Кіріспе

Кертин-Хаммет принципі – Дэвид Яроу Кертин және Луис Плэк Хаммет ұсынған химиялық кинетикадағы принцип. Ол, егер реакцияда бір-бірімен жылдам түрленетін реактивті аралық заттар немесе реактивтер жұбы болса (әсіресе конформациялық изомерлер үшін бұл жиі кездеседі), және әрқайсысы өздігінен бір өнімге айналса, онда өнімдердің арақатынасы екі конформер арасындағы энергия айырмашылығына және осы жылдам тепе-теңдікке қол жеткізетін изомерлердің әрқайсысының тиісті өнімдерге дейінгі энергия тосқауылына байланысты болады. Басқаша айтқанда, өнімдердің таралуы екі жылдамдық шектеуші өтпелі күйлер арасындағы энергия айырмашылығын көрсетеді. Осының салдарынан, өнімдердің таралуы екі аралық заттың тепе-теңдік таралуын міндетті түрде көрсетпейді. Кертин-Хаммет принципі әртүрлі стерео және региоселективті реакциялардағы таңдаулылықты түсіндіру үшін қолданылады. (Көрінетін) жылдамдық константалары мен тепе-теңдік константасы арасындағы байланыс Винштейн-Холнес теңдеуі деп аталады.

Анықтама

Curtin-Hammett принципі бір-бірімен тепе-теңдікте тұрған екі субстраттан әртүрлі өнімдер пайда болатын жүйелерге қолданылады. Шапшаң түрленетін реагенттер бір-бірімен кез келген байланыста болуы мүмкін (стереоизомерлер, конституциялық изомерлер, конформациялық изомерлер және т.б.). Өнімнің түзілуі қайтымсыз болуы керек, ал әртүрлі өнімдер бір-біріне айнала алмайды. Бұл қате түсінік, "активация энергиясының айырмашылығы" мен "өтпелі күй энергиясының айырмашылығы" арасындағы ерекшелікті түсінбеуден туындауы мүмкін. Бұл шамалар алғашқыда бір-бірімен мағынындай көрінсе де, соңғысы A және B-нің өзара түрленуіне қатысты тепе-теңдік тұрақтысын ескереді, ал біріншісі ескермейді. Математикалық тұрғыдан, өнім қатынасын K, k1 және k2 функциясы ретінде немесе тиісті энергиялар ΔG°, ΔG1‡ және ΔG2‡ арқылы көрсетуге болады. Терминдерді біріктіру арқылы өнім қатынасын тек ΔΔG‡ шамасы арқылы қайта жазуға болады, мұнда ΔΔG‡ = (ΔG2‡ – ΔG1‡) + ΔG°. Энергиялық диаграмманы қарастырғанда (жоғарыда көрсетілгендей), ΔΔG‡ өткел күйіндегі энергиялардың айырмашылығына тең екені анық көрінеді.

Кертин-Хаммет бақылауындағы реакциялардың кластары

Кёртин-Гаммет принципімен түсіндірілетін реакциялардың үш негізгі класы бар: ең тұрақты немесе аз тұрақты конформерлер тез реакцияға түсуі мүмкін, не олардың екеуі де бірдей жылдамдықпен реакцияға түсуі мүмкін.

I жағдай: Тұрақты конформер жылдам реакцияға түседі

Кертин-Гаммет бақылауындағы реакциялардың бір түріне, көбірек тұрақты конформер жылдамырақ реакция жасайтын түрленулер кіреді. Бұл, негізгі аралық заттан тиісті өнімге өту күйінің энергиясы, кіші аралық заттан басқа мүмкін өнімге өту күйінің энергиясынан төмен болғанда болады. Осылайша, негізгі өнім негізгі конформерден түзіледі, ал өнімдердің таралуы тепе-теңдік конформерлердің таралуын көрсетпейді.

Мысал: пиперидиннің тотығуы

Куртин-Гаммет сценарийінің мысалы, мұндағы тұрақтырақ конформациялық изомер тезірек реакцияға түседі, пиперидиндердің тотығу процесінде байқалады. N-метилпиперидин жағдайында, диастереомерлік конформерлер арасындағы азоттың инверсиясы аминнің тотығу жылдамдығынан әлдеқайда жоғары. Метил тобын экваторлық позицияға орналастыратын конформация, осьтік конформациядан 3.16 ккал/моль-ға тұрақтырақ. 95:5 арақатынасы, тұрақтырақ конформердің басты өнімге алып келетінін көрсетеді.

II жағдай: Тұрақсыз конформер жылдам реакцияға түседі

Кертин-Хаммет бақылауындағы реакциялардың екінші санатына, нашаррақ тұрақты конформер тезірек реакцияға түсетін жағдайлар кіреді. Осы жағдайда, реакцияға қабілетсіз түрге энергиялық басымдық болғанына қарамастан, негізгі өнім жоғары энергиялы түрден түзіледі. Маңызды салдары – реакция өнімі негізгі күйде байқауға мүмкін емес, жеткілікті төмен концентрациядағы конформерден пайда болуы мүмкін.

Мысал: тропан алкильдеуі

Тропандарды метил йодпен алкилдеу – басты өнімнің аз тұрақты конформациядан пайда болатын Куртин-Хаммет сценарийінің классикалық мысалы. Сондықтан, бастапқы күйдегі конформациялық таралу өнімнің таралуын көрсете бермейді.

III жағдай: екі конформер де бірдей жылдамдықпен әрекет етеді

Теориялық тұрғыдан алғанда, тепе-теңдіктегі екі түрлі конформер энергия жағынан бірдей болатын өтпелі күйлер арқылы реакцияласуы мүмкін. Мұндай жағдайда, өнімнің таңдамалылығы негізгі күйдегі конформерлердің таралуына ғана байланысты болады. Осыған сәйкес, екі конформер де бірдей жылдамдықпен реакцияласады.

Мысал: циклогексил йодты SN2 реакциясы

Эрнест Л. Элиел циклогексил йодиді радиобелгіленген йодпен болатын гипотетикалық реакция толық симметриялы өтпелі күйге алып келеді деп ұсынды. Экваторлық және осьтік түрдегі конформерлердің екеуі де бірдей өтпелі күй арқылы реакцияға түсетіндіктен, ΔΔG‡ нөлге тең болады. Curtin-Hammett принципіне сәйкес, өнімдердің таралуы 50% осьтік және 50% экваторлық түрде алмастырылуға тиіс. Дегенмен, өнімдердің тепе-теңдікке енуі бұл құбылысты байқауға мүмкіндік бермейді. A(1,3) кернеуін азайтатын конформер энергияның ең төменгі деңгейінде болады, нәтижесінде негізгі күйде 99:1 селективтілігі байқалады. Бірақ, өтпелі күйдегі энергиялар A(1,3) кернеуінің болуымен және келіп түсетін метил радикалымен байланысты стерикалық кедергімен анықталады. Бұл жағдайда бұл екі фактор бір-біріне қарсы келеді, ал өтпелі күйдегі энергиялардың айырмашылығы негізгі күйдегі энергиялардың айырмашылығымен салыстырғанда шағын. Соның салдарынан, реакцияда жалпы селективтілік төмен болады.

Стереоселективті және региональдік селекциялық реакцияларға қолдану

Кейбір стереоселективті реакциялардың таңдаулылық коэффициенттерін түсіндіру үшін Кёртин-Хаммет принципі қолданылады.

Динамикалық кинетикалық ажыратуды қолдану

Кертин-Гаммет принципі динамикалық кинетикалық ажыратуды қолданатын трансформациялардағы байқалған динамиканы түсіндіре алады, мысалы, Нойори асимметриялық сутектілігі және энантиоселективті литийлену. Кертин-Гаммет принципіне сәйкес, өнімдердің арақатынасы реакцияның қайтымсыз кезеңінің абсолютті энергетикалық тосқауылына байланысты және субстрат конформерлерінің тепе-теңдік үлестірілімін көрсете алмайды. Нойори асимметриялық сутектілігінің бір мысалының салыстырмалы еркін энергия профилі төменде көрсетілген:

Энантиолэктивті литиялау

Кертин-Гаммет шарттарында динамикалық кинетикалық ажырату энантиоселективті литиация реакцияларына да қолданылған. Төмендегі реакцияда өнімнің энантиоселективтілігі бастапқы материалдың хиралдығына тәуелсіз екендігі байқалды. (−) спартеинді қолдану энантиоселективтілік үшін өте маңызды, оның болмауында рацемиялық өнім түзіледі. Екі алкиллитий кешенінің тепе-теңдікте болуы реакция барысында энантиоселективтіліктің өзгермейтінімен дәлелденді. Егер екі реактивті кешен жылдам түрленбесе, энантиоселективтілік уақыт өте келе, жылдам реакцияға түсетін конформердің тозуына байланысты төмендеуі мүмкін.

Ацилирлеудің аймақты таңдау әдісіне қолдану

1,2-диолдың ацилирленуіндегі аймақтық таңдаулылықты түсіндіру үшін Кёртин-Хаммет принципі қолданылды. Әдетте, асимметриялық 1,2-диолдың кедергісі аз жағы, диол мен ацилдендіруші реагент арасындағы стерикалық кедергінің азайғандығына байланысты, тез этерификацияға түседі. Ең көп субститутталған гидроксил тобының таңдаулы этерификациясын жасау синтетикалық органикалық химияда, әсіресе көмірсулар және басқа полигидроксилденген қосылыстардың синтезінде пайдалы трансформация болып табылады. Бұл трансформацияны тиімді жүзеге асыру үшін станилен ацеталдары қолданылды. Асимметриялық диолды алдымен дибутилстаннилен ацеталын алу үшін қалайы реагентімен өңдейді. Бұл қосылысты ацил хлоридінің бір эквивалентімен өңдеу арқылы станил моноэстерін алады. Станнил эфирінің екі изомеріне қол жеткізуге болады және олар тетраэдрлік аралық арқылы жылдам өзара айналымға түсе алады. Бастапқыда, станил ацеталынан жылдамырақ пайда болғандықтан, тұрақсыз изомер басым болады. Алайда, екі изомердің тепе-теңдікке келуіне мүмкіндік беру, ерітіндіде тұрақты бастапқы алкоксистаннанның көп болуына әкеледі. Содан кейін реакция қайтымсыз тоқтатылады, кедергісі аз бастапқы алкоксистаннан жылдамырақ реакцияға түседі. Бұл көбірек субститутталған моноэстердің таңдаулы өндірісіне әкеледі. Бұл Кёртин-Хаммет сценарийі, онда тұрақты изомер де жылдамырақ реакцияға түседі.

Асимметриялық эпоксидтеу үшін қолдану

Асимметриялық алкендердің эпоксидтануы да Кёртин-Хаммет кинетикасының мысалы ретінде зерттелді. Титан перокси кешендерімен хиральды аллиль спирттерінің диастереоселективті эпоксидтануын есептеу кезінде, екі конформердің арасындағы ауысу күйі энергияларының есептелген айырмашылығы 1,43 ккал/моль құрады. Эксперименттік жағдайда, байқалған өнімдердің арақатынасы 91:9, төменгі энергиялық ауысу күйінен түзілген өнімге қатысты болды. Бұл өнімдер арақатынасы есептелген ауысу күйі энергияларының айырмашылығымен сәйкес келеді. Бұл, негізгі күйде қолайлы конформер, А(1,3) кернеуін азайта отырып, төменгі энергиялық ауысу күйі арқылы басым өнімді түзетін мысал.

AT2433-A1 синтезі

Curtin-Hammett принципі әртүрлі синтетикалық жолдардағы селективтілікті түсіндіру үшін пайдаланылған. Мысалы, ісікке қарсы антибиотик AT2433 A1 синтезі кезінде Манних типті циклизация өте жақсы аймақтық таңдаулылықпен жүзеге асады. Зерттеулер көрсеткендей, реакцияны жүргізуге қолданылатын еріткіште циклизация қадамы қайтымсыз болып келеді, бұл Curtin-Hammett кинетикасы өнімнің селективтілігін түсіндіре алады.

Капакаиндер B және F синтезі

Капакаиндер B және F синтезіндегі селективтілікті түсіндіру үшін Curtin-Hammett сценарийі қолданылды, бұл теңіз швабраларынан (спонждардан) бөлініп алынған екі циклдік пептид. Екі қосылыстың құрылымында бұрылған 16 мүшелі макроцикл бар. Синтездің маңызды қадамы – дұрыс макроциклді жасау үшін селективті амидтік байланыс түзетін реакция. Фил Баранның капакаиндер B және F-тің энантиоселективті синтезінде макроциклдің екі субстрат изомері арқылы қалыптасатыны болжалды. Оңай қол жетімді, төмен энергиялы изомер қажетсіз өнімге алып келді, ал тұрақсыз изомер қажетті өнімді құрады. Бірақ, амидтік байланыс түзетін кезең қайтымсыз болғандықтан және изомерленуге кедергі төмен болғандықтан, басты өнім жылдам реакцияға түсетін аралық заттан алынды. Бұл Curtin-Hammett сценарийінің мысалы, онда ерітіндіде басым болатын тұрақтанған аралық затқа қарағанда, тұрақсыз аралық зат әлдеқайда реактивті. Субстраттың изомерленуі жылдам болғандықтан, реакция барысында тұрақты форманың артық мөлшері тұрақсыз формаға айналуы мүмкін, содан кейін ол жылдам және қайтымсыз амидтік байланыс түзетін реакциядан өтіп, қажетті макроциклді құрайды. Бұл стратегия қажетті өнімді >10:1 селективтілікпен қамтамасыз етті. (Менің ойымша, схемада қате бар. Талқылау беттерін қараңыз.)

(+) -гризофулвин синтезі

(+) Гризеофулвиннің, күшті саңырауқұлаққа қарсы препараттың, алғашқы энантиоселективті синтезінде Кёртин-Хаммет жағдайы байқалды. Синтездің маңызды қадамы – родий катализделген оксоний йелидінің түзілуі, одан кейін тілеулі өнімге жету жолында [2,3] сигматроптық қайта орналасу жүзеге асырылады. Дегенмен, субстратта екі ортоалкокси тобы бар, олардың екеуі де оксоний йелидін құруға қатысуы мүмкін. Қалаған өнімге жоғары селективтілік алуға болатын, себебі йелид пайда болғаннан кейінгі қадамдағы белсендіру энергиясының айырмашылығы бар. Егер ортометокси тобы оксоний йелидін түзілсе, 1,4 метил орын ауысымы қажетсіз өнімді құрауы мүмкін. Басқа ортоалкокси тобынан түзілген оксоний йелиді тілеулі қосылысты алу үшін [2,3] сигматроптық қайта орналасуға бейімделген. Пиррунг және оның әріптестері 1,4 метил орын ауысымынан түзілген өнімге қарағанда тілеулі өнімге толық селективтілік туралы хабарлады. Бұл нәтиже оксоний йелидінің түзілуі қайтымды екенін, бірақ одан кейінгі қадамның қайтымсыз екенін көрсетеді. Симметрияға сәйкес келетін [2,3] сигматроптық қайта орналасу 1,4 метил орын ауысымына қарағанда төмен белсендіру энергиясы бар жолмен жүруі керек, бұл тілеулі өнімнің эксклюзивті түзілуін түсіндіреді.

(+) -аллоциатин В2 синтезі

Трос тобының (+) аллоциатин B2 энантиоселективті толық синтезі барысында да Кёртин-Хаммет сценарийі мүмкіндігі кездесті. Синтездің шешуші қадамы Ru-мен катализделген диастереоселективті циклоизомеризация болды. Реакция екі мүмкін екі байланыс изомерінің түзілуіне әкелуі мүмкін. Реакция қажетті изомерге жақсы селективтілікті қамтамасыз етті, нәтижелер Кёртин-Хаммет сценарийімен сәйкес келеді. Бастапқы тотықтырғыш циклорутендеу және бета-гидридті жою винил рутений гидридін жасайды. Гидридтің енуі алкеннің оңай изомерленуіне мүмкіндік береді. Реакция нәтижесі аралық заттардың тұрақтылығын шағылыстырмайды, себебі үлкен CpRu тобы жақын орналасқан изопропил тобымен қолайсыз стерикалық өзара әрекеттесуге түседі. Оның орнына, Кёртин-Хаммет жағдайы қолданылады, онда тепе-теңдікте басымдыққа ие изомер негізгі өнімге әкелмейді. Редуктивті жою көбірек реактивті, тұрақсыз аралық заттан жоғарылайды, өйткені ауысу күйінде кернеуді азайту максималды болады. Бұл қажетті екі байланыс изомерін тудырады.