в моле­ кулах соединений XXI X — X X X I составляют 17,4 ккал/моль

176

XXIX

Инверсия атома азота

Наряду с инверсией всего гетероцикла следует отметить инвер­ сию у отдельных атомов, в частности у атомов азота, входящих в циклы. Проблема инверсии азота детально разобрана в обзоре [138], и потому мы остановимся лишь на нескольких примерах показывающих влияние пространственных затруднений на барье­ ры инверсии.

XXXIII его значение возрастает до 21,3 ккал/моль [1381? Нетруд­ но видеть, что в переходном состоянии, соответствующем пло­ ской конфигурации атома азота, валентные углы СН3—N—С должны быть близкими к 150°, т. е. сильно увеличены по срав­ нению с равновесными. Таким образом, за добавку к величине барьера порядка 15 ккал/моль ответственны угловые напряже­ ния.

В четырехчленных кольцах угловые напряжения в переход­ ном состоянии меньше, поскольку валентные углы у атома азота близки к 135°. Неудивительно, что в соединении X X X I V измерен­

ное значение барьера инверсии составляет 9,0 ккал/моль [141], т. е. больше, чем в аммиаке, но значительно меньше, чем в азиридинах. В пятичленных кольцах барьер еще немного снижается

9,5 ккал/моль [144]. Барьеры инверсии азота в шести-семичлен- ных циклах близки к барьерам интерконверсии колец, и это об­ стоятельство может привести к неправильному отнесению при анализе спектров ЯМР. Заметим, что барьер интерконверсии циклогексана и многих шестичленных гетероциклов близок к 10—11 ккал/моль; в циклогептане, по расчету Хендриксона, величина барьера составляет 8,5 ккал/моль (см. рис. 3.8). Как

X X X I X можно приписать отталкиванию метальных групп от атомов углерода кольца при прохождении через переходное со­ стояние — плоскую конфигурацию атома азота.

Разумеется, простая модель не может объяснить всех тонко­ стей, связанных с изменением барьера инверсии азота в различ­ ных соединениях. Так, барьер инверсии в формамиде XL весьма мал: 1,1 ккал/моль [146], что можно объяснить рл—/^-сопряже­ нием в переходном состоянии. В замещенном азиридине XL I барьер инверсии равен 9,0 ккал/моль [147], т. е. значительно меньше, чем в других азиридинах. В этом случае уменьшение барьера приписывают уже dn—^-сопряжению. Наконец, в трех­ фтористом азоте XLII барьер очень велик и равен, по оценке работы [148], 60 ккал/моль. Столь резкое увеличение барьера инверсии в этой молекуле по сравнению с аммиаком считают следствием большой электроотрицательности атомов фтора.

Приведенные примеры показывают, что простые модели, в ко­ торых за основу берется действие какого-либо одного фактора, не всегда эффективны в предсказании барьеров инверсии, и пото­ му неэмпирические расчеты в подобных ситуациях приобретают особую ценность.

3.КОНФОРМАЦИИ МОЛЕКУЛ БИЦИКЛИЧЕСКИХ

ИПОЛИЦИКЛИЧЕСКИХ НАСЫЩЕННЫХ СОЕДИНЕНИИ

Врассмотренных выше простых циклах (за исключением цикло­ бутана) деформации валентных углов не очень велики, и даже при сохранении идеальных значений валентных углов почти

178

всегда можно выбрать конформации, в которых нет недопустимо коротких контактов валентно не связанных атомов. Иная ситуа­ ция возникает в бициклических и полициклических системах: как правило, идеальные модели этих молекул имеют очень боль­ шие энергии напряжения, и отталкивание несвязанных атомов приводит к серьезным деформациям по сравнению с идеальными моделями.

Впервые расчеты конформаций таких «перевязанных» моле­ кул были приведены А. И. Китайгородским [149]. Несмотря на то, что эти расчеты проводились по упрощенной методике, без учета торсионных напряжений (а они не являются решающими в опре­ делении конформаций молекул этого типа), полученное в резуль­ тате согласие с опытом оказалось вполне удовлетворительным.

Конформации большого числа би- и трициклических систем были рассчитаны в работе Н. М. Зарипова, В. Г. Дашевского и В. А. Наумова [150]. Потенциальные функции, как обычно, вклю­ чали энергию невалентных взаимодействий, энергию деформации валентных углов и торсионную энергию; валентные связи счи­ тались нерастяжимыми; /с_с = 1,535 А, /с_н = 1,10 А. Заме­ тим, что если для f/Topc использовать выражение (2.89), сумми­ руя по всем связям С—С, то могут возникнуть неоднозначности в определении углов вращения (например, для связи Q —С2 в бицикло[2,1,1[гексане можно было бы определить двугранный угол либо как СзСгСхСц, либо как С3С2С]С6). Поэтому рассматри­ валось следующее выражение

9

валентные углы близки к тетраэдрическим, выражение (3.6) авто­ матически переходит в сумму слагаемых типа (2.89).

В табл. 3.3 приведены результаты расчета конформаций вось­ ми напряженных би- и трициклических систем, для которых к настоящему времени получены экспериментальные данные по геометрии (заметим, что, когда проводились расчеты, этих дан­ ных за небольшим исключением не имелось). Учитывались толь­

£/напр на 6—8%, т. е. на дисперсионную энергию притяжения атомов, находящихся на больших расстояниях (заметим, что пре­ небрежение этими взаимодействиями не сказывается на равновес­ ных конформациях).

В бициклобутане XLIII рассчитанный двугранный угол 0 существенно превышает экспериментальное значение [151—153]: примерно на 15°. Расхождение расчета и эксперимента нельзя

Т а б л и ц а 3.3. Конформации некоторых би- и трициклических систем (расчетные данные по [150])

180