Кіріспе

Молекулалық функционалдық топтың полярлығын өзгертуге бағытталған химиялық процесс. Органикалық химияда полярлық инверсия немесе umpolung – бұл функционалдық топтың полярлығын кері қайтару мақсатымен жүзеге асырылатын химиялық өзгеріс. Бұл өзгеріс, әдетте мүмкін болмайтын, осы функционалдық топтың қосымша реакцияларын жүргізуге мүмкіндік береді. Бұл ұғымды Д. Зеебах (содан бері неміс тілінде umpolung – кері полярлық деген мағынаны білдіреді) және Э. Дж. Кори енгізді. Ретросинтездік талдау кезіндегі полярлық талдау химикке мақсатты молекуланы синтездеу үшін umpolung тактикасының қажеттілігін көрсетеді.

Кіріспе

Маңызды органикалық молекулалардың басым көпшілігі электронегативтілігі арқасында көміртек қаңқаларын поляризациялайтын гетероатомдарды қамтиды. Сондықтан, стандартты органикалық реакцияларда жаңа байланыстардың көп бөлігі қарама-қарсы полярлы атомдар арасында түзіледі. Бұл реакцияның "қалыпты" режимі деп есептелуі мүмкін. Молекулалардың осы табиғи поляризациясының бір салдары – 1,3 және 1,5 гетероатомдармен алмастырылған көміртек қаңқаларын синтездеу өте оңай (Альдол реакциясы, Клейзен конденсациясы, Майкл реакциясы, Клейзен қайта орналасуы, Дильс-Альдер реакциясы), ал 1,2, 1,4 және 1,6 гетероатомдармен алмастыру схемаларына "қалыпты" реактивтілік арқылы қол жеткізу қиын. Сондықтан органикалық реакцияларда умпольнг индукциялау әдістерін түсіну және дамыту маңызды.

Мысалдар

1,2, 1,4 және 1,6 гетероатомдық алмастыру үлгілерін алудың ең оңай жолы – осы үлгілермен бастау. Биохимиялық және өнеркәсіптік процестер әдетте қол жеткізуге қиын алмастыру үлгілеріне ие химиялық заттардың арзан көздерін ұсынуы мүмкін. Мысалы, аминқышқылы, оксаль қышқылы, сукцинат қышқылы, адипин қышқылы, тартар қышқылы және глюкоза көп мөлшерде кездеседі және стандартты емес алмастыру үлгілерін қамтамасыз етеді.

Цианидті типтегі омыртқа

Қалыпты полюстік өзгертуші (umpolung) реагенті цианид ионы болып табылады. Цианид ионының ерекшелігі – азотқа үш байланысы бар көміртек атомында азоттың жоғары электронегативтілігіне байланысты (+) полюстік болуы күтіледі. Дегенмен, цианид ионының теріс заряды көміртек атомында орналасқан, оған (–) формальды заряд береді. Бұл химиялық екіұштылық цианид қатысатын көптеген реакцияларда полюстік өзгертуге (umpolung) алып келеді. Мысалы, цианид – полюстік инверсияның классикалық мысалы саналатын бензоин конденсациясының маңызды катализаторы. Бензоин реакциясының жалқы нәтижесі – әдетте электрофил болатын екі көміртек атомы арасында байланыс пайда болуы.

N-гетероциклді карбендер

N гетероциклді карбендер реактивтілігі жағынан цианидке ұқсас. Цианид сияқты, олардың да ерекше химиялық амбиваленттілігі бар, бұл оларға қатысатын реакцияларда umpolung-ты іске қосуға мүмкіндік береді. Карбеннің алты электроны бар – көміртек-азот бірлік байланыстарында екеу, оның sp2 гибридтелген орбиталында екеу және бос p орбиталында. Sp2 жалғыз электрон жұбы электрон доноры ретінде әрекет етеді, ал бос p орбиталы электрон қабылдағышы ретінде әрекет етуге қабілетті. Бұл мысалда α,β қанықпаған эфирдің β көміртегі формальды түрде нуклеофил ретінде әрекет етеді, ал әдетте ол Майкл акцепторы болады деп күтіледі. Бұл карбен α,β қанықпаған эфир 1-мен β-позицияда реакцияға түсіп, аралық энолат 2 құрайды. Таутомеризация арқылы 2b терминалды бром атомын 3-ке ығыстыра алады. Элиминациялық реакция карбенді қайта жаңартады және өнімді 4 босатады. Салыстыру үшін: Бейлис-Хиллман реакциясында дәл сол электрофильді β көміртегіне реагент шабуыл жасайды, бірақ нәтижесінде энонның α позициясы нуклеофил ретінде белсендіріледі.

Тиамин пирофосфаты

Биологиялық процестер цианид сияқты кері полярлық реакцияны (umpolung) токсикалық цианид ионына тәуелсіз түрде қолдана алады. Тиамин (өзі N гетероциклді карбен) пирофосфаты (TPP) функционалдық тұрғыдан ұқсас рөл атқарады. ТПП-дағы тиазолий сақинасы ферменттің гидрофобтық ядросында депротондалады, нәтижесінде кері полярлыққа (umpolung) қабілетті карбен пайда болады. ТПП кофактор ретінде қолданатын ферменттер пируваттың декарбоксилдеуі сияқты кері полярлық реакцияны катализдей алады. ТПП болмаған жағдайда пируваттың декарбоксилдеуі карбонил көміртек атомына теріс заряд түсіреді, бұл көміртегі-оттегі екі байланысының қалыпты поляризациясына қарсы келеді.

3 мүшелі сақиналар

Үш мүшелі сақиналар органикалық химияда керілген топтар болып табылады. Егер үш мүшелі сақинада гетероатом болса, мысалы, эпоксидте немесе бром аралық қосылыста, сақинадағы үш атом поляризацияланады. Үш мүшелі сақинаға жанындағы екі атомы бірдей полярлыққа ие болмайынша (+) және (-) полярлықтарын тағайындау мүмкін емес. Сондықтан, поляризацияланған үш мүшелі сақина нуклеофилмен ашылғанда, umpolung сөзсіз пайда болады. Мысалы, этилен оксиді гидроксидпен ашылғанда этиленгликоль түзіледі.

Карбонилмен оқшаулау / аниондық реле химиясы

Дитиан химиясы – полярлық инверсияның классикалық мысалы. Бұл Кори-Зебах реакциясында байқалады. Әдетте карбонил тобындағы оттек атомы көміртек атомынан көбірек электронегативті болып келеді, сондықтан карбонил тобы көміртекте электрофил ретінде реакцияға түседі. Карбонил тобы дитианға немесе тиоацетальға айналғанда бұл полярлық кері айналуы мүмкін. Синтон терминологиясында, әдеттегі карбонил тобы – ацил катионы, ал дитиан – маскаланған ацил анионы. Дитиан альдегидтен, мысалы, ацетальдегидтен алынғанда, ацил протоны төмен температурада THF-та n-бутиллитиймен бөліне алады. Осылайша түзілген 2-литий-1,3-дитиан алкил галогенидтерімен, мысалы, бензил бромидімен, циклогексанон сияқты басқа карбонил қосылыстарымен немесе фенил эпоксиэтан сияқты оксирандармен нуклеофилдік орынбасу реакциясына нуклеофил ретінде қатысады. Дитиан тобының гидролизінен кейін соңғы реакция өнімдері α-алкилкетондар немесе α-гидроксикетондар болады. Дитиан гидролизі үшін қолданылатын кең таралған реагент – (бис(трифторацетокси)иодо)бензол. Дитиан химиясы көптеген жаңа химиялық түрлендірулерге мүмкіндік береді. Бір мысалы – аниондық релелік химия, онда бір органикалық реакцияның нәтижесінде пайда болған аниондық функционалдық топтың теріс заряды бір карбон тізбегінің басқа бөлігіне ауысып, екінші реакцияға қолжетімді болады. Көпкомпонентті реакцияның осы мысалында формальдегид (1) және изопропиальдегид (8) 1,3-пропандитиолмен дитиандарға – 3 және 9 түрленеді. 3-сульфиді алдымен трет-бутиллитиймен, содан кейін триметилсилилхлоридпен (4) реакцияластырылып силилденеді, содан кейін екінші ацил протоны алынып, хлорды оптикалық белсенді (-) эпихлоргидринмен (6) алмастырады. Бұл қосылыс екінші дитиан – 9-мен оксиран сақинасын ашу өнімі – 10-ға реакция жасау үшін субстрат ретінде қолданылады. Полярлық HMPA негізінің әсерінен 10, 1,4-Брук қайта құрылымдалу арқылы силил эфиріне (11) айналады, бұл формальдегид дитиан тобын анион ретінде қайта белсендіреді (сонымен, аниондық релелік концепция). Бұл дитиан тобы оксиранмен (12) спиртке (13) реакцияласады, ал соңғы қадамда сульфидтік топтар (бис(трифторацетокси)иодо)бензолмен алынады. Аниондық релелік химия тактикасы маңызды биологиялық белсенділікке ие күрделі молекулалардың, мысалы, спонгистатин 2 және манделалид А толық синтезінде табысты қолданылған.

Окистендіру байланысының пайда болуы

Иод сияқты тотықтырғыш қолдану арқылы ( ) полярлылықтағы екі көміртектің арасында байланыс жасау мүмкін. Энтеролактонның осы толық синтезінде, оттегі топтарының 1,4 қатынасы йодты тотықтырғыш ретінде пайдалана отырып, карбоксилат энолятының окистендіруші гомокоплінгі арқылы құрастырылады.

Аминді омыртқа

Көбінесе амин тобындағы азот атомы жалғыз электрон жұбы арқылы нуклеофил ретінде реакцияға қатысады. Біріншілік немесе екіншілік амин жақсы кететін топпен (мысалы, галоген атомы немесе алкокси тобы) алмастырылғанда бұл полярлық өзгеріп, кері болуы мүмкін. Соның салдарынан алынған N-алмастырылған қосылыс азот атомында электрофил сияқты мінез-құлық танытып, нуклеофилмен, мысалы карбаниондардың электрофильдік аминациясындай, реакцияға түсуі мүмкін.

Гидразонды өшіру

Жақында C. J. Li және әріптестері гидразонды umpolung арқылы әртүрлі карбонилдерді органометалл реагенттерінің аналогтарына айналдырды. Катализатордың қатысуымен, органометалл реагенттері сияқты, гидразондар нуклеофильдік қосылуларға, конъюгатты қосылуларға және түрлі электрофилдермен металл катализделген кросс-байлауларға түсіп, жаңа С-С байланыстарын құра алады.