Cepa alílica - Allylic strain
Cepa alílica (também conhecida como cepa A 1,3 , cepa 1,3-alílica ou cepa A ) em química orgânica é um tipo de energia de cepa resultante da interação entre um substituinte em uma extremidade de uma olefina (um sinônimo para um alqueno) com um substituinte alílico na outra extremidade. Se os substituintes (R e R ') são grandes o suficiente em tamanho, eles podem interferir estericamente uns com os outros, de modo que um conformador é grandemente favorecido em relação ao outro. A cepa Allyic foi reconhecida pela primeira vez na literatura em 1965 por Johnson e Malhotra. Os autores estavam investigando conformações de ciclohexano incluindo ligações duplas endocíclicas e exocíclicas quando notaram que certas conformações eram desfavorecidas devido às restrições de geometria causadas pela ligação dupla. Químicos orgânicos capitalizam a rigidez resultante da cepa alílica para uso em reações assimétricas.
Quantificando a energia de tensão alílica
A "energia de deformação" de uma molécula é uma quantidade difícil de definir com precisão, de modo que o significado desse termo pode variar facilmente, dependendo da interpretação de cada um. Em vez disso, uma maneira objetiva de ver a cepa alílica de uma molécula é por meio de seu equilíbrio conformacional. Comparando os calores de formação dos conformadores envolvidos, um ΔH eq geral pode ser avaliado. Este termo fornece informações sobre as estabilidades relativas dos conformadores envolvidos e o efeito da deformação alílica no equilíbrio. Calores de formação podem ser determinados experimentalmente por meio de estudos calorimétricos; no entanto, as entalpias calculadas são mais comumente usadas devido à maior facilidade de aquisição.
Os diferentes métodos utilizados para estimar a entalpia de equilíbrio conformacional incluem: o método Westheimer, o método homomorfo e, mais simplesmente, - usando entalpias estimadas de interações não ligadas dentro de uma molécula. Como todos esses métodos são aproximações, os valores de deformação relatados para a mesma molécula podem variar e devem ser usados apenas para dar uma ideia geral da energia de deformação.
Olefinas
O tipo mais simples de moléculas que exibem cepas alílicas são as olefinas. Dependendo dos substituintes, as olefinas mantêm vários graus de cepa alílica. No 3-metil-1-buteno, as interações entre o hidrogênio e os dois grupos metil no sistema alílico causam uma mudança na entalpia igual a 2 kcal / mol. Como esperado, com um aumento no tamanho do substituinte, as entalpias de equilíbrio entre os rotâmeros também aumentam. Por exemplo, ao examinar 4-metil-2-penteno que contém um grupo metil alílico adicional em comparação com 3-metil-1-buteno, a entalpia de rotação para o conformador de energia mais alta aumenta de 2 kcal / mol para 4 kcal / mol.
Moléculas cíclicas
As energias de interação 1,3-diaxial não ligadas são comumente usadas para aproximar a energia de deformação em moléculas cíclicas, pois os valores para essas interações estão disponíveis. Tomando a diferença nas interações não ligadas para cada conformador, a entalpia de equilíbrio pode ser estimada. A energia de cepa para metilideneciclohexano foi calculada em 4,5 kcalmol −1 usando estimativas para cepa 1,3-diaxial (0,9 kcalmol −1 ), cepa metil / hidrogênio alílico (1,3kcalmol −1 ) e cepa metil / metil alílico (7,6 kcalmol -1 ) valores.
A energia de cepa em 1,8-dimetilnaftaleno foi calculada em 7,6 kcalmol −1 e cerca de 12-15 kcalmol −1 para 4,5-dimetilfenantreno. A cepa alílica tende a ser maior para moléculas cíclicas em comparação com as olefinas à medida que a energia da cepa aumenta com o aumento da rigidez do sistema. Um resumo detalhado da cepa alílica em anéis de seis membros foi apresentado em uma revisão por Johnson, F.
Fatores de influência
Vários fatores influenciam a penalidade de energia associada à cepa alílica. A fim de aliviar a tensão causada pela interação entre os dois grupos metil, os ciclohexanos exibirão frequentemente uma conformação de barco ou barco de torção . A conformação do barco tende a ser a principal conformação à deformação. O efeito da deformação alílica nos alcenos cis cria uma preferência por estruturas mais lineares.
Tamanho do substituinte
O tamanho dos substituintes interagindo nas posições 1 e 3 de um grupo alílico é frequentemente o maior fator que contribui para a magnitude da cepa. Como regra, substituintes maiores criarão uma magnitude maior de deformação. A proximidade de grupos volumosos causa um aumento nas forças repulsivas de Van der Waals. Isso aumenta rapidamente a magnitude da tensão. As interações entre o hidrogênio e o grupo metil no sistema alílico causam uma mudança na entalpia igual a 3,6 kcal / mol. A energia de deformação neste sistema foi calculada em 7,6 kcal / mol devido às interações entre os dois grupos metil.
Polaridade substituinte
A polaridade também tem efeito sobre a cepa alílica. Em termos de estereosseletividade, os grupos polares agem como grupos grandes e volumosos. Mesmo que dois grupos possam ter aproximadamente os mesmos valores de A, o grupo polar agirá como se fosse muito mais volumoso. Isso se deve ao caráter doador do grupo polar. Os grupos polares aumentam a energia HOMO do sistema σ no estado de transição. Isso faz com que o estado de transição fique em uma posição muito mais favorável quando o grupo polar não está interagindo em uma cepa 1,3 alílico.
Ligação de hidrogênio
Com certos substituintes polares, a ligação de hidrogênio pode ocorrer no sistema alílico entre os substituintes. Em vez da deformação que normalmente ocorreria na proximidade do grupo próximo, a ligação de hidrogênio estabiliza a conformação e a torna energeticamente muito mais favorável. Este cenário ocorre quando o substituinte alílico na posição 1 é um doador de ligação de hidrogênio (geralmente um hidroxila ) e o substituinte na posição 3 é um aceitador de ligação de hidrogênio (geralmente um éter ). Mesmo nos casos em que o sistema alílico poderia se conformar para colocar um hidrogênio muito menor na posição do aceitador da ligação de hidrogênio, é muito mais favorável permitir que a ligação de hidrogênio se forme.
Solventes
Os solventes também têm efeito sobre a cepa alílica. Quando usados em conjunto com o conhecimento dos efeitos da polaridade na cepa alílica, os solventes podem ser muito úteis no direcionamento da conformação de um produto que contém uma estrutura alílica em seu estado de transição. Quando um solvente volumoso e polar é capaz de interagir com um dos substituintes no grupo alílico, o complexo do solvente pode forçar energeticamente o complexo volumoso para fora da cepa alílico em favor de um grupo menor.
Conjugação
A conjugação aumenta a deformação alílica porque força os substituintes a uma configuração que faz com que seus átomos fiquem mais próximos, aumentando a força das forças repulsivas de Van der Waals . Esta situação ocorre de forma mais notável quando o ácido carboxílico ou a cetona estão envolvidos como substituintes do grupo alílico. O efeito de ressonância no grupo carboxílico muda a ligação dupla CO para um grupo hidroxilo. O grupo carboxílico funcionará assim como um grupo hidroxila que fará com que uma grande cepa alílica se forme e cancelará os efeitos de estabilização da conjugação estendida. Isso é muito comum em reações de enolização e pode ser visto na figura abaixo em "Condições ácidas".
Em situações em que a molécula pode estar em um sistema conjugado ou evitar a cepa alílica, foi demonstrado que a forma principal da molécula será aquela que evita a cepa. Isso foi encontrado por meio da ciclização na figura abaixo. Sob tratamento com ácido perclórico, a molécula A cicliza no sistema conjugado mostrado na molécula B. No entanto, a molécula irá se reorganizar (devido à cepa alílica) na molécula C, fazendo com que a molécula C seja a espécie principal. Assim, a magnitude da desestabilização por meio da cepa alílica supera a estabilização causada pelo sistema conjugado.
Condições ácidas
Nos casos em que uma enolização está ocorrendo em torno de um grupo alílico (geralmente como parte de um sistema cíclico), uma cepa 1,3 pode fazer com que a reação seja quase impossível. Nessas situações, o tratamento com ácido normalmente faria com que o alceno se tornasse protonado , movendo a dupla ligação para o grupo carboxílico , mudando-o para um grupo hidroxila . A tensão alílica resultante entre o álcool e o outro grupo envolvido no sistema alílico é tão grande que a reação não pode ocorrer em condições termodinâmicas normais. Essa mesma enolização ocorre muito mais rapidamente em condições básicas, pois o grupo carboxílico é retido no estado de transição e permite que a molécula adote uma conformação que não cause deformação alílica.
Aplicação de cepa alílica em reações orgânicas e síntese total
Origem da estereosseletividade das reações orgânicas da cepa alílica
Quando se considera a deformação alílica, é necessário considerar os possíveis conformadores e a possível demanda estereeletrônica da reação. Por exemplo, na conformação de (Z) -4-metilpent-2-eno, a molécula não está congelada no conformador favorecido, mas gira no ângulo diédrico em torno de 30 ° a <1kcal / mol de custo. Em reações estereosseletivas, há 2 efeitos da cepa alílica na reação, que é o efeito estérico e os efeitos eletrônicos. O efeito estérico é onde o maior grupo prefere estar mais distante do alceno. O efeito eletrônico é onde os orbitais dos subsituents preferem se alinhar anti ou fora dos orbitais dependendo da reação.
Reação de hidroboração
A reação de hidroboração é uma reação útil para funcionalizar alcenos em álcoois. Na reação, o grupo trimetilsilil (TMS) cumpre 2 funções no direcionamento da estereosseletividade da reação. Em primeiro lugar, o tamanho volumoso do TMS ajudou a molécula a adotar, de preferência, uma conformação em que o TMS não está próximo do grupo metil no alceno. Em segundo lugar, o grupo TMS conferiu um efeito estereeletrônico na molécula ao adotar uma anticonformação para os orbitais de direção do alceno. Para a regiosseletividade da reação, o grupo TMS pode estabilizar a carga positiva parcial em desenvolvimento no carbono secundário muito melhor do que um grupo metil.
Reação aldólica
Na altamente versátil e amplamente usada Reação Aldol de Evans, a cepa alílica desempenhou um papel importante no desenvolvimento da reação. O enolato Z foi criado para evitar a cepa alílica com a oxazolidinona. A formação de um enolato específico reforça o desenvolvimento de estereoquímica relativa ao longo da reação, tornando a reação aldólica uma metodologia muito útil e preditiva para sintetizar moléculas quirais. A estereoquímica absoluta é então determinada pela quiralidade da oxazolidinona.
Há outro aspecto da reação aldólica que é influenciado pela cepa alílica. Na segunda reação de aldol, o produto que é 1,3 dicarbonil é formado em alta diastereosseletividade. Isso porque a acidez do próton é significativamente reduzida, pois para que ocorra a desprotonação, ele terá que passar por uma cepa alílica em desenvolvimento na conformação desfavorecida. Na conformação favorecida, o próton não está alinhado corretamente para que a desprotonação ocorra.
Reação de Diels-Alder
Em uma reação de Diels-Alder intramolecular, a indução assimétrica pode ser induzida através da cepa 1,3 alílico no dieno ou no dienófilo. No exemplo a seguir, o grupo metil no dienófilo forçou a molécula a adotar aquela conformação de anel de 6 membros específica na molécula.
Nos estudos de modelo para sintetizar clorotricolídeo, uma reação intramolecular de Diels Alder deu uma mistura de diastereômeros. Mas ao instalar um substituinte TMS volumoso, a reação deu o produto desejado em alta diastereosseletividade e regiosseletividade com bom rendimento. O substituinte TMS volumoso ajuda a aumentar a cepa 1,3 alílico na conformação da molécula.
Síntese total de produtos naturais
No artigo do seminário sobre a síntese total de (+) - monensina, Kishi e colaboradores utilizaram a cepa alílica para induzir indução assimétrica na reação de oxidação de hidroboração. A reação é regiosseletiva e estereosseletiva. A regiosseletividade da reação se deve ao caráter positivo significativo desenvolvido no carbono terciário. A estereosseletividade da reação deve-se ao ataque do borano pelo lado menos impedido para o qual se encontra o grupo metil.
Referências
links externos
- Notas de aula de química orgânica avançada (Evans, DA; Myers, AG Harvard University, 2006-2007)