книги из ГПНТБ / Блага К. Основы стереохимии и конформационного анализа

замещенных в положениях 4 н 5, возникает взаимодействие между заместителями в экваториальном положении*:

XX

Вэтих случаях расположением с наименьшей энергией обла­ дает не изомер, с двумя экваториальными заместителями, а изо­ мер с одним экваториальным и одним аксиальным заместителем.

Хорошим примером применения конформационного анализа к полициклическим молекулам служит анализ стабильности свя­

ной реакционной способностью в зависимости от того, относятся

позволило дать объяснение наблюдаемым фактам . Это можно

90

реохимией позволили сформулировать основные конформационные правила:

кольцо обладает значительно более плоской конформацией, чем циклогексановое; его стереохимическая структура не позволяет выделить связи различного типа, которые бы напоминали эква­ ториальные и аксиальные связи циклогексана. Положение изме­ няется, когда пятичленное кольцо сочленено с пергидрофенантреновой структурой стероидной молекулы. Связи при углеродных

C(i6), в известной степени различны, так как сс-заместитель термо­ динамически более стабилен. В то ж е время встречный эффект пятичленного кольца на шестичленное должен приводить к неко­ торой деформации в распределении связей последнего, как это наблюдается в производных гидриндана. Однако ж е с т к а я пергидрофенантреновая структура не может деформироваться в зна­ чительной степени.

Стабильность формы лодки в производных циклогексана

В форме лодки молекулы циклогексана можно выделить че­ тыре различные типа связей: связи при углеродных атомах С( 2 ), С(з), С(5) и С(б) обозначаются символами be. (лодочно-экваториаль- ные) и Ьа (лодочно-аксиальные), так как они напоминают обыч­ ные связи, циклогексана; связи углеродных атомов Qi) и Q.i)

91

имеют специфический характер и обозначаются символами а (флагштоковые) и е (бушпритовые):

Указанная конформация, без сомнения, является очень неста­ бильным пространственным расположением, и она осуществ­ ляется только в чрезвычайно жестких структурах. Эта конфор­ мация включает три частные конформации с очень высокой энер­ гией: во-первых, два с«н-перипланарных расположения связей кольца и, во-вторых, пару сильно сближенных друг с другом за­ местителей, присоединенных связями, обозначенными символом а в указанной формуле. Максимум кривой, о т р а ж а ю щ е й зависи­ мость потенциальной энергии от вращения вокруг простой связи (см. рис. 10), соответствует сын-перипланарному расположению. Система будет стремиться уменьшить это взаимодействие, избе­ гая этой частной конформации вращением на некоторый угол; кроме того, благодаря такому вращению одновременно уда­

в положительном или отрицательном направлении от сын-пери- планарных частных конформации.

Эта искаженная форма лодки циклогексаиа имеет намного

изменение потенциальной энергии в ходе этого процесса, вклю­ чает максимум, соответствующий правильной лодке, и два мини­ мума, соответствующие твист-лодкам (скошенным л о д к а м ) , по­ казанным формулами ( Х Х Ш а ) и ( X X I I I 6 ) :

92

В некоторых случаях форма лодки может становиться пре­

кольца; он может быть временным, как водородная связь в псев-

X X I V

2. Включение в сложную полициклическую структуру, в кото­ рой форма кресла вынуждает второе циклогексановое кольцо присоединяться посредством двух аксиальных связей (например, гранс-сгш-грамс-пергидрофенантрен и транс-анти-транс-иергил- роантрацен) . Форма лодки тогда стабилизируется, как было экс­ периментально установлено, например, в случае 8-изотестосте- poHa(XXV):

о'

3. Наличие заместителей, которые в конформации кресла вы­ нуждены принять аксиальное положение, что приводит к силь­ ному взаимодействию с другими аксиальными заместителями. Часто упоминают, например, транс- 1,3-ди-трег-бутилциклогексан, который в конформации кресла обязательно должен иметь одну трет-бутильную группу в аксиальном положении.

По-видимому, существование стабилизированной твист-лодоч­ ной формы не ограничивается указанными выше и скорее любо­ пытными случаями. Возможно, что ряд других соединений, в ко­ торых имеются значительные 1,3-взаимодействия в форме кресла, существуют практически в твист-лодочной форме.

Конформации частично ненасыщенных циклогексановых колец

Регулярное распределение аксиальных и экваториальных свя­ зей в циклогексановом кольце нарушается при введении эндоциклической двойной связи, закрепляющей атомы С(з), С(2), Q u й

93

XXVI

• По калориметрическим измерениям вторая форма значитель­

Таким ж е образом можно описать различные связи в гидро­ ароматическом кольце тетралина и в 1,2-эпоксициклогексане, где четыре атома углерода фиксированы в одной плоскости вслед­ ствие сочленения с другим планарным кольцом. Форма лодки является возможной формой среднего циклогексадиенового кольца в 9,10-дигидроантрацене.

Конформации колец, отличных от шестичленных

При обсуждении принципов конформанионного анализа осо­ бое внимание было уделено шестичленному циклу, поскольку, необходимые модельные вещества легкодоступны и результаты исследования относительно легко интерпретируются. Конформа­ ции, привлекаемые для рассмотрения, могут быть выведены из основных конформационных состояний тетраметиленовой цепи. При определении их стабильности единственными эффективными факторами являются несвязанные взаимодействия, возникающие при вращении вокруг простой связи (питцеровское напряжение).. При конформационном анализе других циклических структур следует принимать во внимание и другие факторы, которые де­ лают анализ более трудным (обзор см. в [3]).

Содержание внутренней энергии ясно указывает на различ­ ную термодинамическую стабильность циклов различной вели­ чины. Н и ж е приведена разница теплот сгорания (в ккал/моль) между циклогексаном и соответствующим циклоалканом, при­ ходящаяся на одну СН2 -группу:

94

Все циклические структуры имеют более высокое содержание энергии, чем соответствующие ациклические цепи. Если д л я всех колец принять плоское расположение, то тогда переход али­ фатической цепи в соответствующий цикл с тем ж е числом ато­ мов будет сопровождаться изменением углов связей при всех

пряжения кольца, обязанного деформации углов связей, приво­ дит к полному исчезновению несвязанных взаимодействий, при­ чем это не сопровождается появлением каких-либо других энергетически неблагоприятных взаимодействий. Б л а г о д а р я всему этому энергия конформации цикла приближается к энер­ гетическому уровню алифатических молекул. Повышение энер­ гетического уровня других циклических структур обусловлено следующими факторами: а) питцеровским напряжением, вноси­ мым несвязанными взаимодействиями заместителей при сосед­ них атомах углерода; б) байеровским напряжением, возникаю­ щим вследствие деформации углов связей; в) трансаннулярными несвязанными взаимодействиями, обусловленными вынужденной близостью противоположных сторон цикла.

М а л ы е циклы характеризуются очень высоким содержанием энергии. В планарном трехчленном кольце основной причиной

т а к ж е существенно изменены, происходит определенная дефор­

связанные взаимодействия уменьшаются в результате отклоне­

95

конформации циклопентана; первая конформация с четырьмя атомами в одной плоскости и пятым слегка отклоненным от этой плоскости напоминает открытый конверт (обозначается C s ), вторая конформация, в которой один атом лежит ниже пло­

ные питцеровские взаимодействия остаются основным источни­ ком напряжения в обеих конформациях. Семичленное кольцо во многом напоминает пятичленное, особенно в относительном увеличении энергии по сравнению с циклогексаном, а т а к ж е своим поведением в химических реакциях. Основной фактор, обусловливающий увеличение энергии, т. е. питцеровское напря­ жение, является общим для обеих структур.

Кольца, содержащие от восьми до одиннадцати членов, так называемые средние циклы, с точки зрения конформационного анализа являются более сложными системами [5]. Отрицатель­ ные деформации углов связей могут быть уменьшены в опреде­

взаимодействия приводят, в частности, к повышенной реакцион­

увеличивают возможность трансаннулярных реакций. Поскольку

мов с двойным с«н-клинальным расположением является повто­

фракции рентгеновских лучей, указывает на присутствие именно этой структурной единицы:

96

Отмеченные водородные атомы вступают в значительные не­ связанные взаимодействия. Кольца с числом членов больше 12 имеют более подвижную цепь, благодаря чему несвязанные взаимодействия здесь невелики. С в о й с т в а ' наиболее высоких членов циклического ряда асимптотически приближаются к свойствам алифатических соединений. С позиций конформаци­ онного анализа в этих случаях больший интерес представляет геометрия сегмента кольца, включающего функциональные группы, чем общий вид циклической системы. О б щ а я конформация представляет собой две параллельные цепи, связанные метиленовыми мостиками.

ских соединений [т. е. ацилоиновая циклизация эфиров дикар -

рактеризуются большими изменениями выхода продуктов цик­ лизации при изменении величины кольца. Все три указанных

(1) и (2). Причина малых выходов соединений со средними циклами кроется- в больших стериче'ских взаимодействиях, воз­ никающих в переходных состояниях:

Влияние величины цикла на реакционную способность. На ­ пряжение кольца определенным образом влияет на константы скоростей или константы равновесий реакций циклических со­ единений. Сопоставление величины цикла с указанными пара­ метрами позволяет разделить гомологический ряд циклоалканов, на группы, соответствующие ранее приведенной классификации. В процессе реакции изменяется общее напряжение кольца. Из ­ менения этого напряжения, обозначаемого как 1-напряжение (брауновское напряжение), облегчает протекание реакции или затрудняет ее в зависимости от механизма реакции и в особен­ ности от стерических требований. Д л я общей оценки реакционной

способности циклических соединений целесообразно класси­ фицировать реакции по изменению «координационного числа» *, которое имеет место при протекании реакции "по одному из атомов кольца. Переход из тетраэдрического состояния с коор­

уменьшение несвязанных взаимодействий, когда один из атомов кольца изменяет свое координационное число от 4 к 3; в этом случае реакция протекает очень легко. В случае шестичленного кольца, имеющего сначала благоприятную конформацию, взаи­

ция протекает медленно. Обратный процесс, изменение коорди­ национного числа от 3 к 4, например при восстановлении циклоалканов в циклоалканолы, будет характеризоваться и обратной зависимостью от величины кольца. Аналогичный анализ реак­

соединений с большими кольцами приближается к реакционной способности ациклических соединений (детальное обсуждение

Реакции эпимеризации

Примером реакций первого типа являются реакции, эпимери­ зации, в которых различие в стабильности выражено конкрет­ но, а именно, в результате реакции получается смесь двух эпи-

* Этот термин отражает изменение числа атомов, присоединенных к со­ ответствующему атому. Более строго следует говорить о гибридизации ва­ лентных электронов (sp3usp2).

98