Кіріспе

Органикалық химиядағы ұғым. Органикалық химияда гиперконъюгация (σ конъюгация немесе байланыссыз резонанс) – электрондардың негізінен σ сипаты бар байланыстардың қатысуымен кеңеюіне қатысты. Әдетте, гиперконъюгация сигма (σ) орбиталындағы (мысалы, C–H немесе C–C) электрондардың жанындағы бос емес, байланыспаған p немесе антибайланысқа қарсы σ* немесе π* орбиталдарымен өзара әрекеттесуін қамтиды, бұл кеңейтілген молекулалық орбиталдар жұбын құрайды. Алайда, кейде төменгі деңгейдегі антибайланыс σ* орбиталдары жалғыз электрон жұбы сипатындағы (n) толтырылған орбиталдармен өзара әрекеттесе алады, бұл теріс гиперконъюгация деп аталады. Гиперконъюгациямен байланысты электрондардың кеңеюі жүйенің тұрақтылығын арттырады. Атап айтқанда, байланыс сипаты бар жаңа орбиталь тұрақтанады, нәтижесінде молекуланың жалпы тұрақтандырылуына әкеледі. Тек β-позициядағы байланыстардағы электрондар ғана сигма байланысы арқылы тікелей байланысқан басқа атомның орбиталына донорлық әсер ете алады. Дегенмен, гиперконъюгацияның кеңейтілген түрлері (мысалы, екі есе гиперконъюгация) да маңызды болуы мүмкін. Бейкер–Натан эффектісі, кейде гиперконъюгацияның синонимі ретінде қолданылады.

Қолданбалар

Гиперконъюгация химиялық құбылыстардың әртүрлілігін түсіндіруге қолданылуы мүмкін, оның ішінде аномерлік эффект, гауш эффектісі, этанның айналу кедергісі, бета кремний эффектісі, экзоциклдік карбонил топтарының тербеліс жиілігі, сондай-ақ алмастырылған карбокациялар мен алмастырылған көміртектік радикалдардың салыстырмалы тұрақтылығы және алкендердің тұрақтылығына қатысты термодинамикалық Зайцев ережесі. Көбірек дау тудыратыны, кванттық механикалық модельдеу гиперконъюгацияның стерикалық кедергі туралы дәстүрлі оқулық түсінігіне қарағанда, эшелонды конформацияға бейімділікті жақсырақ түсіндіретінін көрсетеді.

Қанықпаған қосылыстардағы гиперконъюгация

Гиперконъюгация көміртекті қос байланыстардың тұрақтылығының артуына себеп ретінде ұсынылды. Гиперконъюгация бойынша алғашқы зерттеулер Джордж Кистиаковскийдің зерттеу тобында жүргізілді. Олардың 1937 жылы алғаш рет жарияланған жұмысы әртүрлі қанықпаған және циклдік қосылыстардың қосылу реакциялары кезінде энергияның өзгеруін термохимиялық зерттеулердің алдын ала барысы туралы есеп ретінде қарастырылды. Гиперконъюгацияның осы әсерді есепке алудағы маңыздылығы кванттық химиялық есептеулерден қолдау тапты. Негізгі өзара әрекеттесу көршілес C–H σ байланысынан электрондық тығыздықты алкеннің π* антибайланыс орбиталына (σC–H→π*) беру деп есептеледі. Бұл әсер карбокациялардағы алкил алмастыру жағдайынан (σC–H→pC) шамамен бір рет әлсіз, өйткені толтырылмаған p орбиталының энергиясы төмен, сондықтан σ байланысына энергетикалық жағынан жақсы сәйкес келеді. Термодинамикалық реттелетін E1 реакциясында бұл әсер көбірек алмастырылған өнімнің пайда болуында көрінген кезде, ол Зайцев ережесі деп аталады, бірақ көптеген жағдайларда кинетикалық өнім де осы ережеге сәйкес келеді. (Кинетикалық көбейтінді ең аз алмастырылған жағдайда Хофманның ережесін қараңыз.) Кистиаковскийдің бір эксперименттері бір алкен бірлігін құрайтын қоспалардың газдық фазалық реакциялары кезінде гидрогенациялау деректерінің жиналған жылуларын қамтиды. Моноалкил алмастырылған алкендер қатарын салыстырған кезде олар кез келген алкил тобы тұрақтылықты айтарлықтай арттыратынын, бірақ әртүрлі спецификалық алкил топтарын таңдаудың әсері аз екенін анықтады. Кистиаковскийдің жұмысының бір бөлігі CH2=CH(CH2)n CH=CH2 (n=0,1,2) түріндегі басқа қанықпаған қосылыстарды салыстыруды қамтиды. Бұл тәжірибелер маңызды нәтиже көрсетті; n = 0 болғанда ΔH мәні 3,5 ккал төмендеуі мүмкін молекулаға конъюгация әсері бар. Бұл екі алкил тобын этиленге қосуға теңеледі. Кистиаковский сонымен қатар ашық тізбекті жүйелерді зерттеді, онда 1,4 позициясындағы молекулаға қосу кезінде ең көп жылу шығарылатыны анықталды. Циклдік молекулалар ең қиын болып шықты, өйткені молекуланың шиеленісін ескеру керек екені анықталды. Бес мүшелі сақиналардың қысымы қанықпау дәрежесінің төмендеуімен көбейді. Бұл таңғаларлық нәтиже, оны циклді қышқыл ангидридтері мен лактондармен кейінгі жұмыстарда зерттеу жалғастырылды. Бензол және оның туындылары сияқты циклдік молекулалар да зерттелді, өйткені олардың мінез-құлқы басқа қанықпаған қосылыстардан ерекшеленеді. Хоук басқаратын басқа топ Роджерс пен Кистиаковский қолданған әдістерді орынсыз деп тапты, өйткені гидрогенациялау жылуларын салыстыру тек конъюгациялық әсерлерді ғана емес, сонымен қатар басқа да құрылымдық және электрондық айырмашылықтарды бағалайды. Олар ab initio есептеу арқылы Роджерстің деректерін растады, бірінші және екінші гидрогенациялау үшін 70,6 ккал/моль және 70,4 ккал/моль алды. Алайда олар гиперконъюгациялық тұрақтандыруды ескере отырып, деректерді басқаша түсіндірді. Гиперконъюгация әсерін өлшеу үшін олар 1 бутин мен 1 бутендегі келесі изодемиялық реакцияларды жобалады. Гиперконъюгациялық өзара әрекеттесулерді алып тастау 1 бутин мен 1 бутенге қарағанда 4,9 және 2,4 ккал/моль энергиясы бар виртуалды күйлерді береді. Бұл виртуалды күйлерді қолдану 1,3 бутадиен үшін 9,6 ккал/моль конъюгациялық тұрақтандыруға және 1,3 бутадиен үшін 8,5 ккал/мольға әкеледі.

Гиперконъюгацияның дамуы

Фернандес пен Френкингтің салыстырмалы түрде жақында жасалған жұмысы (2006) энергияның ыдырау талдауын немесе ЭДА-ны қолдана отырып, ациклді молекулалардың әртүрлі топтары арасындағы гиперконъюгация тенденцияларын жинақтады. Фернандес пен Френкинг осы талдау түрін "молекула геометриясындағы өзара әрекеттесетін фрагменттердің тек пи орбиталдарын қолдана отырып, пи өзара әрекеттесуін бағалау әдісі" деп анықтайды. ΔEpi мәндері ең мұқият талданған топ – алмастырғыштары әртүрлі энондар тобы болды. Фернандес пен Френкинг метил, гидроксил және аминоалмастырғыштардың 2-пропеналға қарағанда ΔEpi-ні төмендеткенін хабарлады. Керісінше, атомдық массасы жоғарылаған галоген алмастырғыштар ΔEpi-нің артуына алып келді. Энондарды зерттеу және Хаммет талдауы екеуі де алмастырғыштардың әсерін зерттегендіктен (әлдебір түрлі жағдайларда болса да), Фернандес пен Френкинг осы екі зерттеуді салыстыру арқылы олардың өз нәтижелеріне маңызды түсініктер алуға болады деп ойлады. Олар алмастырылған энондардың ΔEpi мәндері мен сәйкес Хаммет тұрақтылары арасындағы сызықтық байланысты байқады. Графиктің еңістігі 51,67-ге тең болды, корреляциялық коэффициенті 0,97 және стандарттық қатесі 0,54 болды.

Этаннан жасалған айналыс кедергісі

Гиперконъюгацияны мүмкін химиялық түсіндірме ретінде назардан тыс қалдыруға болатын жағдай – этанның (C2H6) айналу кедергісін түсіндіру. 1930 жылдардың өзінде этанның эшеленген конформациясы тұйық конформациядан тұрақтырақ екені қабылданған. Уилсон кез келген тұйықталған және эшеленген конформациялар арасындағы энергия кедергісі шамамен 3 ккал/моль екенін дәлелдеді, ал мұның жалпы қабылданған себебі – сутегі атомдары арасындағы қолайсыз стерикалық өзара әрекеттесулер болатын. Алайда, 2001 жылғы мақаласында Пофристик және Гудман үш негізгі физикалық факторға назар аударды: гиперконъюгациялық өзара әрекеттесулер, Паули қағидасымен анықталған алмасу тебуі және электростатикалық өзара әрекеттесулер (Кулондық өзара әрекеттесулер). Дәстүрлі этан молекуласын және барлық алмасу тебуінен айырылған гипотетикалық этан молекуласын салыстыру арқылы, әрбір молекула үшін бұрылу бұрышына қарсы энергияны көрсететін потенциалдық қисықтар құрылды. Қисықтарды талдау эшеленген конформацияның молекуладағы электростатикалық тебу мөлшерімен байланысы жоқ екенін көрсетті. Бұл нәтижелер Кулондық күштердің орталық байланыстың созылуы электростатикалық өзара әрекеттесуді азайтады деген фактіге қарамастан, эшеленген конформацияларды түсіндірмейтінін көрсетеді. Валентті байланыс теориясының зерттеуі де стерикалық әсерлердің маңыздылығын атап көрсетеді.