Кіріспе

Химиялық реакция аралықтары. Тетраэдрлік аралық – бастапқыда қос байланыстағы көміртек атомының айналасындағы байланыс орналасуы үшбұрыштыдан тетраэдрлікке өзгерген реакция аралықтары. Тетраэдрлік аралықтар карбонил тобына нуклеофилдік қосылу нәтижесінде пайда болады. Тетраэдрлік аралықтың тұрақтылығы жаңа тетраэдрлік көміртек атомына бекітілген топтардың теріс зарядты қабылдау қабілетіне байланысты. Тетраэдрлік аралықтар органикалық синтезде және биологиялық жүйелерде этерификация, трансэтерификация, эфирлердің гидролизі, амидтер мен пептидтердің түзілуі мен гидролизі, гидридтерді тотықсыздандыру және басқа да химиялық реакцияларда маңызды аралық заттар болып табылады.

Тарих

Тетраэдрлік аралық элементтің ең алғашқы сипаттамаларының бірі 1887 жылы Райнер Людвиг Клейзенге тиесілі. Бензил бензоат пен натрий метоксиді, сондай-ақ метил бензоат пен натрий бензоксидінің реакциясында ол қышқыл ортада бензил бензоат, метил бензоат, метанол және бензил спиртіне айналатын ақ тұнбаны байқады. Ол бұл ортақ аралық затқа italic=no. деп атады. Виктор Гриньяр 1901 жылы органомагний реагенттерімен эфирлердің реакциясын зерттеген кезде тұрақсыз тетраэдрлік аралық элементтің бар екенін болжады. Карбоксилдік туындылардың орынбасу реакцияларында тетраэдрлік аралық элементтердің алғашқы дәлелдерін 1951 жылы Майрон Л. Бендер келтірді. Ол карбоксил қышқылының туындыларын оттегі изотопы O18-мен белгілеп, осы туындыларды сумен реакцияға түсіріп, белгіленген карбоксил қышқылдарын жасады. Реакцияның соңында ол қалған бастапқы материалда белгіленген оттегінің үлесінің азайғанын анықтады, бұл тетраэдрлік аралық элементтің болуымен сәйкес келеді.

Реакция механизмі

Карбонил тобына нуклеофильдік шабуыл Бюрги-Дюниц траекториясы бойынша жүреді. Нуклеофильдік шабуылдың бағыты мен C=O байланысы арасындағы бұрыш, нуклеофилдің ЖОО (Жоғары оккупацияланған молекулалық орбиталь) мен C=O қос байланысының π* ТОО (Төмен оккупацияланған молекулалық орбиталь) арасындағы жақсы орбитальдық қабаттасуға байланысты 90°-тан асады.

Жалпы сипаттамалары

Тетраэдрлік аралық заттар көбінесе өткіш аралық заттар болғанымен, осы жалпы құрылымға ие көптеген қосылыстар белгілі. Альдегидтер, кетондар және олардың туындыларының реакцияларында көбінесе тетраэдрлік аралық зат байқалады, ал карбон қышқылының туындыларының реакцияларында мұндай жағдай болмайды. Карбон қышқылының туындыларының тотығу деңгейінде OR, OAr, NR2 немесе Cl сияқты топтар карбонил тобымен конъюгацияланады, яғни карбонил тобына қосылу, тиісінше альдегидке немесе кетонға қосылуға қарағанда термодинамикалық тұрғыдан аз ыңғайлы. Карбон қышқылының туындыларының тұрақты тетраэдрлік аралықтары бар және олар әдетте келесі төрт құрылымдық ерекшеліктердің кем дегенде біреуіне ие: полициклді құрылымдар (мысалы, тетродотоксин), ацилді көміртекке бекітілген күшті электронды тартып алушы топтары бар (мысалы, N,N-диметилтрифторацетамид) қосылыстар, потенциалды карбонил тобымен нашар конъюгацияланған донорлық топтары бар (мысалы, циклол) қосылыстар, күкірт атомдары аномерлік орталыққа байланысқан (мысалы, ). Бұл қосылыстар тетраэдрлік аралықтың тиісті карбонил түрлеріне ыдырауының кинетикасын зерттеу және тетраэдрлік аддукттың ИК, УФ және ЯМР спектрлерін өлшеу үшін қолданылды.

Рентген сәулелері арқылы кристалл құрылымын анықтау

Тетраэдрлік аралық заттардың алғашқы рентгендік кристалдық құрылымдары 1973 жылы сиыр трипсинін сиыр ұйқы безі трипсин тоқтаушысымен кристалдастыру арқылы, ал 1974 жылы шошқа трипсинін соя трипсин тоқтаушысымен кристалдастыру арқылы алынды. Екі жағдайда да тетраэдрлік аралық ферменттердің белсенді орындарында тұрақтандырылады, олар пептидтердің гидролизінің өтпелі күйін тұрақтандыру үшін эволюциялады. Тетраэдрлік аралықтың құрылымы туралы кейбір түсініктерді 1967 жылы кристалдасқан N-брозилмитомицин А-ның кристалдық құрылымынан алуға болады. Тетраэдрлі көміртегі C17, O3-пен 136,54 пм ұзындығындағы байланысты құрайды, бұл C8-O3 байланысынан (142,31 пм) қысқа. Керісінше, C17-N2 байланысы (149,06 пм) O3 жалғыз жұптың C17-N2 σ* орбиталына доноры болуына байланысты N1-C1 байланысынан (148,75 пм) және N1-C11 байланысынан (147,85 пм) ұзын. Алайда, бұл модель тетрациклді қаңқаға күштеп енгізіледі және тетраэдрлі O3 метилденген, бұл оны жалпы алғанда нашар модель етеді. 1-аза-3,5,7-триметиладаммантан-2-онның жақындағы рентгендік кристалдық құрылымы катиондық тетраэдрлік аралық үшін жақсы модель болып табылады. C1-N1 байланысы өте ұзын [155,2(4) пм], ал C1-O1(2) байланыстары қысқарған [138,2(4) пм]. Протонды азот атомы N1 – үлкен амин тоқтату тобы. 2002 жылы Дэвид Эванс және авторлар N-ацилпирролдардың органометалл қосылыстарымен реакциясында өте тұрақты бейтарап тетраэдрлік аралықты байқады, одан кейін аммоний хлоридімен протондау карбинолдың түзілуіне әкелді. C1-N1 байланысы [147,84(14) пм] әдеттегі Csp3-Npyrrole байланысынан ұзын, ол 141,2-145,8 пм аралығында. Керісінше, C1-O1 байланысы [141,15(13) пм] шамамен 143,2 пм орташа Csp3-OH байланысынан қысқа. Ұзартылған C1-N1 және қысқартылған C1-O1 байланыстары оттегінің жалғыз жұптарының σ*C-N орбиталымен өзара әрекеттесуінен туындайтын аномерлік эффектімен түсіндіріледі. Сол сияқты, оттегінің жалғыз жұбының σ*C-C орбиталымен өзара әрекеттесуі C1-C2 байланысының ұзартылуына [152,75(15) пм] жауап беруі керек, бұл 151,3 пм орташа Csp2-Csp2 байланыстарына қарағанда. Сондай-ақ, C1-C11 байланысы [152,16(17) пм] шамамен 153,0 пм орташа Csp3-Csp3 байланысынан сәл қысқа.

Ацетальдар мен гемиацетальдар

Гемиацетальдар мен ацетальдар негізінен тетраэдрлік аралық заттар болып табылады. Олар нуклеофилдер карбонил тобына қосылғанда түзіледі, бірақ тетраэдрлік аралық заттардан өзгеше, олар өте тұрақты болуы мүмкін және синтетикалық химияда қорғаныш топтары ретінде қолданылады. Ацетальдегид метанолда ерігенде гемиацеталь түзеді. Көптеген гемиацетальдар өздерінің бастапқы альдегидтері мен спирттеріне қатысты тұрақсыз. Мысалы, ацетальдегидтің қарапайым спирттермен реакциясы үшін тепе-теңдік константасы шамамен 0,5-ке тең, мұнда тепе-теңдік константасы K = [гемиацеталь]/[альдегид][спирт] деп анықталады. Кетонның гемиацетальдары (кейде гемикетальдар деп аталады) альдегидтерге қарағанда одан да тұрақсыз. Дегенмен, циклдік гемиацетальдар және электронды тартып алу тобы бар гемиацетальдар тұрақты болады. Карбонил тобына қосылған электронды тартып алу тобы тепе-теңдік константасын гемиацеталь бағытына қарай ығыстырады. Олар карбонил тобының поляризациясын арттырады, ол бұрыннан-ақ оң поляризацияланған карбонил көміртегін қамтиды және оны нуклеофилдің шабуылына одан да осал етеді. Төмендегі кестеде кейбір карбонил қосылыстарының гидратация дәрежесі көрсетілген. Гексафторацетон – мүмкін болатын ең гидратацияланған карбонил қосылысы. Формальдегид сумен оңай реакцияға түседі, себебі оның алмастырғыштары өте кішкентай – бұл таза стерильді эффект. Циклопропанондар (үш мүшелі циклді кетондар) да айтарлықтай гидратталады. Себебі үш мүшелі циклдер өте керілген (байланыс бұрыштары 60°-қа мәжбүрленеді), сондықтан sp3 гибридтелуі sp2 гибридтелуінен артық. sp3 гибридтелген гидрат үшін байланыстар шамамен 49°-қа бұрмалануы керек, ал sp2 гибридтелген кетон үшін байланыс бұрышының бұрмалануы шамамен 60°-қа жетеді. Карбонил тобына қосылу кішкентай циклге тән кернеудің бір бөлігін босатуға мүмкіндік береді, сондықтан циклопропанон мен циклобутанон өте реактивті электрофилдер болып табылады. Үлкен циклдер үшін, байланыс бұрыштары бұрмаланбаған жағдайда, гемиацетальдардың тұрақтылығы энтропияға және нуклеофилдің карбонил тобына жақын орналасуына байланысты. Ациклді ацетальдың түзілуі энтропияның төмендеуіне әкеледі, өйткені әрбір түзілген молекула үшін екі молекула жұмсалады. Керісінше, циклдік гемиацетальдардың түзілуі бір молекуланың өзімен әрекеттесуін қамтиды, бұл реакцияны қолайлырақ етеді. Циклдік гемиацетальдардың тұрақтылығын түсінудің тағы бір жолы – тепе-теңдік константасын алға және кері реакция жылдамдықтарының қатынасы ретінде қарастыру. Циклдік гемиацеталь үшін реакция молекулаішілік болып табылады, сондықтан нуклеофил әрқашан шабуылға дайын карбонил тобына жақын ұсталады, сондықтан реакцияның алға жылдамдығы кері жылдамдықтан әлдеқайда жоғары. Глюкоза сияқты көптеген биологиялық маңызды қанттар циклдік гемиацетальдар болып табылады. Қышқылдың қатысуымен гемиацетальдар жою реакциясына түсіп, бір кезде альдегидтің карбонил тобына тиесілі оттек атомын жоғалтады. Бұл оксоний иондары күшті электрофилдер болып табылады және екінші спирт молекуласымен жылдам реакцияға түсіп, ацетальдар деп аталатын жаңа, тұрақты қосылыстарды құрайды. Ацетальдың гемиацеталдан түзілуінің толық механизмі төменде көрсетілген. Ацетальдар, жоғарыда айтылғандай, тұрақты тетраэдрлік аралық заттар, сондықтан оларды органикалық синтезде қорғаныш топтары ретінде пайдалануға болады. Ацетальдар негіздік жағдайларда тұрақты, сондықтан оларды кетондарды негізден қорғау үшін қолдануға болады. Ацеталь тобы қышқылдық жағдайларда гидролизденеді. Диоксалан қорғаныш тобының мысалы төменде берілген.

Вейнреб амидтері

Вайнреб амидтері – N метокси N метилкарбоксил қышқылының амидтері. Вайнреб амидтері органометалл қосылыстарымен реакцияға түсіп, протондалу кезінде кетонды береді (Вайнреб кетонының синтезіне қараңыз). Кетонның жоғары шығымы келаттандырылған бес мүшелі сақина аралық қосылысының жоғары тұрақтылығымен байланысты деп қабылданған. Кванттық механикалық есептеулер тетраэдрлік аддуктың оңай қалыптасатынын және тәжірибелік нәтижелермен сәйкес, ол жеткілікті тұрақты екенін көрсетті. Вайнреб амидтерінің органолитий және Гриньяр реагенттерімен өте оңай реакцияға түсуі тетраэдрлік аддуктағы хелат тұрақтандырудан және, одан да маңыздысы, аддукқа әкелетін ауысу күйінен туындайды. Тетраэдрлік аддуктар төменде көрсетілген.

Дәрілік заттарды жобалау

Белсенді ақуызға байланысатын сольватталған лиганд бірнеше конформерлердің тепе-теңдік қоспасы түрінде болуы мүмкін. Сол сияқты, сольватталған ақуыз да тепе-теңдікте бірнеше конформер ретінде бар. Ақуыз-лиганд кешенінің қалыптасуы лигандтың байланысу орнын иеленген еріткіш молекулаларын ығыстыруды қамтиды, нәтижесінде сольватталған кешен пайда болады. Бұл өзара әрекеттесудің энтропиялық тұрғыдан қолайсыз екенін білдіреді, сондықтан ақуыз бен лиганд арасындағы жоғары қолайлы энтальпиялық байланыстар энтропиялық шығынды өтеуі тиіс. Жаңа лигандтарды жобалау әдетте нысаналы ақуыздар үшін белгілі лигандтарды модификациялауға негізделеді. Протеаздар – пептидтік байланыстың гидролизін катализдейтін ферменттер. Бұл ақуыздар пептидтік гидролиз реакциясының өткізілген күйін, яғни тетраэдрлік аралықты таниды және байланыстырады. Сондықтан, негізгі протеаза ингибиторлары – алкоголь немесе фосфат тобын қамтитын тетраэдрлік аралықтың имитациялары болып табылады. Мысалдар: саквинавир, ритонавир, пепстатин және т.б.

Ферменттік белсенділігі

Ферменттің белсенді ортасындағы тетраэдрлік аралық заттардың тұрақтандырылуы тетраэдрлік аралық заттардың имитациясы арқылы зерттелді. Көзқарас күйін тұрақтандыруға қатысатын нақты байланыс күштері кристаллографиялық түрде сипатталған. Сүтқоректілердің серин протеазалары – трипсин мен химотрипсинде полипептидтік тізбектің екі пептидтік NH тобы тетраэдрлік аралықтың теріс зарядталған оттегі атомына сутектік байланыс арқылы беріліп, оксианиондық тесікті құрайды. Бұл өзара әрекеттесуді көрсететін қарапайым схема төменде келтірілген.